純電動(dòng)轎車車窗防夾算法分析

柳智慧，賀愛香，楊 娟

（安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

純電動(dòng)轎車車窗防夾算法分析

柳智慧，賀愛香，楊 娟

（安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

車窗防夾，指電動(dòng)門窗在關(guān)閉過程中，檢測(cè)關(guān)閉阻力，當(dāng)阻力大于設(shè)定閾值后，改變車窗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)車窗防夾.本文通過加裝電機(jī)霍爾傳感器的方法檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，提出防夾算法計(jì)算阻力，從而實(shí)現(xiàn)車窗防夾功能.Simulink模型仿真實(shí)踐結(jié)果表明，雙霍爾的穩(wěn)定性高于單霍爾，該算法適用于車窗防夾力的計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)車窗防夾.

車窗防夾；檢測(cè)；霍爾傳感器；仿真

1 緒論

隨著汽車電子行業(yè)的發(fā)展，越來越多的汽車采用電子車窗控制系統(tǒng).電動(dòng)車窗的運(yùn)用在方便駕乘人員操作的同時(shí)，在防夾方面還存在一定的安全隱患[1-4].對(duì)于車窗防夾，美國普遍采用的是紅外線技術(shù)，但國內(nèi)自主研發(fā)的車窗防夾控制系統(tǒng)依然少見，因此對(duì)于車窗防夾檢測(cè)的研究具有一定突破意義[5-8].本文基于霍爾傳感器提出了車窗防夾算法，即實(shí)時(shí)檢測(cè)霍爾傳感器電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，防夾發(fā)生時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降，控制器依據(jù)該算法計(jì)算阻力，當(dāng)阻力大于設(shè)定閾值時(shí)，向繼電器發(fā)出指令，電路會(huì)讓電流反向，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)（下降），使車窗停止移動(dòng)或下降，有效的實(shí)現(xiàn)了車窗防夾.

2 防夾算法的物理模型

電動(dòng)車窗電機(jī)受繼電器控制，其模型如圖1所示，其中U為電機(jī)兩端電壓，R為等效電阻，L為電樞自感，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速，J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，f為電機(jī)運(yùn)行的阻力系數(shù)，Tm為電磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩，T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩.

圖1 電動(dòng)車窗電機(jī)控制模型圖

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，忽略控制電壓U的變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化影響電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，具體關(guān)系如式（1）所示.

忽略風(fēng)阻和震動(dòng)對(duì)車窗防夾的影響，本文所提出的防夾算法設(shè)計(jì)中，防夾力的判斷由電機(jī)轉(zhuǎn)速與加速度分量構(gòu)成，具體關(guān)系如式（2）所示.

當(dāng)防夾發(fā)生時(shí)

則防夾力

在此方程中，ω0為防夾自學(xué)習(xí)值，dω/dt和ω為實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算值，則防夾力的轉(zhuǎn)速與加速度系數(shù)分別如下：

由式（4）—式（6）知

由式（7）可以看出，防夾力隨著轉(zhuǎn)速和加速度的增大而增大.

3 模型參數(shù)分析

本文基于雙霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)算法中相關(guān)參數(shù)采集，其中包括轉(zhuǎn)速、加速度.通過采集結(jié)果對(duì)防夾力、轉(zhuǎn)速及加速度之間的關(guān)系進(jìn)行分析和驗(yàn)證.

3.1 轉(zhuǎn)速

常溫下，防夾計(jì)算為每個(gè)周期4ms.本文通過采集霍爾傳感器的脈沖寬度判斷速度，即利用PCI 6221板卡，基于四個(gè)平均滑動(dòng)濾波的濾波方法，分別從四個(gè)方位采集脈沖寬度，脈沖寬度采集結(jié)果如圖（2）所示.

圖2 脈沖寬度

為解決速度波動(dòng)問題，采用雙霍爾速度進(jìn)行采集，通過圖3的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙霍爾通過兩個(gè)濾波可以獲得近似于單霍爾八個(gè)濾波的效果.另外，防夾時(shí)的雙霍爾明顯比單霍爾反應(yīng)更快.

圖3 單霍爾與雙霍爾速度采樣對(duì)比圖

3.2 加速度

加速度分量主要由轉(zhuǎn)速變化快慢來決定，本文只考慮串聯(lián)上的模擬車窗的彈性系數(shù).在實(shí)際防夾過程中，彈力系數(shù)K=K1*K2/(K1+K2).本文對(duì)10N/mm與20N/mm的測(cè)力計(jì)彈簧加速度差值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，整個(gè)彈性系數(shù)分別為8N/mm與13N/mm，夠明顯區(qū)別出10N/mm、20N/mm的彈簧，如圖4所示.

圖4 兩種測(cè)力彈簧加速度差值比較圖

4 仿真分析

本文基于MATLAB中Simulink仿真工具，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模、仿真和分析.具體判斷防夾力的方法如下：

圖5 速度變化

圖6 加速度變化圖

2ms任務(wù)中調(diào)用防夾算法，Hall2_application_flag由 Hall2_interrupt_flag賦值，在void HallCapture2Hook(void)中操作.利用void HallCapture1Hook(void)計(jì)算位置與速度.在防夾反轉(zhuǎn)過程需要判斷電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向、停止位置，直接切換繼電器，防夾過程中，為保證電壓的平穩(wěn)性及電壓與速度波動(dòng)的一致性，設(shè)置電壓為0.1V，速度的波動(dòng)如圖5所示，加速度變化如圖6所示.可以看出，防夾過程中速度是一直降低，加速度變化并不明顯.

將電壓設(shè)置到16V，通過脈寬變化識(shí)別彈簧，觀察10N/mm與20N/mm測(cè)試力下脈沖寬度的變化，如圖7，圖8所示，可以看出，當(dāng)速度變化達(dá)到8之后有一段平穩(wěn)區(qū)域.能夠識(shí)別出20N彈簧并保證防夾力小于75N的參數(shù)為7.6.對(duì)于10N彈簧，保證防夾力小于75N的參數(shù)為6.3.

圖7 10N彈簧數(shù)據(jù)

圖8 20N彈簧數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

本文主要對(duì)純電動(dòng)轎車的車窗防夾算法進(jìn)行分析研究，利用霍爾傳感器來實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)速度的變化，判斷是否有故障發(fā)生，通過對(duì)防夾力的估算，當(dāng)障礙物造成的防夾力大于我們?cè)O(shè)定的范圍時(shí)實(shí)施防夾措施.即，繼電器收到指令讓電流反向流動(dòng)，致使電機(jī)停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而使車窗停止或下降.因此本文針對(duì)防夾力計(jì)算所涉及參數(shù)進(jìn)行采集并利用Simulink工具進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，雙霍爾的穩(wěn)定性高于單霍爾，該算法能夠適用于車窗的防夾和車窗防夾力的計(jì)算.

〔1〕徐浩，樊小年．關(guān)于LIN總線應(yīng)用的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．華章，2014（04）：3-4．

〔2〕袁俊業(yè)，袁紅兵，龔旅濱．電動(dòng)車窗防夾設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)程，2015（08）：185-187-192．

〔3〕朱敏慧．車窗防夾技術(shù)提高兒童乘車安全[J]．汽車與配件，2014（32）：30-31．

〔4〕奚碧清，周斌，王燕梅，蘇強(qiáng)，駱葳．基于MATLAB的汽車被動(dòng)安全評(píng)價(jià)模型研究 [J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（01）：61-62．

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〔5〕張玉平，王賀飛．汽車電動(dòng)車窗防夾控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J]．中小企業(yè)管理與科技(上旬刊)，2014（03）：225-226．

〔6〕胡明輝，謝紅軍，秦大同．電動(dòng)汽車電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的研究[J]．汽車工程，2013(12)：1068-1073．

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TP273

A

1673-260X（2017）03-0039-02

2016-11-12

安徽新華學(xué)院校級(jí)（自然科學(xué)）科研項(xiàng)目：1×8硅納米線陣列波導(dǎo)光柵的研制（2014zr020）