基于速度自適應(yīng)的汽車電動尾門ECU系統(tǒng)設(shè)計

龐博

(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，電動尾門已經(jīng)成為各個主機廠在汽車產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和銷售過程中廣泛應(yīng)用和推崇的技術(shù)。目前汽車應(yīng)用的尾門電動機構(gòu)主要分為三種類型：第一種型式為電動撐桿式，第二種型式為擺臂連桿式，第三種型式為電動驅(qū)動鉸鏈?zhǔn)健ｋ妱訐螚U式電動尾門結(jié)構(gòu)是目前汽車市場應(yīng)用的主流型式，也是自主品牌采用最多的電動尾門型式，其核心模塊為控制器、電動撐桿與吸合鎖[1]。

基于撐桿電機的電動尾門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)采用兩根帶有電機和絲桿的電動撐桿實現(xiàn)尾門的開啟和關(guān)閉，單撐桿系統(tǒng)只使用一根電動撐桿。雙撐桿系統(tǒng)因為是左、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啟高度較高的車型。

電控撐桿的應(yīng)用實現(xiàn)了尾門的自動開閉，提高了舒適性，但同時也帶來了電動撐桿的速度控制、雙撐桿的速度同步、自動開閉過程中遇到障礙物或者人員等可靠性、穩(wěn)定性和安全性的問題。

文中提出的汽車電動尾門ECU系統(tǒng)利用采集到的霍爾傳感器的反饋信號和撐桿電機的驅(qū)動電流，采用PID控制器實現(xiàn)了電動尾門開啟和關(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，保持雙撐桿運動同步，尾門開啟和時間不變，并且在整個開閉雙向運動過程中實現(xiàn)防夾保護。

1 電動尾門ECU系統(tǒng)介紹

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

圖1 汽車尾門ECU系統(tǒng)架構(gòu)

電源用來給尾門ECU供電，不同的車型有不同的電源策略。開關(guān)用來啟動和停止尾門的打開和關(guān)閉，根據(jù)車型的不同，開關(guān)的種類也不相同，包括尾門上的實體按鍵開關(guān)、來自中控屏的觸摸開關(guān)、來自尾門下方的腳踢開關(guān)等，不同的開關(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現(xiàn)和運行。左右撐桿電機是主要執(zhí)行機構(gòu)，用來驅(qū)動尾門門板的運動。吸合執(zhí)行器主要用來在尾門半鎖狀態(tài)，吸合尾門，并進入全鎖狀態(tài)。尾門鎖用來鎖閉尾門，尾門鎖電機包括雙向電機、初始位置開關(guān)、半鎖位置開關(guān)及全鎖位置開關(guān)[2]，尾門ECU系統(tǒng)需要根據(jù)尾門鎖位置開關(guān)的狀態(tài)，進行不同吸合、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的霍爾和電樞電流信號，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控制電機的啟動、停止和運動速度。防夾算法的輸出用來在尾門門板遇到障礙物時，并且阻力達到預(yù)先設(shè)定的閾值時，觸發(fā)ECU系統(tǒng)防夾策略。

2 自適應(yīng)速度系統(tǒng)設(shè)計

2.1 速度環(huán)設(shè)計

自適應(yīng)速度環(huán)采用增量式PID控制器，實現(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際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器計算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進行線性組合，得到輸出量[3]。

增量式PID算法的輸入為電機速度，電機速度由撐桿電機的霍爾編碼器(AB相脈沖)反饋得到。根據(jù)實車測試，電動尾門整個行程的霍爾編碼AB相計數(shù)值約為1 750，整個行程去掉開門解鎖的時間大約需要4 s。設(shè)定PID的采樣控制周期DOOR_SAMPLE_TIME為50 ms，電動運行過程為啟動后電機勻速轉(zhuǎn)動，那么目標(biāo)速度即每個周期的位置增量DOOR_POS_D_TS大約為22。考慮到電動尾門左右撐桿完全相同且機械上高度對稱，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的輸出同時輸出給左右撐桿。

第k個周期的位置式PID離散表達式為

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

(1)

第k-1個周期的位置式PID離散表達式為

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

(2)

第k個周期與第k-1個周期的表達式相減，得到增量式PID離散表達式：

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算法的基本實現(xiàn)，電機的上一次輸出值加上增量式PID的計算結(jié)果即為當(dāng)前周期的輸出值。

針對不同車系、不同撐桿型號造成的差異，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

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

3 防夾系統(tǒng)設(shè)計

3.1 防夾算法設(shè)計

電動尾門的撐桿電機為永磁直流電機。對于直流電機，轉(zhuǎn)矩公式為

Tem=CTΦIa

式中：CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

對于永磁直流電機，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

電樞反電動勢：

Ea=Ceφn

所以電樞電流為

Ia=(U-Ceφn)/Ra

當(dāng)電機正常運轉(zhuǎn)外界負載阻力增加時，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程

所以電樞電流的變化直接體現(xiàn)了負載合力的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速n減小即便端電壓U不變，電流Ia會增加；在閉環(huán)調(diào)速過程中，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會進一步增加。因此在防夾算法中，主要以電樞電流作為計算輸入。

由于電動尾門系統(tǒng)要求緩慢增加的負載阻力下電動尾門能正常電動開閉，不觸發(fā)防夾功能，所以不直接使用電流的絕對值作防夾力的判據(jù)。當(dāng)電動開關(guān)門過程中夾到或者撞到物體電機的力矩會快速增加，也就是電流的微分值較大；當(dāng)電動開關(guān)門過程中因正常阻力變化造成電機的力矩變化較緩，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，并計算當(dāng)前周期電流微分ADI_Sum_D0，前一個周期電流微分ADI_Sum_D1，前第二個周期電流微分ADI_Sum_D2。為減小誤防夾概率，觸發(fā)條件為連續(xù)3個電流微分都大于0(即電流連續(xù)3個周期增加，電機的力矩連續(xù)3個周期增加)的情況下，ADI_Sum_D0與ADI_Sum_D1之和大于對應(yīng)的閾值。由于電動開門和電動關(guān)門的機械特性造成的偏差，開關(guān)門使用的防夾力判斷閾值不同。

此外，針對一些特殊情況(如夾到體積較大的很軟的物體)，電流增加緩慢但會持續(xù)增加到很大，判斷電流的絕對值超過對應(yīng)的閾值，則觸發(fā)防夾或者防撞。電動運行過程中增加對霍爾AB相脈寬的判斷，當(dāng)脈寬值超過正常閾值則觸發(fā)防夾或者防撞。

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

3.2 防夾流程

防夾流程分為兩部分，一是檢測過載或者堵轉(zhuǎn)等極端異常情況。在1 ms的處理周期可以使軟件處理過載或者堵轉(zhuǎn)等極端異常情況的響應(yīng)實時性更高。二是防夾力的計算。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防夾采樣周期調(diào)用一次。過短的采樣周期會導(dǎo)致電流微分值過小影響計算精度，容易造成誤判或者漏判；過長的采樣周期會導(dǎo)致防夾處理的實時性不夠高影響安全。防夾算法主程序先判斷兩個霍爾位置偏差是否過大，如果偏差過大說明機械結(jié)構(gòu)運動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，如果沒有置位則進行下一步計算。當(dāng)電流微分連續(xù)3個周期都大于0說明電流在持續(xù)增長，需要進一步判斷是否異常。由于在正常動作過程中，電流曲線也會有持續(xù)增長的區(qū)間，為了區(qū)別正常的增長與異常的增長，算法根據(jù)開、關(guān)門動作分別把電流微分值與開、關(guān)門動作對應(yīng)的設(shè)置參數(shù)進行計算對比，超出設(shè)定參數(shù)則認為是異常并把電流防夾標(biāo)志位置，否則直接退出。

4 試驗驗證

為了驗證速度自適應(yīng)系統(tǒng)，在不同尾門負載和供電電壓下，記錄了開關(guān)門過程的速度曲線。

如圖7所示，9 V供電電壓下有負載和無負載情況下的開關(guān)門速度曲線。如圖8所示，12 V供電電壓下有負載和無負載情況下的開關(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是尾門運動過程中遇到障礙物觸發(fā)防夾策略時的速度曲線，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)時防夾力和電流曲線

如圖9和圖10所示，尾門啟動后，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過程撞到物體，可見電流曲線快速上升，阻力也快速上升，防夾算法計算結(jié)果滿足觸發(fā)條件，主控程序啟動防夾策略立即停止電機，開門速度曲線可見速度立即降至0。

5 結(jié)束語

基于速度自適應(yīng)的汽車電動尾門撐桿電機控制技術(shù)，根據(jù)霍爾傳感器的反饋信號和電機電樞電流的變化作為輸入，通過PID控制器來調(diào)節(jié)電機控制信號的輸出，同時實時監(jiān)測障礙物的夾持力的變化。

試驗結(jié)果表明，電動尾門電機控制算法會根據(jù)反饋速度實時調(diào)節(jié)輸出，以控制開關(guān)門速度維持在目標(biāo)速度，在不同負載不同電壓的影響下，開關(guān)門速度和時間一致，而且在保持速度自適應(yīng)的同時，防夾算法運行正常，解決了汽車尾門在不同的環(huán)境下開閉時間不同和夾傷人員的問題，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。