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(華大半導(dǎo)體有限公司，上海 201210)

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，汽車逐步向舒適化和智能化方向發(fā)展，電動(dòng)尾門已經(jīng)成為各個(gè)主機(jī)廠在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售過(guò)程中廣泛應(yīng)用和推崇的技術(shù)。目前汽車應(yīng)用的尾門電動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為三種類型：第一種型式為電動(dòng)撐桿式，第二種型式為擺臂連桿式，第三種型式為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)鉸鏈?zhǔn)?。電?dòng)撐桿式電動(dòng)尾門結(jié)構(gòu)是目前汽車市場(chǎng)應(yīng)用的主流型式，也是自主品牌采用最多的電動(dòng)尾門型式，其核心模塊為控制器、電動(dòng)撐桿與吸合鎖[1]。

基于撐桿電機(jī)的電動(dòng)尾門ECU系統(tǒng)也分為單撐桿和雙撐桿兩種系統(tǒng)，雙撐桿系統(tǒng)采用兩根帶有電機(jī)和絲桿的電動(dòng)撐桿實(shí)現(xiàn)尾門的開(kāi)啟和關(guān)閉，單撐桿系統(tǒng)只使用一根電動(dòng)撐桿。雙撐桿系統(tǒng)因?yàn)槭亲?、右撐桿協(xié)調(diào)一致、受力均勻、支持力大、不易變形，因此多用于SUV、掀背式等尾門較重而且開(kāi)啟高度較高的車型。

電控?fù)螚U的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了尾門的自動(dòng)開(kāi)閉，提高了舒適性，但同時(shí)也帶來(lái)了電動(dòng)撐桿的速度控制、雙撐桿的速度同步、自動(dòng)開(kāi)閉過(guò)程中遇到障礙物或者人員等可靠性、穩(wěn)定性和安全性的問(wèn)題。

文中提出的汽車電動(dòng)尾門ECU系統(tǒng)利用采集到的霍爾傳感器的反饋信號(hào)和撐桿電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，采用PID控制器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)尾門開(kāi)啟和關(guān)閉的速度自適應(yīng)。在外界環(huán)境變化、尾門質(zhì)量變化、施加外力不同等各種情況下，保持雙撐桿運(yùn)動(dòng)同步，尾門開(kāi)啟和時(shí)間不變，并且在整個(gè)開(kāi)閉雙向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)防夾保護(hù)。

1 電動(dòng)尾門ECU系統(tǒng)介紹

電動(dòng)尾門ECU系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括電源、開(kāi)關(guān)、MCU、左撐桿電機(jī)、右撐桿電機(jī)、吸合執(zhí)行器和尾門鎖。

圖1 汽車尾門ECU系統(tǒng)架構(gòu)

電源用來(lái)給尾門ECU供電，不同的車型有不同的電源策略。開(kāi)關(guān)用來(lái)啟動(dòng)和停止尾門的打開(kāi)和關(guān)閉，根據(jù)車型的不同，開(kāi)關(guān)的種類也不相同，包括尾門上的實(shí)體按鍵開(kāi)關(guān)、來(lái)自中控屏的觸摸開(kāi)關(guān)、來(lái)自尾門下方的腳踢開(kāi)關(guān)等，不同的開(kāi)關(guān)與MCU的連接方式也不相同。MCU是尾門系統(tǒng)的主控制器芯片，所有的控制邏輯和算法都在主控芯片中實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行。左右撐桿電機(jī)是主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)尾門門板的運(yùn)動(dòng)。吸合執(zhí)行器主要用來(lái)在尾門半鎖狀態(tài)，吸合尾門，并進(jìn)入全鎖狀態(tài)。尾門鎖用來(lái)鎖閉尾門，尾門鎖電機(jī)包括雙向電機(jī)、初始位置開(kāi)關(guān)、半鎖位置開(kāi)關(guān)及全鎖位置開(kāi)關(guān)[2]，尾門ECU系統(tǒng)需要根據(jù)尾門鎖位置開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)行不同吸合、鎖閉和解鎖策略。

尾門ECU系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

圖2 汽車電動(dòng)尾門系統(tǒng)控制邏輯

系統(tǒng)分別采集左撐桿和右撐桿電機(jī)的霍爾和電樞電流信號(hào)，作為電控算法和防夾算法的輸入?yún)?shù)。電控算法的輸出用來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止和運(yùn)動(dòng)速度。防夾算法的輸出用來(lái)在尾門門板遇到障礙物時(shí)，并且阻力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)ECU系統(tǒng)防夾策略。

2 自適應(yīng)速度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 速度環(huán)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)速度環(huán)采用增量式PID控制器，實(shí)現(xiàn)在外界不同環(huán)境下的速度自適應(yīng)。PID控制回路速度環(huán)如圖3所示。

圖3 速度環(huán)

誤差量代表期望值與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器計(jì)算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量[3]。

增量式PID算法的輸入為電機(jī)速度，電機(jī)速度由撐桿電機(jī)的霍爾編碼器(AB相脈沖)反饋得到。根據(jù)實(shí)車測(cè)試，電動(dòng)尾門整個(gè)行程的霍爾編碼AB相計(jì)數(shù)值約為1 750，整個(gè)行程去掉開(kāi)門解鎖的時(shí)間大約需要4 s。設(shè)定PID的采樣控制周期DOOR_SAMPLE_TIME為50 ms，電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程為啟動(dòng)后電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，那么目標(biāo)速度即每個(gè)周期的位置增量DOOR_POS_D_TS大約為22?？紤]到電動(dòng)尾門左右撐桿完全相同且機(jī)械上高度對(duì)稱，為保證撐桿的同步控制，使用左右撐桿的平均速度作為PID的輸入，PID的輸出同時(shí)輸出給左右撐桿。

第k個(gè)周期的位置式PID離散表達(dá)式為

U(k)=Kperr(k)+Ki∑err(k)+Kd[err(k)-err(k-1)]

(1)

第k-1個(gè)周期的位置式PID離散表達(dá)式為

U(k-1)=Kperr(k-1)+Ki∑err(k-1)+Kd[err(k-1)-err(k-2)]

(2)

第k個(gè)周期與第k-1個(gè)周期的表達(dá)式相減，得到增量式PID離散表達(dá)式：

ΔU(k)=Kp[err(k)-err(k-1)]+Kierr(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)]

(3)

增量式PID控制器的結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedef struct

{

int32_t Kp; // 比例系數(shù)

int32_t Ki; // 積分系數(shù)

int32_t Kd; // 微分系數(shù)

int32_t Err_0; // 當(dāng)前偏差

int32_t Err_1; // 上一次偏差

int32_t Err_2; // 上上次偏差

}PID_StructTypedef;

定義一個(gè)PID控制器結(jié)構(gòu)體變量PID_StructTypedef PID，比例環(huán)節(jié)為V_P，積分環(huán)節(jié)為V_I，微分環(huán)節(jié)為V_D，PID結(jié)果為V_Delta，那么增量式PID的離散公式的實(shí)現(xiàn)為

V_P = PID.Kp*(PID.Err_0-PID.Err_1)

V_I = PID.Ki*PID.Err_0

V_D=PID.Kd*(PID.Err_0-2*PID.Err_1+ PID.Err_2)

V_Delta = V_P + V_I + V_D

以上為增量式PID算法的基本實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的上一次輸出值加上增量式PID的計(jì)算結(jié)果即為當(dāng)前周期的輸出值。

針對(duì)不同車系、不同撐桿型號(hào)造成的差異，調(diào)整PID參數(shù)和目標(biāo)速度即可。

2.2 速度控制流程

控制流程如圖4所示。

圖4 速度控制流程

因撐桿電機(jī)存在安裝的機(jī)械間隙，在開(kāi)門的前200 ms作開(kāi)環(huán)的啟動(dòng)以保證開(kāi)門啟動(dòng)響應(yīng)速度，在200～600 ms減小輸出開(kāi)環(huán)控制以保證開(kāi)門動(dòng)作平穩(wěn)，600 ms后啟動(dòng)閉環(huán)控制。雙電機(jī)分別輸出控制，考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)以及霍爾計(jì)數(shù)的偏差，左右撐桿到位分別停止。

3 防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 防夾算法設(shè)計(jì)

電動(dòng)尾門的撐桿電機(jī)為永磁直流電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，轉(zhuǎn)矩公式為

Tem=CTΦIa

式中：CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

對(duì)于永磁直流電機(jī)，磁通Φ為定值。所以轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比。

轉(zhuǎn)矩平衡方程為

Tem=T2+T0

式中：T2為輸出轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩。

所以輸出轉(zhuǎn)矩與電樞電流的公式為

T2=Tem-T0=CTφIa-T0

電壓平衡方程：

U=Ea+IaRa

電樞反電動(dòng)勢(shì)：

Ea=Ceφn

所以電樞電流為

Ia=(U-Ceφn)/Ra

當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)外界負(fù)載阻力增加時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程

所以電樞電流的變化直接體現(xiàn)了負(fù)載合力的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速n減小即便端電壓U不變，電流Ia會(huì)增加；在閉環(huán)調(diào)速過(guò)程中，外力作用導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速n減小將導(dǎo)致PID輸出增加，從而使端電壓U增加，電流Ia會(huì)進(jìn)一步增加。因此在防夾算法中，主要以電樞電流作為計(jì)算輸入。

由于電動(dòng)尾門系統(tǒng)要求緩慢增加的負(fù)載阻力下電動(dòng)尾門能正常電動(dòng)開(kāi)閉，不觸發(fā)防夾功能，所以不直接使用電流的絕對(duì)值作防夾力的判據(jù)。當(dāng)電動(dòng)開(kāi)關(guān)門過(guò)程中夾到或者撞到物體電機(jī)的力矩會(huì)快速增加，也就是電流的微分值較大；當(dāng)電動(dòng)開(kāi)關(guān)門過(guò)程中因正常阻力變化造成電機(jī)的力矩變化較緩，電流的微分值比較小。所以使用電流的微分(即相鄰周期的電流之差)作為防夾力判據(jù)。采集電流值A(chǔ)DC的值，并計(jì)算當(dāng)前周期電流微分ADI_Sum_D0，前一個(gè)周期電流微分ADI_Sum_D1，前第二個(gè)周期電流微分ADI_Sum_D2。為減小誤防夾概率，觸發(fā)條件為連續(xù)3個(gè)電流微分都大于0(即電流連續(xù)3個(gè)周期增加，電機(jī)的力矩連續(xù)3個(gè)周期增加)的情況下，ADI_Sum_D0與ADI_Sum_D1之和大于對(duì)應(yīng)的閾值。由于電動(dòng)開(kāi)門和電動(dòng)關(guān)門的機(jī)械特性造成的偏差，開(kāi)關(guān)門使用的防夾力判斷閾值不同。

此外，針對(duì)一些特殊情況(如夾到體積較大的很軟的物體)，電流增加緩慢但會(huì)持續(xù)增加到很大，判斷電流的絕對(duì)值超過(guò)對(duì)應(yīng)的閾值，則觸發(fā)防夾或者防撞。電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中增加對(duì)霍爾AB相脈寬的判斷，當(dāng)脈寬值超過(guò)正常閾值則觸發(fā)防夾或者防撞。

針對(duì)不同車系、不同撐桿型號(hào)造成的差異，調(diào)整電流微分的閾值和電流的絕對(duì)值閾值即可調(diào)整防夾力大小。

3.2 防夾流程

防夾流程分為兩部分，一是檢測(cè)過(guò)載或者堵轉(zhuǎn)等極端異常情況。在1 ms的處理周期可以使軟件處理過(guò)載或者堵轉(zhuǎn)等極端異常情況的響應(yīng)實(shí)時(shí)性更高。二是防夾力的計(jì)算。防夾流程如圖6所示。

圖6 防夾流程

防夾算法主程序是每個(gè)防夾采樣周期調(diào)用一次。過(guò)短的采樣周期會(huì)導(dǎo)致電流微分值過(guò)小影響計(jì)算精度，容易造成誤判或者漏判；過(guò)長(zhǎng)的采樣周期會(huì)導(dǎo)致防夾處理的實(shí)時(shí)性不夠高影響安全。防夾算法主程序先判斷兩個(gè)霍爾位置偏差是否過(guò)大，如果偏差過(guò)大說(shuō)明機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受到了不平衡的阻力且影響到了同步性，有安全隱患，防夾標(biāo)志置位。如果位置偏差在正常范圍內(nèi)，判斷電流防夾標(biāo)志是否置位，如果已經(jīng)置位則直接退出，如果沒(méi)有置位則進(jìn)行下一步計(jì)算。當(dāng)電流微分連續(xù)3個(gè)周期都大于0說(shuō)明電流在持續(xù)增長(zhǎng)，需要進(jìn)一步判斷是否異常。由于在正常動(dòng)作過(guò)程中，電流曲線也會(huì)有持續(xù)增長(zhǎng)的區(qū)間，為了區(qū)別正常的增長(zhǎng)與異常的增長(zhǎng)，算法根據(jù)開(kāi)、關(guān)門動(dòng)作分別把電流微分值與開(kāi)、關(guān)門動(dòng)作對(duì)應(yīng)的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，超出設(shè)定參數(shù)則認(rèn)為是異常并把電流防夾標(biāo)志位置，否則直接退出。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證速度自適應(yīng)系統(tǒng)，在不同尾門負(fù)載和供電電壓下，記錄了開(kāi)關(guān)門過(guò)程的速度曲線。

如圖7所示，9 V供電電壓下有負(fù)載和無(wú)負(fù)載情況下的開(kāi)關(guān)門速度曲線。如圖8所示，12 V供電電壓下有負(fù)載和無(wú)負(fù)載情況下的開(kāi)關(guān)門速度曲線。

圖7 供電電壓下9 V速度曲線

圖8 供電電壓12 V下速度曲線

圖9是尾門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到障礙物觸發(fā)防夾策略時(shí)的速度曲線，圖10是電流和防夾力曲線。

圖9 防夾速度曲線

圖10 防夾觸發(fā)時(shí)防夾力和電流曲線

如圖9和圖10所示，尾門啟動(dòng)后，速度曲線穩(wěn)定上升至勻速，電流總體上緩慢增加。40 s處人為施加阻力模擬門打開(kāi)過(guò)程撞到物體，可見(jiàn)電流曲線快速上升，阻力也快速上升，防夾算法計(jì)算結(jié)果滿足觸發(fā)條件，主控程序啟動(dòng)防夾策略立即停止電機(jī)，開(kāi)門速度曲線可見(jiàn)速度立即降至0。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于速度自適應(yīng)的汽車電動(dòng)尾門撐桿電機(jī)控制技術(shù)，根據(jù)霍爾傳感器的反饋信號(hào)和電機(jī)電樞電流的變化作為輸入，通過(guò)PID控制器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)控制信號(hào)的輸出，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)障礙物的夾持力的變化。

試驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)尾門電機(jī)控制算法會(huì)根據(jù)反饋速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出，以控制開(kāi)關(guān)門速度維持在目標(biāo)速度，在不同負(fù)載不同電壓的影響下，開(kāi)關(guān)門速度和時(shí)間一致，而且在保持速度自適應(yīng)的同時(shí)，防夾算法運(yùn)行正常，解決了汽車尾門在不同的環(huán)境下開(kāi)閉時(shí)間不同和夾傷人員的問(wèn)題，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。