基于速度差分的車窗紋波防夾算法研究

熊 斌， 彭邦煌， 楊少遠(yuǎn)

（比亞迪汽車工程研究院， 廣州 深圳 518118）

伴隨汽車行業(yè)迅速發(fā)展， 車輛電子電氣系統(tǒng)功能愈趨復(fù)雜， 車輛自動化和智能化水平不斷提高， 對車輛的安全性有了更高的要求。 電動車窗基本成為量產(chǎn)轎車標(biāo)配， 電動車窗關(guān)閉過程如果沒有防夾功能， 誤操作容易造成人體傷害， 因此車窗防夾的研究很有必要。

現(xiàn)在車窗上搭載的防夾技術(shù)包括霍爾防夾技術(shù)和紋波防夾技術(shù)。 霍爾防夾研究較早， 技術(shù)相對成熟， 占據(jù)市場主導(dǎo)地位。 紋波防夾由于技術(shù)難度高和對電機(jī)性能參數(shù)要求嚴(yán)格， 研究較少， 但隨著電子技術(shù)的成熟， 而且紋波防夾可以節(jié)省傳感器及線束成本， 因此紋波防夾具有重大研究價(jià)值。

1 車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及紋波防夾原理

1.1 車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車窗系統(tǒng)由升降傳動機(jī)構(gòu)和控制器組成， 升降傳動機(jī)構(gòu)包括車窗、 車窗夾持器、 車窗升降軌道、 渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和直流有刷電機(jī)等， 車窗結(jié)構(gòu)如圖1所示。 車窗系統(tǒng)工作時(shí)， 控制器控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)， 通過渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為鋼絲繩的直線運(yùn)動， 鋼絲繩帶動車窗夾持器運(yùn)動從而帶動車窗上升或者下降。

圖1 車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 紋波防夾工作原理

紋波防夾工作原理是通過采樣電路對直流電機(jī)的紋波電流進(jìn)行采集， 通過相關(guān)算法對紋波電流進(jìn)行處理得到車窗的位置和防夾力， 從而判定防夾。

車窗位置計(jì)算原理是由于電機(jī)換向器上兩個(gè)碳刷轉(zhuǎn)動傳輸電流時(shí)， 電阻產(chǎn)生變化， 從而產(chǎn)生周期性變化的紋波電流信號， 對車窗運(yùn)動全行程紋波電流信號進(jìn)行計(jì)數(shù)， 可以得到車窗的位置信息。

如圖2所示， 車窗防夾力計(jì)算原理是當(dāng)車窗負(fù)載逐漸增加時(shí)， 電機(jī)速度不斷減小， 電機(jī)電流不斷增大， 因此可以通過電機(jī)電流或者轉(zhuǎn)速來計(jì)算負(fù)載力矩， 從而得到防夾力值來判定防夾。

圖2 防夾過程電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流變化曲線圖

常用的車窗防夾判定方法是， 采集電機(jī)電流或轉(zhuǎn)速值，根據(jù)電流扭矩或轉(zhuǎn)速扭矩曲線來計(jì)算防夾力從而判定防夾，該方法的缺陷是對于不同電壓、 不同溫度和車窗老化工況不能自適應(yīng)， 需要標(biāo)定各工況的防夾閾值， 導(dǎo)致算法開發(fā)周期延長。 本文研究算法是基于轉(zhuǎn)速差的車窗防夾力計(jì)算方法， 該方法不受車窗老化、 電壓變化等影響， 有很好的適應(yīng)性。

2 車窗防夾算法模型建立

2.1 防夾要求及影響因素

2.1.1 法規(guī)要求

國標(biāo)要求帶自動升窗需要配備防夾功能， 距離車窗全關(guān)閉頂部4～200mm的范圍作為防夾區(qū)域。 該防夾區(qū)域中，若出現(xiàn)障礙物阻礙車窗上升， 阻力大于設(shè)定防夾力閾值（小于100N） 時(shí)， 防夾系統(tǒng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)， 車窗下降并釋放障礙物。

2.1.2 影響因素

車窗防夾判定受行駛路面、 電機(jī)電壓、 外界溫度和老化等因素的影響， 當(dāng)受這些因素影響時(shí)， 可能會導(dǎo)致車窗電機(jī)轉(zhuǎn)速下降和電流上升， 從而導(dǎo)致誤防夾， 因此在防夾算法設(shè)計(jì)時(shí)需要對這些干擾因素進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 防夾算法設(shè)計(jì)

2.2.1 防夾算法模型建立

直流永磁驅(qū)動電機(jī)等效控制電路如圖3所示， 由電感、 電阻和電機(jī)電樞3部分組成， 其中電阻為穩(wěn)態(tài)部分， 電感和電樞為瞬態(tài)部分。

圖3 直流永磁驅(qū)動電機(jī)等效電路圖

根據(jù)等效電路電壓關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系， 可以得到公式 （1） 和公式 （2）。

式中： i——回路電流； U——回路供電電壓； R——回路等效內(nèi)阻； ω——直流驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速； L——回路等效電感； K——磁路電線性感應(yīng)常數(shù)； K——磁路機(jī)械線性感應(yīng)常數(shù)； T——負(fù)載轉(zhuǎn)矩； B——永磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度； J——電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。

公式 （1） 和 （2） 包含了直流永磁驅(qū)動電機(jī)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程， 為研究扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系， 僅考慮電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程， 此時(shí)認(rèn)為電流i和ω均達(dá)到穩(wěn)態(tài)， 得到公式 （3）和 （4）。 由公式 （3） 和 （4） 消去電流i參數(shù)， 得到直流永磁驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動角速度和負(fù)載扭矩關(guān)系表達(dá)式 （5）， 其中磁路電線性感應(yīng)常數(shù)、 磁路機(jī)械線性感應(yīng)常數(shù)、 磁場強(qiáng)度、內(nèi)阻均為常數(shù)， 因此公式 （5） 可以簡化得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載扭矩關(guān)系式 （6）。

在做車窗防夾試驗(yàn)時(shí)， 采集數(shù)據(jù)一般選用渦輪處的扭矩和轉(zhuǎn)速， 電機(jī)扭矩、 轉(zhuǎn)速和渦輪扭矩、 轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式（7） 和 （8） 所示， 因此可以得到渦輪處的轉(zhuǎn)速扭矩關(guān)系表達(dá)式 （9）。

式中： n——渦輪轉(zhuǎn)速； T——渦輪轉(zhuǎn)矩； i——渦輪蝸桿傳動比； K＇ ——電壓影響系數(shù)， 其 表達(dá)式 為K＇=K×i； K——扭矩影響系數(shù)， 其表達(dá)式為K＇=K×i。

如圖4所示， 對車窗升降系統(tǒng)進(jìn)行受力分析， 包括車窗重力F、 泥槽阻力F、 慣性力F、 防夾力F、 電機(jī)驅(qū)動力F， 根據(jù)受力平衡得到關(guān)系式 （10）， 考慮溫度、 電壓和車窗老化等都是緩慢變化， 一個(gè)防夾判定窗口內(nèi)可以認(rèn)為除防夾力F外的其他系統(tǒng)阻力為定值。 渦輪扭矩和電機(jī)驅(qū)動力之間關(guān)系如式 （11） 所示， 式中R為卷揚(yáng)輪半徑。

圖4 車窗升降系統(tǒng)受力示意圖

由關(guān)系式 （12） 和 （13） 可以得到車窗系統(tǒng)紋波防夾判定表達(dá)式 （14）。 根據(jù)防夾判定表達(dá)式可知該算法可以解決以下防夾影響因素： 首先， 可以適應(yīng)不同電壓工況， 不同的恒定電壓下車窗渦輪轉(zhuǎn)速差是恒定不變的， 電壓跌落時(shí)通過K＇ （U-U）部分進(jìn)行補(bǔ)償； 其次， 可以適應(yīng)車窗老化工況， 算法是基于速度差分的， 即使不同老化程度下導(dǎo)致車窗初始速度不一樣也不受影響。

2.2.2 防夾軟件設(shè)計(jì)

車窗紋波防夾軟件流程如圖5所示， 首先車窗系統(tǒng)在通電后對系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 其次進(jìn)行升窗操作后先判定車窗電機(jī)溫度是否得到熱保護(hù)溫度閾值， 若達(dá)到閾值則進(jìn)入熱保護(hù)禁止操作車窗， 若未達(dá)到熱保護(hù)閾值則車窗上升并對紋波計(jì)數(shù)從而獲取車窗位置， 再次判定車窗位置是否到頂，若到頂后則電機(jī)堵轉(zhuǎn)停止， 若未到頂則進(jìn)行車窗繼續(xù)上升，再者判定車窗是否處于無防夾區(qū)域， 若處于無防夾區(qū)域則不判定防夾， 若處于防夾區(qū)域 （距車窗頂部4～200mm范圍）則進(jìn)入防夾判定， 最后判定車窗電機(jī)轉(zhuǎn)速差是否達(dá)到閾值，若達(dá)到閾值則車窗防夾反轉(zhuǎn)一段距離。

圖5 車窗紋波防夾軟件流程圖

2.2.3 防夾參數(shù)標(biāo)定

公式 （14） 為防夾判定表達(dá)式， 其中紋波周期和電機(jī)電壓為窗控系統(tǒng)采集輸入量， 每個(gè)紋波周期采集1個(gè)電壓值， 判定窗口為40個(gè)紋波周期， 每8個(gè)紋波周期、 電壓平均值作為1組數(shù)據(jù)， 設(shè)第1組紋波周期、 電壓平均值為t、 U，第5組紋波周期、 電壓平均值為t、 U， 將參數(shù)F=80N、 R=22mm、 i=1:84和P=8帶入公式可得到軟件防夾判定表達(dá)式（15）， 由于K＇和K＇不易計(jì)算， 因此需要通過防夾試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

K＇的標(biāo)定通過同一溫度不同電壓下車窗正常上升的額定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到， 根據(jù)公式 （6） 可知， 在相同溫度下車窗的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T是恒定的， 因此可通過不同電壓下的額定轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)擬合出K＇值， 根據(jù)如圖6所示的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與電壓數(shù)據(jù)可擬合出K＇=6.179。

圖6 車窗電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與電壓曲線圖

K＇的標(biāo)定通過同一電壓不同溫度下車窗上升后防夾試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到， 測試過程通過不斷修正K＇使得防夾力為80N左右， 表1為不同電壓和溫度下車窗防夾力80N左右轉(zhuǎn)速差試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 為適應(yīng)不同溫度取轉(zhuǎn)速差折中值10， 相應(yīng)的K＇=10/1.76=5.682。

表1 不同溫度、 電壓車窗防夾轉(zhuǎn)速差數(shù)據(jù)

3 車窗防夾試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 測試工裝

車窗防夾采用實(shí)驗(yàn)室搭建的測試臺架進(jìn)行測試， 其測試工裝如圖7所示， 由上位機(jī)、 車窗升降機(jī)構(gòu)、 窗控開關(guān)、可編程電源、 窗控系統(tǒng)控制模塊、 恒溫箱等組成。

圖7 車窗防夾測試工裝

3.2 防夾測試

為驗(yàn)證防夾算法可以適應(yīng)不同電壓工況和不同溫度工況， 設(shè)計(jì)了不同電壓、 不同溫度、 不同防夾力測試位置的正交試驗(yàn)， 電壓選擇典型的9V、 12V、 14V和16V， 溫度選擇典型的低溫 （-35℃）、 常溫 （23℃） 和高溫 （85℃）， 防夾力測試位置選擇車窗中間、 車窗左側(cè) （距離車窗中間左偏20cm） 和車窗右側(cè) （距離車窗中間右偏20cm）。

防夾測試過程是將恒溫箱溫度設(shè)置為測試溫度值， 待恒溫箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度后， 將可編程電源電壓調(diào)整至測試電壓值， 將防夾測試設(shè)備固定至待測試車窗位置， 操作窗控開關(guān)讓車窗上升， 車窗發(fā)生防夾反轉(zhuǎn)后讀取和記錄防夾力測試設(shè)備的防夾力峰值， 并且保存對應(yīng)的紋波脈寬、電壓、 電流等數(shù)據(jù)， 每個(gè)溫度點(diǎn)、 電壓點(diǎn)和位置點(diǎn)重復(fù)做10組試驗(yàn)。

防夾測試試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。 對各工況下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 車窗防夾觸發(fā)時(shí)轉(zhuǎn)速差均達(dá)到閾值10， 沒有出現(xiàn)誤防夾， 防夾力均小于100N， 圖8為環(huán)境溫度為-35℃、電機(jī)電壓為9V的車窗中間位置防夾力工況的轉(zhuǎn)速差曲線圖。 試驗(yàn)結(jié)果表明： 在電機(jī)電壓處于9～16V區(qū)間， 環(huán)境溫度從-35℃到85℃， 測得車窗防夾力為50～80N之間， 誤防夾率為0%， 滿足法規(guī)防夾力小于100N的要求， 因此基于速度差分的車窗紋波防夾算法可以很好自適應(yīng)不同電壓、 溫度工況下的車窗防夾判定。

表2 溫度為-35℃下防夾力測試數(shù)據(jù)

表4 溫度為85℃下防夾力測試數(shù)據(jù)

圖8 低溫9V車窗中部位置防夾轉(zhuǎn)速差曲線圖

表3 溫度為23℃下防夾力測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文根據(jù)車窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及紋波防夾工作原理搭建了車窗防夾算法模型， 提出一種基于速度差分的車窗紋波防夾判定方法， 通過設(shè)計(jì)防夾算法軟件、 標(biāo)定車窗防夾電壓影響因子和扭矩影響因子參數(shù)來搭建實(shí)驗(yàn)室臺防夾架測試工裝， 實(shí)施了不同電壓、 不同溫度、 不同防夾測試位置的正交試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果表明該算法在各種環(huán)境溫度和供電電壓下有很好自適應(yīng)性和魯棒性。