劉文燦，周縣鋒，張尊華，李格升

（1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.微進(jìn)電子科技（上海）有限公司，上海 201600）

0 引言

隨著汽車智能化的發(fā)展，電動(dòng)尾門的應(yīng)用逐漸興起。與傳統(tǒng)汽車尾門相比，電動(dòng)尾門具有智能防夾、高度設(shè)定、中途懸停、智能開閉等多種功能。其中，智能防夾功能是電動(dòng)尾門安全保障的前提，研究電動(dòng)尾門防夾控制系統(tǒng)對(duì)汽車智能開閉系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的工程意義。

電動(dòng)尾門防夾控制系統(tǒng)的性能取決于防夾算法的可靠性與穩(wěn)定性，其重點(diǎn)在于障礙物識(shí)別及防夾力判斷。國(guó)內(nèi)外已有防夾技術(shù)相關(guān)研究，主要通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電流、速度等變化進(jìn)行識(shí)別與判斷[1]。其中轉(zhuǎn)矩信號(hào)可以通過角速度計(jì)算[2－3]，電流信號(hào)通過電流取樣電路采集，速度信號(hào)通過霍爾傳感器采集[4－5]。Ra 等[2]通過電機(jī)角速度計(jì)算電機(jī)扭矩，以電機(jī)扭矩率作為防夾檢測(cè)依據(jù)，并用卡爾曼濾波降低信號(hào)波動(dòng)；Qiu 等[6]將電流幅值法與積分法結(jié)合作為車窗防夾檢測(cè)依據(jù)，能夠有效減少防夾誤報(bào)次數(shù)；劉建國(guó)等[7]以霍爾脈寬為車窗防夾檢測(cè)依據(jù)，并基于高斯濾波和積分法對(duì)霍爾脈寬曲線進(jìn)行處理，與卡爾曼濾波相比減少了運(yùn)算量，魯棒性更好；和虎等[8]以電流和霍爾脈沖個(gè)數(shù)作為防夾檢測(cè)依據(jù)，通過提取車窗上升時(shí)電流與霍爾脈沖的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車窗控制器自動(dòng)匹配。目前防夾技術(shù)研究多基于汽車天窗、車窗系統(tǒng)。電動(dòng)尾門系統(tǒng)運(yùn)行過程重心時(shí)刻變化，且存在變速過程，只采用速度作為防夾檢測(cè)依據(jù)時(shí)，會(huì)影響防夾力判斷，且防夾響應(yīng)過慢；只采用電流作為防夾檢測(cè)依據(jù)容易受到外部干擾，重心變化也會(huì)帶來電流波動(dòng)，雖然采用卡爾曼濾波等算法可降低干擾，但增加了運(yùn)算量，不適用于尾門這類低成本控制單元。

基于上述問題，本文通過分析防夾控制基本原理提出一種新型防夾控制算法，通過仿真與實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證該算法的有效性。首先在Simulink 環(huán)境下建立防夾控制模型，驗(yàn)證不同工況下該算法的有效性；然后設(shè)計(jì)電動(dòng)尾門控制器，通過電動(dòng)尾門臺(tái)架驗(yàn)證該算法的有效性。

1 尾門防夾控制基本原理

1.1 尾門防夾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 所示為汽車電動(dòng)尾門防夾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。執(zhí)行尾門開閉的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為有刷直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和霍爾傳感器可以分別采集電機(jī)電流和速度信號(hào)，將此信號(hào)作為反饋信號(hào)輸入控制單元，在調(diào)速模塊和防夾模塊中對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制和防夾控制。

圖1 電動(dòng)尾門防夾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)尾門遇到障礙物時(shí)，會(huì)通過傳動(dòng)設(shè)備增加電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化會(huì)帶來電機(jī)電流與速度的變化。通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型可以得到電機(jī)電流和速度隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系設(shè)計(jì)防夾算法，建立電動(dòng)尾門防夾控制系統(tǒng)。

1.2 尾門防夾控制數(shù)學(xué)模型

根據(jù)直流電機(jī)的電壓平衡方程與轉(zhuǎn)矩平衡方程，通過拉氏變換可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩與角速度以及電流的關(guān)系，即：

式中：U 為電樞電壓，V；i 為電樞電流，A；R 為電樞電阻，Ω；L為電樞電感，H；Ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，V·s/rad；Kt為扭矩系數(shù)，N·m/A；B 為黏性摩擦因數(shù)，N·m·s/rad；TL為總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N·m·s2/rad；ω為轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

其中電樞電壓U、電機(jī)電阻R、電機(jī)電感L、反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke、扭矩系數(shù)Kt、黏性摩擦因數(shù)B、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J在電機(jī)確定情況下恒定。當(dāng)尾門遇到障礙物時(shí)，電機(jī)負(fù)載力矩TL會(huì)增大，由式（1）～（2）可知電機(jī)電流i會(huì)增大，電機(jī)角速度ω會(huì)減小。因此，可以通過采集電機(jī)電流信息或電機(jī)速度信息來判斷尾門是否遇到障礙物，并通過電流或速度變化量判斷防夾力大小。

2 防夾控制策略

為了提高防夾算法的可靠性，采用電流和速度結(jié)合的方法進(jìn)行防夾檢測(cè)。以電流變化量的積分值作為防夾力判斷的依據(jù)，通過速度信號(hào)輔助判斷是否發(fā)生夾持，避免防夾誤判。將防夾檢測(cè)分為防夾預(yù)判、異常信號(hào)識(shí)別、防夾力檢測(cè)3個(gè)主要過程，避免正常工況進(jìn)入無關(guān)過程，以提高算法的整體運(yùn)算效率。

對(duì)于電流信號(hào)采用滑動(dòng)平均法濾波，公式如下：

式中：Im為電流濾波值；ia為電流實(shí)際值。

濾波系數(shù)決定了濾波的平滑度和精度，系數(shù)越大，平滑度越好，精度越低；系數(shù)越小，平滑度越差，精度越高。該算法對(duì)濾波平滑度要求不高，為了保證數(shù)據(jù)的精度濾波系數(shù)設(shè)為9。Im首尾4 個(gè)數(shù)據(jù)用相應(yīng)的ia代替，速度信號(hào)濾波方法與電流相同。

電流積分方法如下：

式中：Iref為電流積分參考值；Is為電流從t1到t2經(jīng)過積分時(shí)間Δt時(shí)的電流積分值，當(dāng)Is大于設(shè)定的積分閾值Ith時(shí)，即可判斷遇到障礙物。

防夾控制算法流程如圖2 所示。防夾預(yù)判過程主要進(jìn)行防夾初步判斷。當(dāng)尾門遇到障礙物時(shí)，電機(jī)電流增大，速度減小，變化趨勢(shì)如圖3所示。選取一個(gè)固定時(shí)長(zhǎng)Δtm的移動(dòng)窗口，當(dāng)電流變化率di/dt>0，且速度變化率dn/dt ＜0 時(shí)，即防夾預(yù)判成立。此時(shí)令防夾標(biāo)志置1，取上一次電流值和速度值分別作為電流參考值Iref和速度參考值Nref。防夾預(yù)判過程可以實(shí)現(xiàn)電流與速度參考值的自適應(yīng)變化，提高了算法的可靠性與穩(wěn)定性，并可減少防夾算法的整體運(yùn)算量，提高運(yùn)算效率。

圖2 電動(dòng)尾門防夾控制算法流程

圖3 遇到障礙物時(shí)電機(jī)電流與速度變化趨勢(shì)

異常信號(hào)識(shí)別過程主要依據(jù)遇到障礙物時(shí)電機(jī)電流和速度變化趨勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，如圖3所示。當(dāng)防夾力檢測(cè)不成立，且電流變化率di/dt<0，絕對(duì)值大于一定閾值Δith時(shí)，可判斷防夾預(yù)判成立是由異常信號(hào)產(chǎn)生，而非真正碰到障礙物。速度信號(hào)判斷同理，滿足其中一個(gè)條件即識(shí)別成立，將防夾標(biāo)志置0，退出防夾力檢測(cè)并清除相關(guān)計(jì)算值。異常信號(hào)識(shí)別過程可有效減少防夾誤判的產(chǎn)生，也減少了積分過程，提高了算法的運(yùn)算效率與魯棒性。

防夾力檢測(cè)過程主要進(jìn)行防夾力判斷。防夾力大小取決于電流積分閾值，當(dāng)積分值Is大于設(shè)定的積分閾值Ith，且電流與速度變化量大于一定值時(shí)，即可判斷防夾力檢測(cè)成立，觸發(fā)防夾功能。防夾力檢測(cè)過程中減少了電流積分過程，可提高算法整體運(yùn)算效率，并且加入電流和速度變化量作為輔助限制條件，進(jìn)一步提高算法的可靠性。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和防夾控制策略，在Simulink 環(huán)境建立防夾控制模型，模擬電動(dòng)尾門正常運(yùn)行過程以及遇到障礙物的防夾過程，以驗(yàn)證該算法在不同工況下的有效性。

3.1 普通工況

汽車蓄電池正常工作電壓一般在13 V 左右，將電源電壓設(shè)為13 V，初始負(fù)載為0.07 N·m，在3 s遇到障礙物時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?.2 N·m。圖4所示為普通工況下防夾仿真結(jié)果。圖中點(diǎn)A 為積分起始點(diǎn)，點(diǎn)B 為積分達(dá)到設(shè)定閾值點(diǎn)。只有在滿足防夾預(yù)判條件時(shí)，才會(huì)進(jìn)行電流積分，當(dāng)電流積分值達(dá)到閾值且滿足輔助限制條件時(shí)，防夾力檢測(cè)成立，電機(jī)執(zhí)行防夾功能，停止并反轉(zhuǎn)一段距離。從該仿真結(jié)果可知，防夾模型能準(zhǔn)確識(shí)別障礙物并執(zhí)行防夾操作，可見該防夾算法有效可靠。

圖4 普通工況防夾仿真結(jié)果

3.2 外部干擾工況

在實(shí)際尾門運(yùn)行過程中，電流會(huì)受外部干擾產(chǎn)生異常波動(dòng)異常，此時(shí)尾門并未遇到障礙物。通過Simulink 中高斯白噪聲模塊增加電流的波動(dòng)幅度，并在1 s 和2 s 時(shí)增加兩個(gè)單脈沖干擾信號(hào)，驗(yàn)證該算法的抗干擾性能。電源電壓為13 V，初始負(fù)載為0.07 N·m，在3 s時(shí)突變?yōu)?.2 N·m。圖5所示為外部干擾工況防夾仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可知，雖然干擾帶來的電流積分值會(huì)大于積分閾值，但該算法會(huì)識(shí)別異常工況，停止電流積分且清除積分值，不執(zhí)行防夾操作，只有真正遇到障礙物時(shí)才會(huì)執(zhí)行?？梢娫撍惴ň哂幸欢ǖ目垢蓴_能力，能夠減少防夾誤判的發(fā)生，并且電流積分只會(huì)在防夾預(yù)判成立時(shí)才會(huì)進(jìn)行，減少了積分運(yùn)算過程，提高算法的運(yùn)算效率。

圖5 外部干擾工況防夾仿真結(jié)果

3.3 不同電壓工況

汽車蓄電池電壓會(huì)隨著車內(nèi)電器負(fù)載功率和蓄電池電量等因素變化，電動(dòng)尾門控制器工作電壓范圍一般為9～16 V，其中最低工作電壓根據(jù)需求一般為9～10.5 V。通過改變模型輸入電壓大小模擬電壓波動(dòng)工況，以驗(yàn)證不同電壓工況下該防夾算法的性能。圖6所示為不同電壓工況防夾仿真結(jié)果，電源電壓分別為10 V、13 V 和16 V，初始負(fù)載為0.07 N·m，在3 s 時(shí)突變?yōu)?.2 N·m。從仿真結(jié)果可知，該算法在不同電壓下都能保證防夾功能，且電壓越大，防夾判斷的響應(yīng)時(shí)間越短，可見該算法在不同電壓下均有效可靠。

圖6 不同電壓工況防夾仿真結(jié)果

3.4 不同負(fù)載工況

汽車在上下坡時(shí)尾門重心位置會(huì)不同，電機(jī)的負(fù)載力也會(huì)隨著改變。通過改變初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小模擬上下坡工況，驗(yàn)證把不同初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩下該防夾算法的性能。圖7所示為不同負(fù)載工況防夾仿真結(jié)果，初始負(fù)載分別為0.05 N·m、0.07 N·m、0.09 N·m，在3 s時(shí)突變?yōu)?.2 N·m。從仿真結(jié)果可知，該算法在不同初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩下都能保證防夾功能，且初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小，防夾判斷響應(yīng)時(shí)間越短，可見該算法在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下均有效可靠。

圖7 不同負(fù)載工況防夾仿真結(jié)果

4 臺(tái)架試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該算法的性能，搭建了電動(dòng)尾門防夾測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)。通過電動(dòng)尾門臺(tái)架驗(yàn)證不同工況下算法的有效性。

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖8 所示為電動(dòng)尾門控制系統(tǒng)原理圖，單片機(jī)采用日本瑞薩16位RL78芯片；電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用H橋控制電路，具備電流采樣功能。電機(jī)為永磁有刷直流電機(jī)，配有霍爾芯片，可采集霍爾信號(hào)。電源電壓范圍0～25 V；按鍵可控制尾門開閉；防夾條裝在兩側(cè)起安全保護(hù)作用，不參與功能測(cè)試；上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)通訊以及參數(shù)調(diào)試。

圖8 電動(dòng)尾門控制系統(tǒng)原理

軟件部分主要包括主程序、底層配置、尾門控制模塊、防夾模塊、調(diào)速模塊、CAN 通訊模塊等。其中防夾模塊和調(diào)速模塊程序通過Simulink軟甲自動(dòng)生成C代碼，其余部分代碼通過編程軟件直接編寫。

電動(dòng)尾門臺(tái)架如圖9 所示，臺(tái)架左撐桿為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，右撐桿為氣彈簧，并可以調(diào)整坡度。根據(jù)美國(guó)FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)，選用PMAC3000測(cè)力設(shè)備，彈簧彈性彈力系數(shù)為10 N/mm，防夾力需小于100 N。

圖9 電動(dòng)尾門臺(tái)架示意圖與防夾力測(cè)試設(shè)備

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)主要驗(yàn)證尾門關(guān)閉過程的防夾功能，正常關(guān)門時(shí)電機(jī)速度、電流變化曲線如圖10所示，電機(jī)目標(biāo)速度根據(jù)尾門位置設(shè)為加速、勻速、減速3個(gè)過程。防夾力測(cè)試高度選擇尾門開度30 度的位置，測(cè)試點(diǎn)選取尾門左、中、右3 個(gè)位置，分別記為A、B、C，如圖9所示。通過測(cè)力設(shè)備標(biāo)定防夾閾值后，將電流積分閾值設(shè)為100，此時(shí)關(guān)門防夾力約為80 N 左右，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同電壓與上下坡工況下防夾力測(cè)試。

圖10 正常關(guān)門電機(jī)速度、電流曲線

4.2.1 不同電壓下防夾試驗(yàn)結(jié)果

圖11 所示為在電壓分別為10 V、13 V、16 V，平坡工況下關(guān)門防夾測(cè)試結(jié)果，表1所示為尾門A、B、C這3個(gè)測(cè)試點(diǎn)防夾力測(cè)試結(jié)果，每個(gè)點(diǎn)取10次防夾力平均值。從圖中可以看到，在3種電壓下，當(dāng)尾門遇到障礙物時(shí)，電流會(huì)增加，當(dāng)電流積分達(dá)到閾值時(shí)，電流先下降到零，然后上升，控制電機(jī)停止并反轉(zhuǎn)執(zhí)行開門操作。在速度曲線圖中，由于采樣周期、測(cè)力設(shè)備、撐桿彈簧以及臺(tái)架穩(wěn)定性等影響，防夾觸發(fā)時(shí)速度曲線未降到零且存在波動(dòng)，實(shí)際觀察中尾門能夠成功執(zhí)行停止并反轉(zhuǎn)功能。從表1 可以看出，電壓越大，防夾力越大，但電壓變化對(duì)防夾力的影響范圍不大，并且都小于100 N，可見該算法在不同電壓下均有效可靠。

表1 不同電壓下關(guān)門防夾力測(cè)試

圖11 不同電壓下關(guān)門防夾測(cè)試結(jié)果

4.2.2 不同坡度下防夾試驗(yàn)結(jié)果

圖12所示為在電壓為13 V，不同坡度下關(guān)門防夾測(cè)試結(jié)果，表2所示為該工況下防夾力測(cè)試結(jié)果。從圖中可知不同坡度下均能實(shí)現(xiàn)防夾功能。由表可以看出上坡時(shí)尾門防夾力變小，下坡時(shí)尾門防夾力變大，但均防夾力均小于100 N。整體上，下坡時(shí)防夾力過大，可以調(diào)整積分閾值繼續(xù)減小防夾力，可見該算法在上下坡（不同負(fù)載）時(shí)均有效可靠。

表2 不同坡度下關(guān)門防夾力測(cè)試

圖12 不同坡度下關(guān)門防夾測(cè)試結(jié)果

4.2.3 100次重復(fù)防夾試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證防夾算法的穩(wěn)定性與可靠性，在電壓13 V、平坡工況下進(jìn)行100 次重復(fù)防夾測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖13 所示。防夾力在75～86 N 范圍波動(dòng)，且防夾力處于安全范圍內(nèi)，期間未出現(xiàn)誤防夾，可見該防夾算法具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

圖13 電動(dòng)尾門臺(tái)架100次防夾力測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明該防夾算法能用于不同電壓、不同負(fù)載工況，且能有效避免異常工況下產(chǎn)生的防夾誤判；電動(dòng)尾門臺(tái)架測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法在不同電壓與坡度下均能實(shí)現(xiàn)防夾功能，防夾力均滿足標(biāo)準(zhǔn)需求；在電動(dòng)尾門臺(tái)架上進(jìn)行100次重復(fù)防夾測(cè)試，沒有出現(xiàn)防夾誤判且防夾力均小于100 N；該算法能夠在不同工況下保證其防夾功能，減少防夾誤判的產(chǎn)生，具有較好的可靠性與穩(wěn)定性。