双电机雨刮器硬件平台搭建与控制算法研究

论文摘要

随着如今汽车电子技术的迅猛发展和不断进步,各大汽车厂商和消费者对车身电子装备的要求也日益增高,具有舒适性、便捷性、高效性、安全性以及时尚性的各类车载设备相比于以往更加受到人们的关注和重视。雨刮器便是我们日常最常见的车身设备之一,用于清除挡风玻璃表面的积水和污垢等,保证驾驶者能够有良好的行车视野,其工作性能将直接影响着驾驶者的行车安全。目前车辆上装备较多的是传统的单电机驱动的雨刮器,其通过电机带动四连杆机构来实现两支雨刮的同向往复摆动。这种雨刮器内部机械结构较为复杂,不仅增加了重量,同时占用了发动机舱内部空间,存在着工作噪声大、机械故障率高等问题。且由于采用同向刮刷形式,刮刷面积有限,在乘客侧留有一定的视野盲区。而本文所研究的双电机雨刮器是一种较为新兴的雨刮设备,可以有效解决上述传统单电机同向刮刷雨刮器的弊端。这种雨刮器由两套独立的雨刮系统所组成,每套均包含了直流雨刮电机、减速传动设备和雨刮。两部电机分别安置于车辆挡风玻璃的左右下沿边角处,分别驱动各侧雨刮。因此,两支雨刮之间省去了机械连接结构,并由同向刮刷形式变为对向刮刷形式。相比于传统的单电机雨刮器,双电机雨刮器克服了机械连接结构的噪音问题,减少了机械故障的发生,体积减小,结构更加紧凑。此外,双电机雨刮器的对向刮刷方式相比于同向刮刷形式增加了约10%的刮刷面积,使雨天等气候条件下的驾驶员视野更加开阔,盲区减小,为驾驶员的行车安全提供了有力的保障。对于双电机雨刮器对向刮刷的工作方式,我们需要解决以下两个问题：一是如何使两侧雨刮按照合理的规律进行往复摆动,其二是如何保证两侧雨刮不会因外界干扰而导致相互碰撞。针对以上的两个问题,本文进行了双电机雨刮系统控制算法的研究和设计。为了能够保证所设计的控制器能够更加有效和可靠,同时也为了日后进一步的深入研究,本文搭建了一个双电机雨刮器硬件实验平台用以提供更加精确的被控对象。该实验平台采用了实车装备的双电机雨刮器设备,并按照接近于实车的安放位置与前挡风玻璃组建成了一套完整的车用雨刮系统。我们设计并制作了基于H形桥式可逆PWM变换器的直流电机驱动电路用于驱动直流雨刮电机,利用磁阻传感器与信号调理芯片设计并制作了角位置传感器用于获得雨刮角位置信号作为控制系统的反馈信号。在组建完成实验台架后,我们根据所采用的实际的雨刮器设备建立了较为完善的双电机雨刮器数学模型,并依据微分平坦理论找出了双电机雨刮系统的平坦输出,即蜗轮蜗杆减速器的输出轴角位置。然后,由两侧雨刮运动状态和安全距离约束条件规划出该平坦输出的名义轨迹,从而得到了两侧雨刮摆角和电机输入电压的名义轨迹。对于实际工况中的干扰将会引发雨刮摆角产生偏离的情况,应使系统对预先设定好的雨刮名义角位置轨迹进行跟踪,因此我们设计了前馈加反馈相结合的控制方案。将之前规划好的名义电机输入电压作为前馈信号,并通过反馈控制器根据雨刮角位置实际偏差对前馈电压信号进行校正,以达到快速的轨迹跟踪效果。对于闭环反馈控制,我们设计了改进型的增量式数字PI控制器,其可以有效消除积分饱和现象。除此之外,我们对PID神经网络控制器应用于反馈控制进行了探究,其可以有效的将神经网络与PID控制规律相结合,实现一定程度上的参数自适应调整,相较于传统神经网络在参数和权值的选取上更有依据性,选取更快捷。实验结果表明上述控制方法对雨刮摆角轨迹的跟踪效果良好。当系统遇到较大扰动时,雨刮在单侧控制系统的作用下依然会发生较大偏差,此时两侧雨刮将因摆角偏差过大而发生碰撞。为此,我们在双电机雨刮系统中又添加了同步控制器对两侧的雨刮进行协调控制。该同步控制器基于改变时钟信号快慢的原理,依据干扰侧的雨刮摆角偏差变化率对另一侧系统生成的参考角度轨迹和前馈电压轨迹进行相应调整,使两侧雨刮能够同步的协调运行。仿真实验结果表明当其中任一侧雨刮受到干扰而靠近另一侧雨刮时,在基于时钟的同步控制器的作用下,这种靠近的趋势会得到有效抑制,保证两侧雨刮在安全距离外协调运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出背景与研究意义
• 1.2 本课题研究发展现状
• 1.3 本课题研究目标与内容
• 第2章 双电机雨刮器硬件实验平台搭建
• 2.1 双电机雨刮器实验台架搭建
• 2.1.1 双电机雨刮器总成
• 2.1.2 双电机雨刮器实验平台的搭建
• 2.2 双电机雨刮器实验平台相关电子设备的设计与制作
• 2.2.1 雨刮电机驱动电路
• 2.2.2 雨刮角度传感器电路
• 2.3 本章小结
• 第3章 双电机雨刮系统的轨迹规划
• 3.1 双电机雨刮器驱动装置的数学模型
• 3.1.1 驱动装置的结构和工作原理
• 3.1.2 驱动装置的数学模型
• 3.2 基于微分平坦理论的双电机雨刮系统轨迹规划
• 3.2.1 微分平坦理论概述
• 3.2.2 双电机雨刮系统的轨迹规划
• 3.3 本章小结
• 第4章 双电机雨刮器控制算法研究及仿真
• 4.1 双电机雨刮器控制问题概述
• 4.2 单侧雨刮系统的改进型增量式数字PID控制器设计
• 4.2.1 PID控制器
• 4.2.2 改进型增量式数字PID控制器设计及参数整定
• 4.2.3 仿真实验及结果分析
• 4.3 单侧雨刮系统的PID神经网络控制器设计
• 4.3.1 神经网络和神经网络控制
• 4.3.2 PID神经网络
• 4.3.3 PID神经网络控制器设计
• 4.3.4 仿真实验及结果分析
• 4.4 电机雨刮器驱动电机的同步控制方案设计
• 4.4.1 多电机同步控制问题
• 4.4.2 基于时钟的双电机雨刮器系统同步控制器设计
• 4.4.3 仿真实验及结果分析
• 4.4.4 本章小结
• 第5章 全文总结
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 今后工作展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢