電動尾門防夾控制系統研究與開發

劉文燦，周縣鋒，張尊華，李格升

（1.武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢 430063；2.微進電子科技（上海）有限公司，上海 201600）

0 引言

隨著汽車智能化的發展，電動尾門的應用逐漸興起。與傳統汽車尾門相比，電動尾門具有智能防夾、高度設定、中途懸停、智能開閉等多種功能。其中，智能防夾功能是電動尾門安全保障的前提，研究電動尾門防夾控制系統對汽車智能開閉系統的發展有著重要的工程意義。

電動尾門防夾控制系統的性能取決于防夾算法的可靠性與穩定性，其重點在于障礙物識別及防夾力判斷。國內外已有防夾技術相關研究，主要通過驅動電機的轉矩、電流、速度等變化進行識別與判斷[1]。其中轉矩信號可以通過角速度計算[2－3]，電流信號通過電流取樣電路采集，速度信號通過霍爾傳感器采集[4－5]。Ra 等[2]通過電機角速度計算電機扭矩，以電機扭矩率作為防夾檢測依據，并用卡爾曼濾波降低信號波動；Qiu 等[6]將電流幅值法與積分法結合作為車窗防夾檢測依據，能夠有效減少防夾誤報次數；劉建國等[7]以霍爾脈寬為車窗防夾檢測依據，并基于高斯濾波和積分法對霍爾脈寬曲線進行處理，與卡爾曼濾波相比減少了運算量，魯棒性更好；和虎等[8]以電流和霍爾脈沖個數作為防夾檢測依據，通過提取車窗上升時電流與霍爾脈沖的特征點，實現車窗控制器自動匹配。目前防夾技術研究多基于汽車天窗、車窗系統。電動尾門系統運行過程重心時刻變化，且存在變速過程，只采用速度作為防夾檢測依據時，會影響防夾力判斷，且防夾響應過慢；只采用電流作為防夾檢測依據容易受到外部干擾，重心變化也會帶來電流波動，雖然采用卡爾曼濾波等算法可降低干擾，但增加了運算量，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，通過仿真與實際試驗驗證該算法的有效性。首先在Simulink 環境下建立防夾控制模型，驗證不同工況下該算法的有效性；然后設計電動尾門控制器，通過電動尾門臺架驗證該算法的有效性。

1 尾門防夾控制基本原理

1.1 尾門防夾控制系統結構

圖1 所示為汽車電動尾門防夾控制系統結構框圖。執行尾門開閉的驅動電機為有刷直流電機，電機驅動芯片和霍爾傳感器可以分別采集電機電流和速度信號，將此信號作為反饋信號輸入控制單元，在調速模塊和防夾模塊中對電機進行速度閉環控制和防夾控制。

圖1 電動尾門防夾控制系統結構

當尾門遇到障礙物時，會通過傳動設備增加電機負載轉矩，電機轉矩變化會帶來電機電流與速度的變化。通過電機數學模型可以得到電機電流和速度隨轉矩的變化關系，根據此關系設計防夾算法，建立電動尾門防夾控制系統。

1.2 尾門防夾控制數學模型

根據直流電機的電壓平衡方程與轉矩平衡方程，通過拉氏變換可以得到電機轉矩與角速度以及電流的關系，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為反電動勢常數，V·s/rad；Kt為扭矩系數，N·m/A；B 為黏性摩擦因數，N·m·s/rad；TL為總負載轉矩，N·m；J 為轉動慣量，N·m·s2/rad；ω為轉子角速度，rad/s。

其中電樞電壓U、電機電阻R、電機電感L、反電動勢常數Ke、扭矩系數Kt、黏性摩擦因數B、轉動慣量J在電機確定情況下恒定。當尾門遇到障礙物時，電機負載力矩TL會增大，由式（1）～（2）可知電機電流i會增大，電機角速度ω會減小。因此，可以通過采集電機電流信息或電機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，采用電流和速度結合的方法進行防夾檢測。以電流變化量的積分值作為防夾力判斷的依據，通過速度信號輔助判斷是否發生夾持，避免防夾誤判。將防夾檢測分為防夾預判、異常信號識別、防夾力檢測3個主要過程，避免正常工況進入無關過程，以提高算法的整體運算效率。

對于電流信號采用滑動平均法濾波，公式如下：

式中：Im為電流濾波值；ia為電流實際值。

濾波系數決定了濾波的平滑度和精度，系數越大，平滑度越好，精度越低；系數越小，平滑度越差，精度越高。該算法對濾波平滑度要求不高，為了保證數據的精度濾波系數設為9。Im首尾4 個數據用相應的ia代替，速度信號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經過積分時間Δt時的電流積分值，當Is大于設定的積分閾值Ith時，即可判斷遇到障礙物。

防夾控制算法流程如圖2 所示。防夾預判過程主要進行防夾初步判斷。當尾門遇到障礙物時，電機電流增大，速度減小，變化趨勢如圖3所示。選取一個固定時長Δtm的移動窗口，當電流變化率di/dt>0，且速度變化率dn/dt ＜0 時，即防夾預判成立。此時令防夾標志置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。防夾預判過程可以實現電流與速度參考值的自適應變化，提高了算法的可靠性與穩定性，并可減少防夾算法的整體運算量，提高運算效率。

圖2 電動尾門防夾控制算法流程

圖3 遇到障礙物時電機電流與速度變化趨勢

異常信號識別過程主要依據遇到障礙物時電機電流和速度變化趨勢進行識別，如圖3所示。當防夾力檢測不成立，且電流變化率di/dt<0，絕對值大于一定閾值Δith時，可判斷防夾預判成立是由異常信號產生，而非真正碰到障礙物。速度信號判斷同理，滿足其中一個條件即識別成立，將防夾標志置0，退出防夾力檢測并清除相關計算值。異常信號識別過程可有效減少防夾誤判的產生，也減少了積分過程，提高了算法的運算效率與魯棒性。

防夾力檢測過程主要進行防夾力判斷。防夾力大小取決于電流積分閾值，當積分值Is大于設定的積分閾值Ith，且電流與速度變化量大于一定值時，即可判斷防夾力檢測成立，觸發防夾功能。防夾力檢測過程中減少了電流積分過程，可提高算法整體運算效率，并且加入電流和速度變化量作為輔助限制條件，進一步提高算法的可靠性。

3 仿真結果分析

根據電機數學模型和防夾控制策略，在Simulink 環境建立防夾控制模型，模擬電動尾門正常運行過程以及遇到障礙物的防夾過程，以驗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，將電源電壓設為13 V，初始負載為0.07 N·m，在3 s遇到障礙物時負載轉矩突變為0.2 N·m。圖4所示為普通工況下防夾仿真結果。圖中點A 為積分起始點，點B 為積分達到設定閾值點。只有在滿足防夾預判條件時，才會進行電流積分，當電流積分值達到閾值且滿足輔助限制條件時，防夾力檢測成立，電機執行防夾功能，停止并反轉一段距離。從該仿真結果可知，防夾模型能準確識別障礙物并執行防夾操作，可見該防夾算法有效可靠。

圖4 普通工況防夾仿真結果

3.2 外部干擾工況

在實際尾門運行過程中，電流會受外部干擾產生異常波動異常，此時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幅度，并在1 s 和2 s 時增加兩個單脈沖干擾信號，驗證該算法的抗干擾性能。電源電壓為13 V，初始負載為0.07 N·m，在3 s時突變為0.2 N·m。圖5所示為外部干擾工況防夾仿真結果。從仿真結果可知，雖然干擾帶來的電流積分值會大于積分閾值，但該算法會識別異常工況，停止電流積分且清除積分值，不執行防夾操作，只有真正遇到障礙物時才會執行。可見該算法具有一定的抗干擾能力，能夠減少防夾誤判的發生，并且電流積分只會在防夾預判成立時才會進行，減少了積分運算過程，提高算法的運算效率。

圖5 外部干擾工況防夾仿真結果

3.3 不同電壓工況

汽車蓄電池電壓會隨著車內電器負載功率和蓄電池電量等因素變化，電動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工況，以驗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果，電源電壓分別為10 V、13 V 和16 V，初始負載為0.07 N·m，在3 s 時突變為0.2 N·m。從仿真結果可知，該算法在不同電壓下都能保證防夾功能，且電壓越大，防夾判斷的響應時間越短，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果

3.4 不同負載工況

汽車在上下坡時尾門重心位置會不同，電機的負載力也會隨著改變。通過改變初始負載轉矩大小模擬上下坡工況，驗證把不同初始負載轉矩下該防夾算法的性能。圖7所示為不同負載工況防夾仿真結果，初始負載分別為0.05 N·m、0.07 N·m、0.09 N·m，在3 s時突變為0.2 N·m。從仿真結果可知，該算法在不同初始負載轉矩下都能保證防夾功能，且初始負載轉矩越小，防夾判斷響應時間越短，可見該算法在不同負載轉矩下均有效可靠。

圖7 不同負載工況防夾仿真結果

4 臺架試驗

為了進一步驗證該算法的性能，搭建了電動尾門防夾測試試驗平臺。通過電動尾門臺架驗證不同工況下算法的有效性。

4.1 試驗平臺搭建

圖8 所示為電動尾門控制系統原理圖，單片機采用日本瑞薩16位RL78芯片；電機驅動采用H橋控制電路，具備電流采樣功能。電機為永磁有刷直流電機，配有霍爾芯片，可采集霍爾信號。電源電壓范圍0～25 V；按鍵可控制尾門開閉；防夾條裝在兩側起安全保護作用，不參與功能測試；上位機可實現信號通訊以及參數調試。

圖8 電動尾門控制系統原理

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、調速模塊、CAN 通訊模塊等。其中防夾模塊和調速模塊程序通過Simulink軟甲自動生成C代碼，其余部分代碼通過編程軟件直接編寫。

電動尾門臺架如圖9 所示，臺架左撐桿為電機驅動，右撐桿為氣彈簧，并可以調整坡度。根據美國FMVSS118標準，選用PMAC3000測力設備，彈簧彈性彈力系數為10 N/mm，防夾力需小于100 N。

圖9 電動尾門臺架示意圖與防夾力測試設備

4.2 試驗結果分析

試驗主要驗證尾門關閉過程的防夾功能，正常關門時電機速度、電流變化曲線如圖10所示，電機目標速度根據尾門位置設為加速、勻速、減速3個過程。防夾力測試高度選擇尾門開度30 度的位置，測試點選取尾門左、中、右3 個位置，分別記為A、B、C，如圖9所示。通過測力設備標定防夾閾值后，將電流積分閾值設為100，此時關門防夾力約為80 N 左右，在此基礎上進行不同電壓與上下坡工況下防夾力測試。

圖10 正常關門電機速度、電流曲線

4.2.1 不同電壓下防夾試驗結果

圖11 所示為在電壓分別為10 V、13 V、16 V，平坡工況下關門防夾測試結果，表1所示為尾門A、B、C這3個測試點防夾力測試結果，每個點取10次防夾力平均值。從圖中可以看到，在3種電壓下，當尾門遇到障礙物時，電流會增加，當電流積分達到閾值時，電流先下降到零，然后上升，控制電機停止并反轉執行開門操作。在速度曲線圖中，由于采樣周期、測力設備、撐桿彈簧以及臺架穩定性等影響，防夾觸發時速度曲線未降到零且存在波動，實際觀察中尾門能夠成功執行停止并反轉功能。從表1 可以看出，電壓越大，防夾力越大，但電壓變化對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 不同電壓下關門防夾力測試

圖11 不同電壓下關門防夾測試結果

4.2.2 不同坡度下防夾試驗結果

圖12所示為在電壓為13 V，不同坡度下關門防夾測試結果，表2所示為該工況下防夾力測試結果。從圖中可知不同坡度下均能實現防夾功能。由表可以看出上坡時尾門防夾力變小，下坡時尾門防夾力變大，但均防夾力均小于100 N。整體上，下坡時防夾力過大，可以調整積分閾值繼續減小防夾力，可見該算法在上下坡（不同負載）時均有效可靠。

表2 不同坡度下關門防夾力測試

圖12 不同坡度下關門防夾測試結果

4.2.3 100次重復防夾試驗結果

為了驗證防夾算法的穩定性與可靠性，在電壓13 V、平坡工況下進行100 次重復防夾測試，測試結果如圖13 所示。防夾力在75～86 N 范圍波動，且防夾力處于安全范圍內，期間未出現誤防夾，可見該防夾算法具有較好的可靠性和穩定性。

圖13 電動尾門臺架100次防夾力測試結果

5 結束語

仿真結果表明該防夾算法能用于不同電壓、不同負載工況，且能有效避免異常工況下產生的防夾誤判；電動尾門臺架測試進一步驗證了該算法在不同電壓與坡度下均能實現防夾功能，防夾力均滿足標準需求；在電動尾門臺架上進行100次重復防夾測試，沒有出現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，減少防夾誤判的產生，具有較好的可靠性與穩定性。