張 恒，李云紅，李曉東，宋 鵬

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

0 引 言

雨刷系統(tǒng)是汽車的重要控制系統(tǒng)之一，傳統(tǒng)的手動機械雨刷在使用過程中，會分散駕駛員的注意力.在雨雪天氣，往往成為發(fā)生交通事故的重要隱患.針對傳統(tǒng)雨刷的缺點，李艷明［1］等提出了一種基于智能功率開關BTS6143D的車輛雨刷電機啟動控制方案，采用脈寬調制（PWM）起動方式，使車輛負載轉速平穩(wěn)上升，減小了起動時的機械沖擊以及電流沖擊，實現了雨刷電機平穩(wěn)無級啟動的過程；張朝祥［2］等則通過雨量傳感器檢測雨量大小，提出一種基于模糊控制理論的雨刷控制器，克服了非線性因素對系統(tǒng)造成的影響；張奎［3］等提出將智能PID控制技術應用到直流電機的控制中，自動調整控制參數，從而獲得最佳的過程響應曲線.通過對目前雨刷控制系統(tǒng)的比較，本系統(tǒng)采用PWM［4－5］方法對直流電機調速，并在分析了模糊控制理論及雨刷同步擺動規(guī)則的基礎上，利用STM32作為ARM微控制單元，提出了一種基于模糊控制［6－9］的智能雨刷系統(tǒng).該系統(tǒng)將轉速偏差與轉速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據所制定的一套模糊控制規(guī)則來調節(jié)PWM的輸出變量，并以此來驅動兩直流電機［10］，使兩個風擋雨刷同步工作，并在系統(tǒng)中設計了位置檢測的功能.在控制策略和控制算法的基礎上，用Matlab/Simulink軟件進行仿真和驗證，對比了PID控制和模糊控制的控制效果，從而提高了系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)態(tài)性能.

1 模糊控制算法

在風擋雨刷同步控制系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會對雨刷同步造成影響.這樣，就需要用人的經驗知識來調整PWM信號的占空比，使兩個雨刷同步擺動.因此，把模糊控制技術運用到雨刷同步器，可以使系統(tǒng)有良好的控制效果.

模糊控制器是模糊控制的關鍵，本模糊控制器的輸入變量是兩個雨刷到達復位位置的時間偏差E和時間偏差變化率Ec，輸出變量是PWM脈寬調制信號占空比D的增量VD.在進行輸入變量模糊化時，時間偏差E在其論域上定義7個模糊集隸屬度函數，相應的語言變量為負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（0）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數為三角形.時間偏差變化率Ec在其論域上定義5個模糊集隸屬度函數，相應的語言變量為負大（NB）、負?。∟S）、零（0）、正?。≒S）、正大（PB），其隸屬度函數為三角形.輸出變量PWM占空比增量VD在其論域上定義7個模糊集隸屬度函數，相應的語言變量為負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（0）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數為三角形.模糊控制規(guī)則如表1所示.

表1 模糊控制規(guī)則Table 1 Fuzzy control rules

2 系統(tǒng)設計

風擋雨刷控制系統(tǒng)由左、右各1臺雨刷控制器組成，控制模塊采用STM32作為ARM微控制單元.左、右控制開關可分別控制左、右雨刷器工作，分間歇、低速、高速和復位停止4種工作狀態(tài).當左、右控制開關所處不同檔位時，左、右雨刷各自獨立工作，不要求同步.當左、右雨刷同時開啟到同一個檔位時，系統(tǒng)控制左、右雨刷同步擺動.控制系統(tǒng)結構如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of control system

2.1 硬件設計

根據總體設計，硬件控制模塊包括ARM最小系統(tǒng)、雨刷電機、電動機驅動模塊、檔位顯示模塊、串口通信模塊等部分，另外，還應具有位置檢測功能及其他功能，如微控制單元產生PWM信號，針對控制面板輸入信號而設計輸入檢測電路等.硬件控制系統(tǒng)設計框圖如圖2所示.

2.1.1 輸入檢測模塊 輸入檢測模塊能夠實現高速、低速、間歇、停止4個檔位的檢測，電路采用光電隔離，并選用濾波電容去除控制面板開關抖動以及各種干擾的影響.

2.1.2 位置檢測模塊 由于雨刷電機和蝸輪蝸桿連成一體，將位置傳感器安裝在蝸輪蝸桿處.位置傳感器每隔1.5s送出一

個脈沖信號給微控制單元，當雨刷接到停止指令，控制器進行歸位信號檢測，如果在一個雨刷循環(huán)周期內未檢測到歸位信號，則間歇性啟動電機并向歸位方向運轉最多3次.如果還未檢測到歸位信號，則判定為機械性故障，輸出報警信號.

2.1.3 串口通信模塊 串口通信電路主要實現雨刷的精準定位和同步控制.兩個微控制單元通過MAX3485芯片通信，分時收發(fā)數據信息，通過比較、處理、更新兩個微控制單元的輸出控制信號、雨刷位置信息等，達到使兩組雨刷器同步工作的目的.

圖2 硬件控制系統(tǒng)設計Fig.2 Hardware block diagram of the control system design

2.2 軟件設計

系統(tǒng)功能的實現除了硬件的支持之外還需要通過軟件設計來進行補充，高效、緊湊、模塊化的軟件流程設計不但可以使得控制器的實時性、穩(wěn)定性更高，而且能夠使得調試的過程更加容易.主程序流程圖如圖3所示.

圖3 主程序流程Fig.3 The main program block diagram

3 結果與分析

本設計提出了一種基于模糊控制理論的風擋雨刷同步控制系統(tǒng).模糊控制是智能控制的一個重要分支，與常規(guī)PID控制相比具有無須建立被控對象的數學模型，對被控對象的時滯、非線性和時變性具有一定適應能力等優(yōu)點，同時對噪聲也具有較強的抑制能力.用 Matlab/Simulink軟件進行仿真和驗證可知模糊控制與PID控制比起來具有調節(jié)速度快、超調量小等特點.圖4～5中對比了兩種控制算法的結果，表明模糊控制系統(tǒng)超調小且響應平穩(wěn).

圖4 PID控制系統(tǒng)仿真結果Fig.4 PID control system simulation results

圖5 模糊控制系統(tǒng)仿真結果 Fig.5 Fuzzy control system simulation results

硬件工作時，當開關打到低速檔時，雨刷器工作頻率為12循環(huán)/min.通過示波器測量可得，低速檔位時直流電機編碼器輸出脈沖頻率為2.384 66k Hz，高電平電壓為2.48V；當開關打到高速檔時，雨刷器工作頻率為20循環(huán)/min.通過示波器測量可得，高速檔位時直流電機編碼器輸出脈沖頻率為3.990 40k Hz，高電平電壓為2.40V；當開關打到間歇檔時，雨刷器工作頻率為10循環(huán)/min，其中每個循環(huán)內雨刷器工作3s，停止3s.通過示波器測量可得，間歇檔位時高電平電壓為2.40V.通過實驗測試，本系統(tǒng)控制精準，各檔位電機編碼器輸出脈沖幅度穩(wěn)定，頻率能達到預期要求，系統(tǒng)反應靈敏，穩(wěn)定性較好.

4 結束語

風擋雨刷同步控制系統(tǒng)通過STM32控制，通過PWM技術實現調速.系統(tǒng)利用模糊控制算法實現了同步狀態(tài)下兩個雨刷器的精準控制，為機車駕駛員雨天駕駛提供了安全保障，具有較高的使用價值及較好的市場前景，對進一步提高汽車智能化具有重要意義.

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