汽車刮水控制系統(tǒng)的建模與實現(xiàn)

董建設(shè)，權(quán)香妮（北汽集團越野車研究院電子電器與空調(diào)部，北京　101300）

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汽車刮水控制系統(tǒng)的建模與實現(xiàn)

董建設(shè)，權(quán)香妮
（北汽集團越野車研究院電子電器與空調(diào)部，北京101300）

摘要：應(yīng)用Simulink仿真模型工具，完成汽車刮水控制系統(tǒng)邏輯控制開發(fā)的工作。通過定義統(tǒng)一模型參數(shù)，規(guī)范功能邏輯，規(guī)劃功能分類和編寫功能模塊邏輯，完成了刮水控制系統(tǒng)邏輯模型。Simulink搭建的模型便于閱讀、編輯和擴展，提高了產(chǎn)品開發(fā)效率和管理效率。

關(guān)鍵詞：刮水控制；控制邏輯；參數(shù)定義；刮水系統(tǒng)功能；模型架構(gòu)

傳統(tǒng)的刮水系統(tǒng)設(shè)計中，控制功能均由刮水開關(guān)、線束和刮水電機互相匹配實現(xiàn)，開關(guān)和線束設(shè)計復(fù)雜且功能單一。近年來，隨著車身控制技術(shù)的發(fā)展和整車架構(gòu)的規(guī)劃，刮水系統(tǒng)成為車身控制的一部分，實現(xiàn)了智能化。本文主要論述通過Simulink仿真建模，設(shè)計刮水控制系統(tǒng)。

利用Simulink仿真模型開發(fā)刮水控制系統(tǒng)，可以解決如下問題：①根據(jù)原理圖合理定義各種輸入輸出參數(shù)；②根據(jù)功能規(guī)范正確劃分功能邏輯；③使模型具有最大通用性和平臺性。

1　總體介紹

刮水控制系統(tǒng)架構(gòu)主要由3層組成，如圖1所示。第1層為硬件層：完成實際的功能輸入和輸出；第2層為驅(qū)動層：接收和輸出命令，達到硬件正常工作目的；第3層為邏輯控制層：通過驅(qū)動層獲得輸入，得出控制算法，輸出給驅(qū)動層來驅(qū)使硬件正常工作。

模型代碼是邏輯控制層生成的控制算法，可以通過Simulink進行仿真驗證或第三方工具及臺架進行測試，保證邏輯的正常輸出。嵌入式工程師獲取模型代碼并集成到驅(qū)動層代碼中，再將控制和驅(qū)動程序燒寫到硬件環(huán)境中，完成整個產(chǎn)品的開發(fā)過程。

圖1　刮水控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

2　系統(tǒng)規(guī)范

2.1刮水控制系統(tǒng)硬件原理圖

模型開發(fā)是邏輯控制層的控制算法開發(fā)，無需考慮硬件參數(shù)和驅(qū)動負(fù)載，所以刮水控制系統(tǒng)原理圖可以用輸入輸出示意圖表示。圖2所示為某車型的刮水控制系統(tǒng)原理圖，參數(shù)分為輸入輸出兩個部分，其中左側(cè)為輸入變量，右側(cè)為輸出變量。

2.2功能規(guī)范

2.2.1工作模式

前刮水的工作模式由OFF（關(guān)閉模式）、LOW （低速模式）、HIGH（高速模式）、INT（間歇模式）和AUTO（自動模式）構(gòu)成。

前刮水開關(guān)的擋位由MIST擋 （點觸擋）、OFF擋、AUTO／INT擋 （自動／間歇擋）、LOW擋 （低速擋）和

HIGH擋 （高速擋）構(gòu)成。

刮水開關(guān)和點火開關(guān)分別處于不同狀態(tài)時的刮水工作模式見表1。

圖2　刮水控制系統(tǒng)硬件原理圖

表1　刮水工作模式對應(yīng)表

2.2.2前刮水低速模式

前刮水低速功能描述：①點火開關(guān)ON擋，刮水開關(guān)LOW擋，刮水LOW模式；②刮水LOW模式，刮水開關(guān)進OFF擋，刮水轉(zhuǎn)為OFF模式；③刮水LOW模式，點火開關(guān)進OFF擋，刮水立即停止；④刮水LOW模式，刮水開關(guān)進AUTO／INT擋，刮水運行到停止位后，進AUTO／INT模式；⑤刮水LOW模式，刮水開關(guān)進HIGH擋，刮水進HIGH模式。

2.2.3前刮水高速模式

前刮水高速功能描述：①點火開關(guān)ON擋，刮水開關(guān)HIGH擋，刮水HIGH模式；②刮水HIGH模式，刮水開關(guān)進OFF擋，刮水進LOW模式，再進OFF模式；③刮水HIGH模式，點火開關(guān)進OFF擋，刮水立即停止；④刮水HIGH模式，刮水開關(guān)進AUTO／INT擋，刮水運行到停止位后，刮水進AUTO／INT模式。

2.2.4前刮水MIST模式

刮水MIST模式功能工作方式同刮水LOW模式的工作方式。

2.2.5前刮水間歇自動模式

前刮水間歇自動調(diào)節(jié)工作模式 ［RLS（雨量光傳感器）配置禁止時］：①點火開關(guān)ON擋，刮水開關(guān)INT擋，刮水INT模式。②刮水間歇時間由間歇調(diào)速開關(guān)擋位和車速信號共同決定，詳見表2。③刮水INT模式，刮水開關(guān)進OFF擋，刮水進OFF模式。④刮水INT模式，點火開關(guān)進OFF擋，刮水立即停止。⑤刮水INT模式，刮水間歇時間發(fā)生變化邏輯：a.如果前刮水處于運動中，刮水到停止位后，應(yīng)按照新間歇時間運行；b.如果前刮水處于停止位中，新間歇時間小于舊間歇時間，應(yīng)立即離開停止位運行；c.如果前刮水處于停止位中，新間歇時間大于舊間歇時間，應(yīng)按照新的間歇時間進行等待后，再離開停止位運行。

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表2　前刮水間歇時間

2.2.6前刮水自動模式

前刮水自動工作模式 （RLS配置使能時）：①點火開關(guān)ON擋，刮水開關(guān)AUTO擋，刮水進AUTO模式，按RLS指令執(zhí)行；②刮水AUTO模式，刮水開關(guān)進LOW／HIGH擋，刮水進LOW／HIGH模式；③刮水AUTO模式，點火開關(guān)進OFF擋，刮水立即停止；④刮水AUTO模式，刮水開關(guān)進OFF擋，刮水進OFF模式。

2.2.7前刮水及洗滌聯(lián)動功能

1）前洗滌開啟。如滿足點火開關(guān)和前洗滌開關(guān)都在ON擋要求時，通過設(shè)置輸出變量來驅(qū)動前洗滌泵清洗前風(fēng)擋玻璃，同時啟動定時器。

2）前洗滌關(guān)閉。如滿足：①前洗滌開關(guān)OFF擋；②點火開關(guān)OFF擋；③最大激活時間cfgFront Wash Max ActTime（本地變量）已經(jīng)達到這3個條件中任意條件時，將關(guān)閉前洗滌電機。

3）前刮水OFF擋或間歇擋激活洗滌聯(lián)動功能。前洗滌器開關(guān)激活時間超過cfgFrontWashWipingDelayTime（本地變量），則前刮水洗滌聯(lián)動激活，刮水低速運行，在聯(lián)動過程中：①前洗滌開關(guān)進OFF擋，前刮水再運行2個循環(huán) （可配置），退出聯(lián)動功能；②刮水開關(guān)進LOW或HIGH擋，刮水進LOW或HIGH模式；③刮水開關(guān)進入INT擋，刮水洗滌聯(lián)動功能執(zhí)行完成后再進入INT模式；④前洗滌開關(guān)OFF再到ON擋。則按照如下條件執(zhí)行：a.前洗滌器開關(guān)打開時間未超過cfgFrontWashWipingDelayTime（本地變量），執(zhí)行完上次聯(lián)動后停止；b.前洗滌器開關(guān)打開時間超過cfgFrontWashWipingDelayTime（本地變量），再次啟動聯(lián)動過程。

4）前刮水高速或低速模式下激活洗滌聯(lián)動功能。刮水低速或高速運行中，不執(zhí)行聯(lián)動功能。

5）前刮水自動模式下激活洗滌聯(lián)動功能。前洗滌器開關(guān)打開時間超過cfgFrontWashWipingDelayTime（本地變量），則前刮水洗滌聯(lián)動激活，聯(lián)動完成后，刮水繼續(xù)執(zhí)行自動模式。

2.2.8前刮水停止位信號

1）刮水復(fù)位。點火開關(guān)ON擋，刮水開關(guān)OFF擋，且刮水不在停止位位置時，控制系統(tǒng)驅(qū)動刮水運行到停止位后關(guān)閉。

2）停止位故障診斷。刮水正常工作，控制系統(tǒng)在定義時間內(nèi)，沒有接收到停止位信號，即認(rèn)為停止位信號故障，記錄DTC。

3）停止位故障處理策略。診斷出停止位故障后，刮水立即停止工作。

4）停止位故障清除。點火開關(guān)OFF再到ON擋，或刮水開關(guān)OFF擋再到ON擋。刮水會再次運行。此時如果接收到停止位信號，清除DTC。

3　參數(shù)定義

在模型開發(fā)中，除了輸入變量和輸出變量，還需要增加本地變量和配置變量，以保證模型開發(fā)的高效性和擴展性。本文中輸入變量名稱使用in開始，輸出變量名稱使用out開始，本地變量名稱和配置變量名稱使用cfg開始。下面介紹各項變量的定義。

3.1輸入變量定義

1）點火開關(guān)定義：inIGN.ON，inIGN.ACC，inIGN. Start。

2）前刮水停止位定義：inFrontWiperPSWSts（0x0：停止位；0x1：非停止位）。

3）LIN總線雨量光定義：inRLSSts（0x0：NotActive；0x1：Normal：；0x2：Lost：；0x3：RLSERROR）。

4）LIN總線雨量光刮刷定義：inRLSWiperCmd （0x：OFF，0x1：LowSpeed：0x2：HighSpeed）。

5）前刮水開關(guān)定義：inFrontWiperSWSts（0x0： OFF；0x1：LowSpeed：0x2：HighSpeed，0x3：Auto，0x4：Mist）。

6）前洗滌開關(guān)定義：inFrontWashSWSts（0x0：OFF；0x1：ON）。

7）前洗滌故障狀態(tài)：inFrontWashSts（0x0：Ok；0x1：Error）。

8）前刮水間歇擋位定義：inFrontWiperIntervalSts （0x1：0擋；0x 1：1擋；0x 2：2擋；0x 3：3擋）。

9）車速定義：inVehicleSpeed（int16）。

10）車速狀態(tài)：inVehicleSpeedValid（0x0：Active，0x1：Unactive）。

3.2輸出變量定義

1）前洗滌輸出定義：outFrontWashCmd（0x0：active，0x1：Unactive）。

2）前刮水控制定義：outFrontWiperCmd（0x0：OFF；0x1：LowSpeed；0x2：HighSpeed）。

3.3本地變量和配置變量定義

1）雨量光傳感器配置：cfgRLSEn（0x0：Enable，0x1：Disable）。

2）可配置變量，前洗滌最大允許工作時間：cfgFrontWashMaxActTime（int8）。

3）可配置變量，前洗滌噴水到刮水開始掛刷的等待時間：cfgFrontWashWipingDelayTime（Int8）。

4）可配置變量，前洗滌開關(guān)關(guān)閉／無效后，刮水掛水次數(shù)cfgFrontWipeProlonNum（int8）。

5）INT間歇時間參數(shù)表：cfgINTtime（Table）。

6）車速間歇判斷使能信號：cfgWiperIntAssociate VehiSpeed（Int8）。

4　模型建立

4.1模型架構(gòu)建立原則

模型架構(gòu)的過程是對功能規(guī)范中邏輯功能的重新分配，功能分配的基本原則是：功能清晰、通用性強、結(jié)構(gòu)簡單易讀。

4.2模型架構(gòu)搭建

系統(tǒng)模型由7個模塊組成，其中IGN為通用模塊，可以被其它多個模塊引用。結(jié)合系統(tǒng)的維護性也可將模型分為：輸入邏輯模型、主要功能邏輯模塊和最終輸出邏輯，系統(tǒng)的模型架構(gòu)圖如圖3所示。

4.3模型搭建

依據(jù)系統(tǒng)模型架構(gòu)的定義，本文使用Matlab中的simulink模塊進行各子模塊的模型設(shè)計。

4.3.1IGN模塊

IGN模塊主要完成點火開關(guān)信號的轉(zhuǎn)換，即將三路硬線開關(guān)輸入信號轉(zhuǎn)換為一路內(nèi)部模型參數(shù)，模塊中涉及的變量為inIGN_ON，inIGN_ACC，inIGN_Start 和cfgIGN，變量關(guān)系參數(shù)如表3所示，模塊邏輯圖如圖4所示，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖3　刮水系統(tǒng)模型架構(gòu)圖

表3IGN關(guān)系參數(shù)表

圖4IGN模型邏輯圖

圖5IGN模型結(jié)構(gòu)圖

4.3.2停止位管理模塊

停止位管理模塊主要完成刮水是否自動返回停止位的邏輯判斷，模塊中涉及的變量為inFrontWiperPSWSts、inIGN、inRLSSts、inRLSWiperCmd、cfgRLSEn、inFront WiperSWSts和cfgParkPosition，模塊控制邏輯流程圖如圖6所示，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

4.3.3陽光雨量管理模塊

陽光雨量管理模塊主要完成陽光雨量傳感器對刮水動作控制邏輯的需求。

模塊中涉及的變量為inRLSSts、inIGN（OFF，ACC，ON，Start）、inRLSWiperCmd、inFrontWiperPSWSts、cfgRLSEn、inFrontWiperSWSts和cfgSensorWork，控制邏輯圖如圖8所示，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖6　控制邏輯圖

圖7　停止位管理模塊結(jié)構(gòu)圖

圖8　控制邏輯圖

圖9　陽光雨量模塊結(jié)構(gòu)圖

4.3.4刮水洗滌管理模塊

刮水洗滌管理模塊主要完成系統(tǒng)對洗滌電機和刮水動作控制邏輯的需求。

模塊中涉及的變量為inIGN、cfgFrontWashMaxAct-Time、cfgFrontWashWipingDelayTime、cfgFrontWipeProlon Num、inFrontWashSWSts、inFrontWashSts、inFrontWiperPSWSts、outFrontWashCmd和outWiperWashCmd，控制邏輯圖如圖10所示，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖10　控制邏輯圖

圖11　前刮水洗滌邏輯結(jié)構(gòu)圖

4.3.5刮水刮刷管理模塊

刮水刮刷管理模塊主要完成系統(tǒng)對刮水動作控制邏輯的需求。

模塊中涉及的變量為inFrontWiperSWSts、inFrontWiperPSWSts、inFrontWiperSts、cfgRLSEn、inIGN （OFF，ACC，ON，Start）、cfgRLSSts、cfgINTtime和cfgWiperWork，控制邏輯圖如圖12所示，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

圖12　控制邏輯圖

圖13　刮水刮刷邏輯結(jié)構(gòu)圖

4.3.6間歇管理模塊

間歇管理模塊主要完成系統(tǒng)對間歇時間控制邏輯的需求。

模塊中涉及的變量為inFrontWiperIntervalSts、in-VehicleSpeed、inVehicleSpeedValid、cfgWiperIntAssociateVehiSpeed，變量關(guān)系參數(shù)見表2，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖14所示。

圖14　間歇刮刷邏輯結(jié)構(gòu)圖

4.3.7刮刷洗滌輸出管理模塊

刮刷洗滌輸出管理模塊主要實現(xiàn)上述幾個模塊的整合，并最終完成刮水和洗滌輸出動作。

模塊中涉及主要功能邏輯模型中的4個模塊的輸出與2個輸出變量outFrontWiperCmd和outFrongt-WashCmd，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。

圖15　最終輸出邏輯結(jié)構(gòu)圖

綜上，將以上6個邏輯結(jié)構(gòu)圖組合到一起，就是整車刮水系統(tǒng)的模型圖。

5　結(jié)論

刮水系統(tǒng)模型的搭建，不僅可以高效、便捷地完

成刮水控制系統(tǒng)邏輯開發(fā)，而且也提高了系統(tǒng)的擴展性。對于不同的開發(fā)項目，無需更改模型邏輯文件，只需配置參數(shù)變量，就能實現(xiàn)模型邏輯參數(shù)的更改，不僅高效地實現(xiàn)了設(shè)計方案，而且真正做到了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，對汽車品質(zhì)控制起到重要的作用。

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（編輯心翔）

中圖分類號：U463.855

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0036－05

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：董建設(shè) （1981-），男，工程師，主要工作方向為乘用車車身控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，乘用車車身控制架構(gòu)研究；權(quán)香妮 （1980-），女，工程師，主要工作方向為乘用車電子控制系統(tǒng)設(shè)計和整車電磁兼容性總體設(shè)計，乘用車電子電器架構(gòu)研究。

Modeling and Implementation of Automotive Wiper Control System

DONG Jian-she，QUAN Xiang-ni
（Electronic appliance and A／C Department，BAIC Motor SUV Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 101300，China）

Abstract：By using the Simulink simulation model，the car wiper control logic development is established.This paper defines the unified parameters of the model，standardises the logic function，plans functional classification，writes the logical functional module，and finally completes the wiper control system logical model.Model based on Simulink is easy to read，edit and expand，which improves the development and management efficiency.

Key words：wiper control；control logic；parameter definition；wiper system function；model architecture