基于模糊PID算法的電動側(cè)開門控制器的設(shè)計(jì)

苗文博，徐洋，譚偉，江松，熊秋涵

1.重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065；2.重慶利龍科技產(chǎn)業(yè)(集團(tuán))有限公司，重慶 400020

0 引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及電子工業(yè)的快速進(jìn)步，電子汽車智能化的程度成為現(xiàn)代衡量汽車水平的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一，汽車電子占整車制造成本比例逐年增加，并且未來的比例也會持續(xù)增加。

電動側(cè)開門(power hinge door，PHD)由超聲波雷達(dá)、有刷直流電機(jī)、霍爾傳感器等元器件組成，從而實(shí)現(xiàn)對車門動作的控制。PHD具有以下基本功能：智能防撞、智能防夾、車門調(diào)速。同時(shí)對不同的汽車停靠環(huán)境進(jìn)行全面的考慮，如極端天氣、 狹小空間等，通過算法編寫實(shí)現(xiàn)PHD的基本功能在不同工況下仍正常運(yùn)行，使得整個(gè)系統(tǒng)做到智能化的同時(shí)也能確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性。總體而言，在車門控制模塊上集成更多的功能，開拓市場的空白，具有很大的研究意義與價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案

采用ST公司的STM32F4系列芯片作為處理核心來開發(fā)汽車的電動側(cè)開門功能。因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)是基于有刷直流電機(jī)和霍爾傳感器組合的方式進(jìn)行開發(fā)的，要實(shí)現(xiàn)防夾、堵轉(zhuǎn)、調(diào)速功能都離不開霍爾信號的檢測。在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測時(shí)，霍爾信號的異常變化、處理后的數(shù)值丟失都會直接影響電動側(cè)開門的功能實(shí)現(xiàn)。所以霍爾傳感器的信號采集檢測與處理十分重要。電動側(cè)開門示意如圖1所示。

圖1 電動側(cè)開門示意

電機(jī)霍爾信號的采集檢測與處理主要分為軟件和硬件兩個(gè)部分。硬件部分主要負(fù)責(zé)電機(jī)霍爾信號的采集和信號放大、濾波等處理。軟件部分主要負(fù)責(zé)對采集到的霍爾信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換，將霍爾信號與轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)聯(lián)系起來方便后期調(diào)速，同時(shí)計(jì)算采集到的霍爾信號數(shù)量從而得到當(dāng)前車門的位置。

2 硬件設(shè)計(jì)

從適用性、穩(wěn)定性和成本的角度考慮，在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用性價(jià)比高的元器件[1]，在該車門設(shè)計(jì)上選用了ST公司的STM32F407芯片。通過車門開關(guān)的鎖信號和BCM接收到的CAN報(bào)文進(jìn)行車門動作的策略處理。

MCU將會把檢測到的霍爾信號用于以下兩個(gè)部分的決策：一個(gè)通過計(jì)算霍爾信號的數(shù)量來獲取當(dāng)前車門的實(shí)時(shí)位置；另一個(gè)通過模糊PID進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。兩個(gè)橫相結(jié)合一同實(shí)現(xiàn)電動側(cè)開門的防夾、堵轉(zhuǎn)和調(diào)速功能。PHD硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 PHD硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.1 霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器模塊輸出的霍爾信號處理電路如圖3所示，其由差分放大電路和濾波電路兩個(gè)部分構(gòu)成。

圖3 霍爾信號處理電路

在霍爾傳感器中霍爾電壓會隨著磁場的變大而減小，而霍爾電壓值通常很小，只有幾個(gè)毫伏，所以選擇用差分放大電路來放大霍爾傳感器的電壓信號。進(jìn)行驅(qū)動時(shí)，濾波前霍爾信號會有許多毛刺，一般的RC濾波無法有效地濾除這些毛刺，所以選擇在RC濾波后加上一個(gè)NPN三極管來保證濾波的質(zhì)量，三極管響應(yīng)速度有最小寬度的要求，當(dāng)信號小于最小脈寬要求時(shí)才能保證正常輸出而不失真。經(jīng)過處理后將霍爾信號輸入給MCU進(jìn)行算法處理。

2.2 雷達(dá)模塊

為了實(shí)現(xiàn)在開門時(shí)遇見障礙物自動停止，選擇在車門上安裝超聲波雷達(dá)模塊，超聲波雷達(dá)可以返回一個(gè)探測距離，但在同一發(fā)射波上的障礙物距離一樣時(shí)，無法確定具體的位置。如圖4所示，A、B兩處探測距離一致都為d，但通過單個(gè)雷達(dá)無法確定是在A處還是B處。所以在車門上合適距離安裝兩個(gè)雷達(dá)模塊，當(dāng)兩個(gè)雷達(dá)共同探測到障礙物時(shí)即刻停止車門運(yùn)動，如圖5所示。此方案可以有效減少環(huán)境干擾，同時(shí)能夠確定20～40 cm范圍內(nèi)障礙物的位置。

圖4 雷達(dá)檢測

圖5 雷達(dá)安裝

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序和子程序兩個(gè)部分，主程序主要完成任務(wù)的調(diào)度分配；子程序主要由系統(tǒng)初始化代碼、功能代碼(防夾、調(diào)速)、中斷服務(wù)等構(gòu)成。

軟件的設(shè)計(jì)流程為：先判斷BCM是否發(fā)出鎖信號，若鎖信號發(fā)出則驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動同時(shí)進(jìn)行模糊PID調(diào)速；再由霍爾傳感器讀取當(dāng)前霍爾信號來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，若未達(dá)到目標(biāo)值則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)速；在運(yùn)動過程中通過霍爾脈沖計(jì)數(shù)來判斷車門是否運(yùn)動到規(guī)定位置，同時(shí)開啟雷達(dá)檢測，若雷達(dá)檢測到了障礙物則會停止運(yùn)動，如果未檢測到雷達(dá)信號而霍爾信號達(dá)到了防夾閾值則開啟防夾功能。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

3.1 車門防夾算法設(shè)計(jì)

電動側(cè)開門防夾功能的實(shí)現(xiàn)需要確定兩個(gè)核心問題：一是車門位置的精確判斷；二是夾物力的判斷。

采用的霍爾電機(jī)具有兩根信號線，分別是霍爾速度信號線和霍爾方向信號線。當(dāng)霍爾電機(jī)運(yùn)行，正轉(zhuǎn)霍爾信號會產(chǎn)生一個(gè)高電平，反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個(gè)低電平，以此來判定當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向；同時(shí)根據(jù)不同速度霍爾電機(jī)速度信號線產(chǎn)生的霍爾脈寬也不同，速度越快脈寬越窄。

根據(jù)車門電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的霍爾傳感器采集到的脈寬也不同，本文采用霍爾脈沖速度差檢測法。霍爾傳感器會在電機(jī)旋轉(zhuǎn)后輸出脈沖信號，脈沖的寬度為電機(jī)旋轉(zhuǎn)特定角度所經(jīng)過的時(shí)間，一旦發(fā)生夾持，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，脈沖寬度增大[2]，繼而實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)的判斷。經(jīng)測試電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的霍爾脈沖波形如圖7所示，電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖波形如圖8所示。

圖7 電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的霍爾脈沖波形

圖8 電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖波形

通過這兩個(gè)同時(shí)間基準(zhǔn)下不同情況的霍爾脈沖波形可知，遇見障礙物時(shí)電機(jī)電流增大，對應(yīng)的霍爾脈寬也就變寬[3]，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速也就降低。所以可以根據(jù)霍爾脈沖寬度信息來判斷所受到的阻力是否達(dá)到閾值，就可以依此設(shè)計(jì)算法判斷是否開啟防夾功能。

3.2 模糊PID調(diào)速算法設(shè)計(jì)

由于常規(guī)PID控制在實(shí)際應(yīng)用中較差，在本設(shè)計(jì)中使用模糊PID控制器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，主要分為模糊推理塊和PID調(diào)節(jié)模塊部分。模糊推理塊以霍爾電機(jī)的霍爾脈寬偏差e和偏差的變化率ec作為輸入[4]，輸出變量分別為PID控制器的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。

所用的離散PID控制算法為：

(1)

設(shè)定輸入ec、Δec和輸出變量的模糊子集為{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應(yīng)含義為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大};再設(shè)定每個(gè)變量的隸屬度函數(shù)[5]。模糊PID規(guī)則見表1。

表1 模糊PID規(guī)則

在去模糊部分選擇常用的重心法，計(jì)算公式為：

(2)

式中：z0為模糊控制器輸出量接模糊后的精確值；zi為模糊控制量論域內(nèi)的值；μc(zi)為zi的隸屬值。

在線性運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對PID參數(shù)的在線自校正,其工作流程如圖9所示。

圖9 模糊PID工作流程

4 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

本次設(shè)計(jì)是在實(shí)車上進(jìn)行測試的，通過把設(shè)計(jì)好的控制器安裝車門內(nèi)側(cè)的指定位置來控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5]。通過CANOE和外接的按鍵來發(fā)送數(shù)字信號和模擬信號給控制器進(jìn)行開關(guān)門信號的發(fā)送。

將電動側(cè)開門的防夾算法用于實(shí)車上進(jìn)行壓力檢測，在車門關(guān)閉的過程中只有進(jìn)入防夾檢測區(qū)域才會開啟防夾功能[6-8]。在受到阻力時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，霍爾脈寬增大，當(dāng)脈寬值達(dá)到設(shè)定閾值(防夾力為70N)后，系統(tǒng)將進(jìn)行反轉(zhuǎn)，如圖10所示。

圖10 車門防夾反轉(zhuǎn)時(shí)霍爾脈寬的變化

在多次測試后，電動側(cè)開門防夾成功率在99%以上，并記錄了3個(gè)不同的防夾力測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)記錄5組數(shù)據(jù)，其防夾力變化見表2。

表2 電動側(cè)開門防夾時(shí)防夾力變化 單位:N

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在車門的不同點(diǎn)進(jìn)行車門防夾時(shí)，防夾力基本在70N以下變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

利用Freemaster軟件對車門控制系統(tǒng)進(jìn)行霍爾脈寬實(shí)時(shí)檢測，觀察模糊PID調(diào)速情況，如圖11所示。

圖11 模糊PID調(diào)速

可以看出系統(tǒng)的振幅誤差在5%以內(nèi)，基本完成調(diào)速且速度變化穩(wěn)定在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對電機(jī)的霍爾脈寬檢測，設(shè)計(jì)了一款具有多功能的電動側(cè)開門控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有防夾、調(diào)速、雷達(dá)檢測等功能，且經(jīng)過多次試驗(yàn)測試，該設(shè)計(jì)滿足防夾力普遍小于70N、車門開關(guān)速度穩(wěn)定、雷達(dá)在20～40cm實(shí)現(xiàn)障礙檢測的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定、可靠、智能化控制的目的。