汽車電動尾門電控防夾方法的研究

廣州應用科技學院 王孟濤

現代智能汽車技術飛速發展，尤其新能源車作為炙手可熱的研究對象，車身的智能安全技術也進入研發階段。本研究針對汽車的電動尾門防夾技術進行研究。主要對汽車尾門防夾持的軟件算法進行研究。通過對汽車尾門的硬件結構分析、對尾門運動結構進行數學建模，對尾門的運動推桿的電流和電壓信號進行監測、采集、濾波、計算、比較，最終找出尾門發生加持時產生的防夾力和尾門撐桿的電流信號的關系，從而對加持力進行有效的估計。最后通過仿真實驗，驗證了這種力學信號和電學信號的關系，最終對尾門運動進行精準的控制，使汽車尾門運動的安全性得到有效的保證。

1 汽車電動尾門電控防夾研究內容

汽車尾門關閉時可能發生意外夾傷人體事件，針對汽車尾門的防夾策略進行研究，使得車輛使用的安全性得到保證。本研究對汽車電控尾門的運動進行研究，測試出尾門在不同加持力的作用下電流的變化。判斷加持力和電流大小的關系。當汽車在停止、運行、受到噪聲干擾時的不同狀態下，撐桿中受到的阻力的性質和電流的關系，最終通過電流來控制汽車尾門的運動狀態，保證汽車電動尾門的安全運行。

2 汽車電動尾門電控防夾的基本原理

智能汽車的電動尾門中，通過中央控制器發出指令，控制尾門運動。對汽車尾門撐桿進行剖析后發現尾門中包含有一顆直流電機，我們可以通過對直流電機的驅動控制達到尾門防夾持控制。主要做法對尾門撐桿電機的硬件電路進行修改，在電路中加入一顆高精度電阻，這樣可以做到更加精確的采集、控制電機電流。對于電流信號的獲取，需要多次實驗，找出在發生加持的臨界點對應的電流值，該電流值設置為加持閾值，當電流信號在加持閾值范圍內時認為未發生加持傷害，當電流值超出加持力閾值時則發生加持傷害。我們通過對汽車尾門的運動軌跡進行分析，找出尾門運動時容易發生加持傷害的高風險區域，對區域進行空間標記，通過標記信號結合尾門防夾控制信號，達到安全的控制。在汽車的直流電機系統中，尾門位置的獲取是通過在直流電機中安裝一顆霍爾元件，霍爾元件的作用是對直流電機的電流脈沖進行計數，以脈沖數的方式記錄尾門的空間防夾標記位置。最終從尾門的機械結構和電機的電流控制設計結合，設計為尾門的防夾控制系統。

汽車電控尾門防夾控制的內環是速度閉環控制，將角速度信號作為負反饋系統的信號變量。電流的脈沖信號采集原理為：在直流電機的電機軸上安裝一個磁鐵，當電機每次發生旋轉時磁體都經過霍爾傳感器，每經過霍爾傳感器一次會產生一個脈沖信號。T為脈沖信號的周期，P為直流電機運行一圈時的脈沖數，根據式(1)得出轉速n。霍爾傳感器的位置。

電控尾門防夾控制的外環為電流閉環控制。根據直流電機的電流特性，在電流閉環控制中找出電流和電壓的關系，如下：

直流電機兩端的電壓為U，直流電動機系統的轉動慣量J，等效電感L，電阻R和K1，K2視為常數。尾門關閉時所受阻力增加，由于等式兩端等效關系保持不變，因此電流I(S)變大，這說明汽車尾門在關閉過程中遇到障礙物的阻擋，我們視為發生加持。它將導致電路中電阻變大，電機轉速變小，電流增大。對于這種特性，我們可以通過對直流電機的電流進行采樣，間接確定尾門系統是否發生夾持。

電機中的電流特性在尾門的不同運動過程中表現不同，并且汽車電控尾門的特性也受到尾門整體的連桿結構傳動系統、尾門使用壽命、汽車尾門工作電壓之間的差異等因素影響，為了有效的研究汽車尾門工作電流與直流電機之間的關系，要在不同工作環境下對電機的電流特性進行進一步研究。

3 基于電機電流信號斜率的尾門夾持判斷

對直流電機的工作電流進行分析，我們可以得出如下結論：直流電機的工作電流與輸出轉矩成正比，確認了電流信號的變化可以直觀的反映電機夾持力的實際工作情況，故電機電流的變化可以作為尾門是否發生加持的依據。

通過對電流信號的處理，希望能夠更加精確的控制汽車尾門的運動。電流斜率法是實時采集直流電機電流的幅值數據，將它作為防夾判斷的依據。當汽車尾門在空間上運行至機械停止位時，尾門直流電機的電流變化率最大；當電機驅動尾門運動過程中，尾門遇到障礙物時的電流大小弱于機械停止位電流；電機正常工作時電流最小。假設當汽車尾門運行至機械止位時電動機電流變化率為Kmax，當汽車尾門遇到障礙物時閾值速率為Kobst。我們對電機的電流數據進行采集，計算出電流數據的斜率K，當K>Kobst且K

由式(3)可知，取寬度為T時間段，計算T時間段中兩點之間的斜率，取斜率的平均值K，和防夾力閾值比較，當K大于斜率閾值時則判定為發生夾持。

4 電動尾門防夾控制臺架實驗

為配合電動汽車尾門的防夾持測試實驗，以實車尾門尺寸為依據，用不銹鋼材料搭建了一個模擬的尾門實驗臺架，臺架后蓋尺寸為：1×1.2m，臺架的后蓋空間運行軌跡為0°～90°（物理可調）。實驗臺架的物理構建主要包含：底座、后蓋、電動撐桿和連桿機構以及承重塊等部分。各部分的主要作用如下：

底座：用于固定整個尾門后蓋的連桿機構，模擬實車，用于承載汽車尾門的物理系統，放置防夾系統的控制器；

后蓋：汽車后備箱尾門蓋，發生加持時夾持力的提供物件，測試汽車尾門夾持力的主要物理器械；

電動撐桿：內部包含一個直流電機，為整個汽車尾門提供動力，并且是連接汽車后蓋與連桿機構的物件；

連桿機構：尾門的重要支架，位于底座上，共兩件，左右各一件，是整個仿真尾門的力學傳動系統，連接尾門各部分；

承重塊：模擬出不同的尾門重量進行測試，當尾門系統進行防夾力測試時，放在后蓋上提供不同的加持力。由于不同的汽車尾門重量不同，為測試整個汽車尾門防夾系統的安全性與魯棒性，用不同的重量來對防夾系統進行測試。

5 防夾控制方法的臺架實驗及結果分析

對尾門進行防夾持實驗，首先通過軟件將電動汽車尾門關閉總耗時設置為30s，利用STM32控制器對電流信號采集速度進行設置，設置為0.05s/次，控制器控制電動撐桿的行程速度設置為3mm/s。在總耗時30s內控制器共采集到電流信號數量為600次。為了能保證實驗的準確性，在實驗中設定多種防夾持力的閾值進行測試，本實驗防夾力大小分別設置為80N、120N、160N，利用實驗臺架進行三輪夾持實驗，每輪實驗將以上三種不同閾值的夾持力作用在實驗臺架上進行；系統通過基于提出的斜率法計算出電流數據變化的實驗。實驗結果如圖1所示。

圖1 夾持力基于斜率法電流變化實驗

通過實驗采集的電流信號我們得出最終結論：當汽車尾門撐桿電機發生夾持時，在夾持力作用下，電機電流信號發生了70～90mA的變化，驗證了當尾門系統發生夾持時，電流發生突變，這種電流信號的突變說明了夾持力的變化。在電流變化時，實驗直接采集的電流信號均包含有毛刺，這種電流信號的毛刺噪聲影響了我們對夾持力閾值的設置。因為電流閾值的設置是判斷系統夾持力的關鍵因素，當閾值不同直接影響的是發生加持力的大小。最終通過不同的夾持力閾值進行實驗，發現斜率法的使用可以弱化了噪聲的影響，使汽車尾門發生夾持時，經過斜率法的夾持力算法使得夾持力信號更加明顯，使得加持力的判斷更加準確。