采用CAN總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器

閆達(dá) 王旭東 孫彥成

摘 要：目前汽車上普遍采用的單電機(jī)雨刷系統(tǒng)是通過機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)的雨刷臂同步擺動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)具有占用空間大和故障時(shí)維修不便等缺點(diǎn)，采用的雙電機(jī)雨刷系統(tǒng)克服了這些不足，同時(shí)還減小了系統(tǒng)的重量和機(jī)械噪音，但必須采用合理的方式解決雙電機(jī)的運(yùn)行同步問題。針對這一問題，設(shè)計(jì)了采用CAN（controller area network）總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器。搭建了控制器各部分的硬件電路，依據(jù)雨刷臂擺動(dòng)過程中約束條件，建立了參考運(yùn)行軌跡，并通過曲線擬合的方式將實(shí)驗(yàn)采集到的雨刷臂的位置信息繪制成實(shí)際運(yùn)行軌跡。通過主從同步控制方式，采用CAN總線作為兩側(cè)控制器信息傳遞的通訊總線，解決了雙電機(jī)的同步控制問題，并在實(shí)際車輛上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，且已投入使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用CAN總線的雙電機(jī)雨刷系統(tǒng)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)雨刷臂同步穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠?qū)ζ鋮⒖歼\(yùn)行軌跡進(jìn)行密切跟蹤。

關(guān)鍵詞：

雙電機(jī)雨刷系統(tǒng)；同步控制；軌跡建立；CAN總線

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.020

中圖分類號： TM33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）03-0117-05

Dual-motor Synchronous Wiper System Controller Based on CAN Bus

YAN Da， WANG Xu-dong， SUN Yan-cheng

（School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Single-motor wiper system through a mechanical connection to swing synchronously is widely used. This structure has the disadvantages such as large space occupation， inconvenient maintenance and so on. Dual-motor wiper system overcomes all these problems and reduces the system weight and mechanical noise， but reasonable solution of synchronous operation should be adopted. To solve this problem， this design adopted dual-motor synchronous control wiper system based on CAN（Controller Area Network） bus. The circuit of the controller was built and the reference trajectories of wiper arms were established according to the constraints of the swing process while the actual trajectory was drawn through fitting the collected position information. Based on the CAN bus， the dual-motor synchronous control was realized through master-slave synchronous control method. The results of experiments show that： dual-motor wiper system controller based on CAN bus could achieve synchronous operation of the wiper arms tracking those reference trajectories.

Keywords：dual-motor wiper system； synchronous control； trajectory generation； CAN bus

0 引 言

雨刷系統(tǒng)作為汽車安全系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要用于清除風(fēng)擋玻璃上的雨雪、灰塵等雜物[1]。在目前車輛前端雨刷系統(tǒng)中，采用較多的形式為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)同向刮刷方式[2]，左右雨刷器之間采用機(jī)械連接來實(shí)現(xiàn)雨刷臂的同向往復(fù)擺動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不僅體積、重量大[3]，維修也極其不便。因此許多汽車廠商提出了用電子系統(tǒng)替代機(jī)械連接的采用對向刮刷方式的雙電機(jī)汽車雨刷系統(tǒng)[4]。在雙電機(jī)汽車雨刷系統(tǒng)中，每個(gè)雨刷臂由安裝在風(fēng)擋玻璃兩側(cè)的兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，因此它比傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)方式增加了10%的刮刷面積[5]，為汽車駕駛者提供了更好的視野，減小了視線的盲區(qū)，同時(shí)還具有體積小，重量輕，噪音低，拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。

在雙電機(jī)汽車雨刷系統(tǒng)中，兩電機(jī)組件內(nèi)各配備一個(gè)控制器。為了保證兩個(gè)雨刷臂安全運(yùn)行不發(fā)生碰撞，兩控制器之間必須實(shí)現(xiàn)雨刷臂位置信息的實(shí)時(shí)傳遞，使其同步擺動(dòng)，并始終保持一定的安全距離。因此如何實(shí)現(xiàn)位置信息快速可靠地傳遞并實(shí)現(xiàn)兩雨刷臂的同步擺動(dòng)成為時(shí)下研究的熱點(diǎn)[6-9]。文[7]提出采用DSP（digital signal processing）作為主控制芯片實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步運(yùn)行的一種方法，有效地提高了多電機(jī)系統(tǒng)同步運(yùn)行的穩(wěn)定性。文[8]提出了一種基于時(shí)鐘的同步控制方法，為兩個(gè)控制器設(shè)置不同的時(shí)鐘基準(zhǔn)，從而改善了雙電機(jī)雨刷控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾性能。文[9]通過采用交叉耦合控制器，提高了雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和控制精度。以上文獻(xiàn)都沒有涉及兩控制器之間位置信息傳遞的方式，這對于兩雨刷臂的同步運(yùn)行和系統(tǒng)故障時(shí)控制器的快速響應(yīng)至關(guān)重要，為此本文提出了采用CAN（controller area network）總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)。采用在汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的CAN總線作為通訊總線[10-12]，目的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制器之間位置信息的快速傳遞，且方便控制器與汽車其他電子控制單元之間進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交換。為實(shí)現(xiàn)對雨刷臂位置的實(shí)時(shí)檢測，采用了零磨損的非接觸式角度位置檢測芯片。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)雨刷臂的協(xié)調(diào)同步運(yùn)行，采用了主從同步控制方式，選定司機(jī)側(cè)的雨刷電機(jī)作為主控制對象，乘客側(cè)的雨刷電機(jī)作為從控制對象。

1 采用CAN總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)

采用CAN總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器由司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)兩個(gè)控制單元組成，其中司機(jī)側(cè)的控制單元為主控制單元，乘客側(cè)的控制單元為從控制單元。每個(gè)控制單元主要由5個(gè)模塊組成：微控制器模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，位置檢測模塊，電流檢測模塊，CAN總線通訊模塊。其中，微控制器模塊是整個(gè)雨刷控制器的核心。

本設(shè)計(jì)選用INFINEON公司的高性能、低功耗的單片機(jī)XC886作為主控制芯片。XC886是英飛凌XC88x系列增強(qiáng)型8位單片機(jī)[13]，集成了4個(gè)16位定時(shí)器，6路PWM信號發(fā)生器，8通道10位AD轉(zhuǎn)換模塊等豐富的片上外設(shè)。在設(shè)計(jì)本控制器時(shí)，外部只需要為其配備位置檢測信號預(yù)處理電路，驅(qū)動(dòng)電路及過流保護(hù)電路即可。

XC886內(nèi)部還集成了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的MultiCAN模塊[14]，剛好滿足控制器對于CAN節(jié)點(diǎn)的需求。一個(gè)用于控制器與汽車其他電子單元通訊，另一個(gè)用于主控制器將位置信息傳遞給從控制器。此外其內(nèi)部集成的乘法/除法單元，能夠快速實(shí)現(xiàn)16位乘除運(yùn)算，大大加快了計(jì)算并更新PWM控制信號占空比的速率，使得雨刷臂位置控制更加精確。

2 采用CAN總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器各模塊的設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主電路采用由4個(gè)功率MOSFET組成的H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)MOSFET的PWM信號的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，其原理是通過改變電機(jī)電樞兩端平均電壓實(shí)現(xiàn)的調(diào)壓調(diào)速。由于需要驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET，本設(shè)計(jì)選用可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4個(gè)N溝道MOSFET的HIP4081A作為驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片最大工作頻率可達(dá)1MHz，并且內(nèi)部集成了欠壓保護(hù)電路，同時(shí)可通過在HDEL、LDEL引腳外接電阻為PWM互補(bǔ)控制信號添加死區(qū)時(shí)間。DIS引腳為低電平有效的封鎖芯片輸出引腳。

驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。采用零歐姆電阻連接單片機(jī)引腳與驅(qū)動(dòng)芯片，防止位于功率側(cè)的驅(qū)動(dòng)芯片工作過程中的大電流反向流入單片機(jī)損壞芯片。DIS引腳與電流箝位保護(hù)電路連接，當(dāng)流過電機(jī)電流過大時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)芯片輸出。HDEL、LDEL引腳外接200k的電阻添加了90ns的死區(qū)時(shí)間，防止軟件添加的死區(qū)時(shí)間丟失。在H橋電路兩個(gè)下橋臂與地之間串聯(lián)了一個(gè)采樣電阻用于電流檢測?？刂菩酒敵龅膬蓪パa(bǔ)PWM控制信號分別接至BHI、BLI、AHI、ALI 4個(gè)引腳。由于采用雙極性PWM，4個(gè)功率開關(guān)管被分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3為一組，同一組開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形相同，不同組驅(qū)動(dòng)波形互補(bǔ)。當(dāng)PWM占空比大于50%時(shí)，電機(jī)兩端平均電壓為正值，電機(jī)正轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)PWM占空比小于50%時(shí)，電機(jī)兩端平均電壓為負(fù)值，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.2 雨刷臂位置檢測模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)兩側(cè)雨刷臂的協(xié)調(diào)同步運(yùn)行，將雨刷臂實(shí)時(shí)的位置信息作為系統(tǒng)位置閉環(huán)反饋信號，用于與參考位置信息作差生成PID控制器的輸入信號。所以，快速且精確的位置信息采集對于系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行至關(guān)重要。

本設(shè)計(jì)采用Melexis公司的MLX90316作為位置檢測芯片。MLX90316是基于三軸霍爾技術(shù)的角度式位置檢測芯片[15]，作為一種非接觸式360°旋轉(zhuǎn)感測芯片，它可以感測平行于芯片表面的磁場強(qiáng)度變化。只要將磁鐵安裝在雨刷臂末端與位置檢測芯片平行正對的位置，MLX90316即可檢測雨刷臂當(dāng)前位置相對于0°位置（可通過軟件任意設(shè)置）的角度。同時(shí)選用了芯片三種輸出方式中精度較高模擬輸出方式，將雨刷臂擺動(dòng)角度范圍0°～80°與0～4.5V電壓線性對應(yīng)。由于選用芯片的封裝為TSSOP16（雙片集成完全冗余設(shè)計(jì)），將集成的兩個(gè)完全相同的芯片分別配置成沿正反兩個(gè)方向測量雨刷臂相對0°位置的角度值，輸出的兩路電壓信號如圖2中OUT1和OUT2，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換所得的角度值取算數(shù)平均值后作為當(dāng)前雨刷臂的位置。采用這一方式增加了位置測量信息的準(zhǔn)確性，削弱了由于A/D轉(zhuǎn)換精度不夠帶來的誤差。

2.3 電流檢測模塊設(shè)計(jì)

雨刷臂在汽車風(fēng)擋玻璃附著冰雪或因其他外界因素阻擋的情況下無法正常擺動(dòng)，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時(shí)需要控制器及時(shí)做出響應(yīng)使電機(jī)停轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)通過檢測流過電機(jī)電樞的電流來判斷電機(jī)是否發(fā)生了堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

H橋電路中采樣電阻兩端電壓輸入到電流檢測模塊經(jīng)過兩級反向放大電路后的輸出，一方面經(jīng)過濾波和鉗位電路后輸入到單片機(jī)的ADC模塊用以計(jì)算當(dāng)前流過電機(jī)的電流。另一方面輸入到電壓比較器與電流閾值折算成電壓后的值做比較。由于不僅發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)需要電機(jī)停轉(zhuǎn)，雨刷臂正常運(yùn)行也需要軟件控制電機(jī)在風(fēng)擋玻璃兩側(cè)邊緣位置及時(shí)的停轉(zhuǎn)，所以本文設(shè)計(jì)了電流箝位保護(hù)電路如圖3所示。令電壓比較器輸出與單片機(jī)引腳P2.7經(jīng)過一個(gè)或非門后連接到驅(qū)動(dòng)芯片的DIS（低電平有效）引腳。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，流過電機(jī)電流大于閾值，電壓比較器輸出高電平。電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，控制器既可以通過電壓比較器啟動(dòng)硬件保護(hù)動(dòng)作封鎖驅(qū)動(dòng)芯片輸出，又可以通過軟件置位P2.7引腳禁止驅(qū)動(dòng)芯片輸出，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。停轉(zhuǎn)后電機(jī)立即反轉(zhuǎn)，使雨刷臂返回初始位置，并進(jìn)行連續(xù)三次嘗試，若仍無法通過該位置，則雨刷臂返回初始位置后系統(tǒng)停止運(yùn)行，控制器確認(rèn)當(dāng)前系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，并產(chǎn)生故障警報(bào)。

2.4 微控制器模塊設(shè)計(jì)——主從同步控制設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)兩雨刷臂同步運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用了主從同步控制策略，系統(tǒng)工作原理如圖4所示。角度式位置傳感器將當(dāng)前雨刷臂的位置作為反饋信號給控制芯片。主控制器將雨刷臂當(dāng)前時(shí)刻位置與參考運(yùn)行軌跡中該時(shí)刻的位置作差，結(jié)果送入PID控制器1。司機(jī)側(cè)雨刷臂的位置通過CAN總線傳遞給從控制器作為輸入，從控制器查表得到該時(shí)刻的參考位置，同理與當(dāng)前時(shí)刻雨刷臂位置作差，將結(jié)果輸入到PID控制器2。PID控制器輸出更新了占空比PWM控制信號，并將PWM信號輸入到驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)兩側(cè)雨刷電機(jī)帶動(dòng)各自雨刷臂始終跟蹤各自參考運(yùn)行軌跡協(xié)調(diào)同步擺動(dòng)。

2.5 CAN總線通訊模塊

本設(shè)計(jì)采用INFINEON公司的TLE6250作為CAN收發(fā)芯片。通過將INH引腳下拉，RM引腳上拉選擇芯片始終工作在收發(fā)模式，如圖5所示。在單片機(jī)的CANTXD引腳與TLE6250的RXD引腳之間加入兩級反相器，以提高信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時(shí)，在CAN總線兩端增加終端電阻，吸收信號的反射和回波。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 CAN總線上位置信息的傳遞

圖6所示為雨刷臂擺動(dòng)過程中CAN總線上主控制器向從控制器發(fā)送的一幀報(bào)文的解碼結(jié)果，由于是對CANL線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行的解碼，所以解碼結(jié)果為矩形波所對應(yīng)數(shù)碼的反碼?？梢钥闯鲈摃r(shí)刻CAN總線傳遞的數(shù)據(jù)為Byte：11，則司機(jī)側(cè)雨刷臂位置芯片輸出經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后結(jié)果為0x11=17，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換精度為8位，對應(yīng)最大擺動(dòng)角度80°，從控制器由17/255×80=5.33可知，司機(jī)側(cè)雨刷臂當(dāng)前位于角度5.33°處。這樣，通過CAN總線主控制器就完成了一次向從控制器位置信息的傳遞。

3.2 兩側(cè)雨刷臂運(yùn)行軌跡的規(guī)劃

本文所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車雨刷控制器高速檔對應(yīng)運(yùn)行周期T=1s，低速擋對應(yīng)運(yùn)行周期T=1.2s。下面僅就系統(tǒng)處于高速擋時(shí)的情況，對司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)雨刷臂參考運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃。司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)雨刷臂起始擺動(dòng)位置相對于位置芯片設(shè)置0°分別為0.0698rad和2.967rad。雨刷系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的約束條件有：最大擺角θ=1.3788rad，角速度θ′≤9rad/s，角加速度θ″≤60rad/s2，兩雨刷臂之間距離d≥50mm。則司機(jī)側(cè)軌跡函數(shù)θd（t）的約束條件如表1所示。

由于雨刷臂到達(dá)最遠(yuǎn)端過程和返回初始位置過程為互逆過程，雨刷臂一個(gè)周期內(nèi)經(jīng)歷兩次啟動(dòng)加速和制動(dòng)減速至0的過程。所以對應(yīng)軌跡函數(shù)關(guān)于t=0.5對稱，在區(qū)間0～0.5s斜率從零開始先增大，后減小至零。根據(jù)軌跡函數(shù)這些特性選擇高斯函數(shù)：

Gauss=ae-（x-b）22c2（1）

作為核心，構(gòu)建司機(jī)側(cè)軌跡函數(shù)為：

θd（t）=2.967-1.3788e-（t-1/2）20.1（2）

其在MATLAB中圖像如圖7中雨刷臂參考運(yùn)行軌跡。

乘客側(cè)軌跡函數(shù)為

θp（t）=0.0698-1.3788e-（t-1/2）20.1（3）

其在MATLAB中圖像如圖8中雨刷臂參考運(yùn)行軌跡。

圖7和圖8中司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)雨刷臂實(shí)際運(yùn)行軌跡是將系統(tǒng)采集到的雨刷臂一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)時(shí)間與位置對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)，經(jīng)過MATLAB曲線擬合后形成?？梢钥闯鲇晁⒈勰軌蚓o密跟蹤參考運(yùn)行軌跡。

4 結(jié) 論

本文提出了采用CAN總線的雙電機(jī)同步控制雨刷系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法。建立了雨刷臂的參考運(yùn)行軌跡，并控制雨刷臂實(shí)現(xiàn)了對其參考運(yùn)行軌跡的跟蹤，通過CAN總線對位置信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)了兩雨刷臂協(xié)調(diào)同步運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本控制器控制的雙電機(jī)汽車雨刷系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠。

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