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汽车挡风玻璃雨刮系统硬件在半实物仿真中的动态建模与实验验证

为了保持竞争力，汽车公司使用先进的模拟方法以协助在产品开发。半实物仿真就是这样一种技术。为了将这个应用到汽车电子控制单元（ECU）的发展，ECU的传感器和执行器的精确的仿真模型是必要的。在这项工作中，我们开发和验证了一个完整的动态数学模型的汽车挡风玻璃雨刷系统。在建模阶段，对雨刮电机进行了分析，并开发了一个独特的数学模型来捕捉双速操作的设备。一个多结构模型的联系利用MathWorks 动态模型的仿真软件实现。这个模型被实验验证，而且他的参数通过遗传算法模型也得到了确定。然后该模型可以简单实时模拟，使其适合于半实物仿真。半实物兼容模式应用于汽车ECU的开发。

关键词：雨刮器；半实物；实时仿真；遗传算法

简介

由LLP编写的全球汽车报告2013评估汽车行业的价值为8000亿美元（Clearwater公司金融，2013）。此外，2012年世界各地的个人汽车销量突破6000万台并且在过去的十年中汽车销售已经持续增加（HTTP：/ / www.oica .net）。在2012的乘用车总数也超过6000万–相比2011年增加了5.3%（http：/ / www.oica .net）。新的汽车设计必须满足严格的安全和环保的要求下，在行业标准比如ISO26262下，产品被广泛用于（Jeon, Cho, Jung, Park, amp; Han, 2011）同时维持可接受的舒适性和性能标准，使产品可行。这需要智能电脑能够在相对较短的生产时间能够生产高质量和安全的产品，公司将从利润丰厚的全球汽车产业中收益。

在汽车产业新产品开发过程中遵循经典的V模型（罗伯特博世有限公司，2007）。图1显示了一个相适应的版本，突出了在生产过程中模型的使用。现代产品开发过程中使用基于模型的设计，开发和测试工具来提高需求的可追踪性，开发速度和早期检测的有效性。一个特别重要的基于仿真的测试程序是硬件半实物仿真。

HIL是一种先进的实时仿真技术，其中必然的趋势是完全仿真系统会被硬件组件所替代（Hu amp; Azarnasab，2013）。在汽车行业中，因为半实物仿真离子允许在ECU接口组件的最后设计和制造之前广泛地进行测试，他们被广泛地运用在电子控制单元（ECU）的开发和测试中（Ganesh, 2005; Schuette amp; Ploeger, 2007）。大多数的现代豪华车的创新在电子/软件领域，随着电子系统取代了传统的机械及电气系统（von TIL，2006），在现代豪华车中有超过100个的电子控制单元ECU（瓦尔特曼，2009）。本文开发模型的目的是在由捷豹陆虎进行的一个ECU的硬件半实物仿真测试中提供一个可供使用的挡风玻璃雨刮系统仿真模型。

利用像本文中所提到的开发的仿真模型的好处如下：（1）减少了硬件原型占用空间和资源的需要，（2）模型可以迅速更新来体现设计的变化，而目前的原型往往是不可用的，（3）做仿真模型试验具有较高的可重复性因为所有变量可以控制（4）ECU的开发测试比依赖于硬件原型的测试进行更快。

本文首先介绍了通过显示其物理结构和工作原理来实现仿真的雨刷系统。然后，展示该系统的每个元素的建模过程。接着，用遗传算法（GA）来确定模型中的未知参数。然后通过比较其现象与真实来验证模型。一旦完成，该模型可以简化为实时仿真，使其适合于半实物仿真。

图1 产品开发的五种模型

现有的雨刮器模型

在现有的雨刷系统模型往往集中在某个方面的系统，不适合于实时仿真。一些以前的工作的例子给出了这一点的说明：在常和林（2004），一个雨刮系统的数学模型用来调查，并试图控制，混沌行为目前的系统。一个雨刮片的力学数学模型在 Okura, Sekiguchi, and Oya （2000）研究的系统反转（即当叶片改变方向）过程中的振动行为。在这一点上可以听到噪声和模型来识别用来减少噪音的可修改设计参数。Grenouil- lat和勒布朗（2002）使用在挡风玻璃上仿真模型进行了振动研究。发现机械连接配置的雨刷器在震动噪声有大的影响。像三辨认以上处理的振动模型一般为半实物仿真太复杂，不适合开发ECU。

那这里更多类似的研究是Xiaoyu, Yanfeng, and Yengjie （2011）在物理模型创建技术提出，被用来创建一个机械的雨刷系统模型来协助未来的组件的设计，但是该模型并没有验证。最后，以前的出版物，Wei, Mouzakitis, Wang, and Sun (2011) a和 Dooner, Wang, 和Mouzakitis (2013)发展一种包括电机和连杆机构半实物仿真模型。

雨刮系统建模

该模型在模拟的部分不同于从2节中讨论的模型。该模型注重的雨刮系统的重要元素是（1）由电机驱动的联动动态转矩负荷和这些因素如何影响电机电流，（2）开关瞬变以及快与慢转换时的电机电流，（3）这样的行为必须被系统在整个运行速度中模拟。该模型没有考虑到如机械元件的振动影响。

除了捕捉系统动力学和耦合电机和联动之间的联系，模型必须能够实时模拟（使用HIL仿真）和易于更新设计，因为该模型将被用于在产品开发的早期阶段。为了满足这些目标的物理模型已经使用MathWorks物理建模工具 Simscape。

该系统可以分为两个元素的现代旅游：雨刷电机和系统的联动，如图2。这些都是最初分别为蓝本，然后再加上一个模型。

图2 系统框图

联动系统建模

用于雨刷系统的联动系统是这样设计的，从永磁直流电机（PMDC）的单向旋转运动可以转化为这两个雨刷的振荡运动。联动系统的设计与运行表现在图3。该机构最初是仿照使用MathWorks工具simmechanics。选择这个是因为它通过采用嵌入式方程和模块化设计(Wood amp; Kennedy, 2003)简化模拟和多体动力学系统仿真建模的过程。SimMechanics也已成功地应用于类似的项目(Xiaoyu et al., 2011).

图3 键操作

如图4所示，在SimMechanics模型环境中联动被定义。每一个人的联系是由固体块的的形状和材料为代表的连锁。两变换等模块用于定义连杆长度和指定一个坐标系统的两端。每一端都连接到一个旋转接头。五杆机构系统是现代使用方法，并被近似为在一个平面。完整的模型的联系如图5所示。

图4 SimMechanics工具

图5 完整的关联模型

模型的测量参数如图3所示，适用于Wei 等等 (2011).该模型被设计为允许任何的参数可以很容易地改变，以便该模型可以代表在图3所示的联动系统的物理上可行的设计，允许设计更新很容易实现。也包括在参数中的密度的材料，2.7克/立方厘米，和该曲柄的初始角（alpha;），阻止—挖掘的雨刷的停放位置。公园的位置是指雨刷静止位置在不工作时，即在挡风玻璃的底部。

雨刮电机建模

永磁直流刷雨刮电机直接连接到代表电机的速度的电池，从而雨刷不能通过改变输入电压得到控制。为了控制电机以三分之一的刷速度增加，磁力线的补偿支管，给电机的电两个电子输入和一个共同的输出（hameyer和belmans，1996）。结构可以在图6中看到。

图6 雨刮电机结构

在磁中性线的刷直与普通刷的刷直，连接到慢速输入。将电压应用到该刷将导致电机作为一个标准的双溴用永磁直流电机。应用一个电压于磁中性线刷会导致电机在快速模式下操作。这增加了电机轴的旋转速度和电枢电流，并且使效率降低（希利尔，1987）。

无模型的雨刮电机捕捉快速和慢速运行，并且可以找到它们之间的切换，。因此，一个独特采用经典电磁理论的雨刮电机模型应运而生。

要了解刷操作的雨刮电机在不同状态下的电枢绕组的电流路径的差异被认为是要考虑的。当前路径的缓慢和快速操作显示在图7和8，分别在12个电枢槽被标记为a，l和包含2个绕组。12绕组被标记为打勾的“1”到“12”以表示将绕组的返回路径。瞬时的电流方向是使用交叉电流进入页面一点电流的离开页面和当前路径用颜色表示，蓝色代表电流路径1和红色代表路径2。箭头显示的永磁体引起的磁力线方向。磁场可以用磁通密度矢量Blowast;，或的指示大小的标量的磁密度，B，和向量，lowast;R，其指向的径向距离的电枢中心来描述。

图7 减速电枢绕组

图8 高速电枢绕组

可以看出在缓慢运行的电流路径周围的磁中性线对称，如在一个正常的永磁直流电动机。然而，在快速操作的当前路径是不对称的，即它们是不平衡的，在每一个电流路径中的电流值在慢模式相同，但由于当前路径的不同的物理长度，它在快速模式下是不同的。

分析了基于1章中Chias- son （2005）在每个电枢槽的转矩。在每个时隙中的力的大小是一个以电枢尺寸的Blowast;磁场的大小和方向，和电流的大小和方向的函数。

在雨刮器中的电流路径的不平衡性质复杂的总转矩的测定（通常是在一个电枢槽的转矩乘以插槽的数量乘以。这个重新考虑三例：

在槽中的电流是相等的，在相同的方向。

在槽中的电流是相等的和相反的方向。

在槽中的电流是不平等的，在相同的方向。

在第一种正常的情况下，在图6中槽“a”，每槽产生的扭矩可以证明是，

其中Tlowast;是槽的扭矩，L1是衔铁的长度，L2是电枢直径，I是电流，B磁场密度和KT是恒定的扭矩马达。单位向量Zcirc;点沿旋转轴。

在第二种情况（如图7），由两个绕组中产生的扭矩相互抵消在插槽“f”的情况下：

在第三种情况下（如图8 中的C“槽”），由两个绕组产生的力矩的总和，但两者大小不同。在槽c的情况下：

其中I1和I2是通过分离电流路径的电流。

由电机在慢速和快速的模式所产生的转矩的表达式现在可以根据在每个单独的槽电流模式产生的转矩推导出，

Tslow = Ta Tb ··· Tl = 10Ktislow, (1)

Tfast = Ta Tb ··· Tl = 8Ktifast (2)

在标量形式，T_slow和T_fast是电机分别在低速和高速模式的产生的扭矩。

同样，i_fast和i_slow是电机分别在快慢机械操作中的输入电流，与i_fast相等（I1 I2）。

在分析由电机产生的反电动势时，它是简单的分析电枢绕组回路，而不是电枢槽。以下显示了由一个单一的线圈产生的电动势的分析，然后将其应用到在研究调查的雨刮电机；这个分析基于第一章的Chiasson (2005lt;

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