基于雙霍爾傳感器的汽車電動車窗防夾算法設(shè)計與驗證

辛豐強， 王東生， 崔書超， 薛 飛

(北京汽車集團 越野車研究院,北京101300)

電動車窗已成為現(xiàn)代車輛的必備配置，但電動車窗存在夾傷人的風(fēng)險，尤其是兒童.因此用戶對配置車窗防夾功能渴望越來越強烈.但由于防夾算法的缺陷，國內(nèi)的防夾系統(tǒng)存在可靠性差、抗環(huán)境變化能力弱、靈敏度不高等問題[1-2].文中設(shè)計了一種基于雙霍爾傳感器的防夾算法，實時檢測電機的轉(zhuǎn)速變化和運動方向，并綜合考慮電壓和溫度變化、膠條老化等因素的影響，通過補償和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的方式，解決了目前車窗防夾算法的問題，通過臺架試驗驗證了算法的有效性.

1 防夾算法推導(dǎo)

1.1 防夾車窗受力分析

如圖1所示[3-4]，車窗上升過程中，設(shè)玻璃受到的拉力為Fm、受到的阻力為Ff、玻璃的等效質(zhì)量為m、運動的線速度為V.

玻璃勻速運動時，根據(jù)牛頓第二定律：

(1)

防夾時,考慮檢測的外界力值：

(2)

轉(zhuǎn)換到電機輸出端：

Fm·r·i=T·η.

(3)

根據(jù)傳動比的定義：

ω·r=V·i.

(4)

代入(2)式得：

(5)

則防夾時，防夾力FAP與ΔT的關(guān)系：

(6)

式中：t為時間;r為電機轉(zhuǎn)動的半徑；i為傳動比；T為電機的負載轉(zhuǎn)矩；η為傳動效率；ω為電機角速度.

圖1 車窗上升受力圖

1.2 防夾電機理論基礎(chǔ)

若電機穩(wěn)態(tài)運行，電動勢平衡方程式為

E=Ke·?·n，

(7)

代入公式(7)得：

(8)

故：E=Kt·?·ω.

(9)

電壓平衡方程式：U=E+Ia·Ra，

(10)

式中：U為電壓；Ia為電流；Ra為電阻.

則Te=T+T0.

(11)

轉(zhuǎn)矩方程式：Te=Kt*?*Ia，

(12)

將(9)、(10)、(11)代入,(12)可得：

(13)

當(dāng)防夾發(fā)生時，若電壓不變(同時空載轉(zhuǎn)矩一定)時，則：

(14)

(15)

據(jù)此，當(dāng)車窗關(guān)閉遭遇障礙物時，障礙物對玻璃產(chǎn)生的阻力矩可以看做是ΔT，即與電機轉(zhuǎn)速的變化量Δω成線性的關(guān)系.即可以用電機轉(zhuǎn)速的增量值Δω來表示阻力矩的增量.

考慮溫度、電壓對電機特性等影響的K值(不同溫度、電壓下，電機輸出效率，電機參數(shù)及動能損失等不同)，需對防夾力進行補償，如下：

ΔT=KTKVΔω.

(16)

最終，由于力和轉(zhuǎn)矩存在一個力臂，力臂固定，得到防夾時遇到的防夾力：

(17)

2 關(guān)鍵信號獲取

2.1 霍爾信號采集

霍爾傳感器安裝位置如圖2所示，在霍爾信號捕獲的中斷函數(shù)中獲得兩路霍爾信號的實際平均值.兩路霍爾信號采集如圖3所示.

圖2 霍爾傳感器安裝圖

圖3 霍爾采集信號

2.2 電機方向判定

在霍爾信號捕獲的中斷函數(shù)中，根據(jù)兩路霍爾信號的電平值來判斷電機方向.

當(dāng)捕獲到霍爾信號A的上升沿時，讀取當(dāng)前兩路霍爾信號的電平值，HALLA= 1(高電平)&&HALLB=0(低電平)，當(dāng)捕獲到霍爾信號1的下降沿時，HALLA= 0&&HALLB=1時則電機在順時針轉(zhuǎn)動.

當(dāng)捕獲到霍爾信號A的上升沿時，讀取當(dāng)前兩路霍爾信號的電平值，HALLA= 1(高電平)&&HALLB=1(高電平)，當(dāng)捕獲到霍爾信號A的下降沿時，HALLA= 0&&HALLB=0時則電機在逆時針轉(zhuǎn)動.

2.3 車窗位置獲取

以初始化上堵轉(zhuǎn)點作為起始零點，每捕獲到一個霍爾信號的上升或者下降沿，電機位置加1，最終獲得相應(yīng)車窗位置.最后將整個車窗的位置和對應(yīng)霍爾信號數(shù)進行存儲.

2.4 電機轉(zhuǎn)速獲取

圖4 霍爾周期

3 自適應(yīng)學(xué)習(xí)

隨著車窗長期的使用，膠條的老化，拉索的變形，和環(huán)境改變影響或者電機參數(shù)的變化，軟件中存儲的機械特性值已經(jīng)不能反應(yīng)實際車窗的狀況，軟件需要具備不斷更新存儲的車窗機械特性的能力，這樣才能計算準確的參考轉(zhuǎn)速的值，保證防夾力.因此，車窗防夾算法需具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力.

3.1 車窗不同電壓和溫度下轉(zhuǎn)速曲線采集分析

3.1.1 電壓和溫度對轉(zhuǎn)速曲線的影響

常溫下，分別測量電壓為10 V、12 V、13.5 V、15 V時，車窗運行一次時的轉(zhuǎn)速曲線.如圖5所示.

在電壓13.5 V時，分別測量對-20 ℃、0 ℃、25 ℃、85 ℃時，車窗運行一次時的轉(zhuǎn)速曲線,如圖6所示.

圖5 不同電壓下轉(zhuǎn)速曲線

圖6 不同溫度下電機的轉(zhuǎn)速曲線

3.1.2 電壓和溫度對轉(zhuǎn)速曲線的影響分析

通過測試可知，恒溫和恒壓時，車窗整體運行曲線，按照車窗位置平移后變化趨勢基本一致.說明車窗在機械結(jié)構(gòu)一定的情況下，不同位置的阻力(負載變化)基本相同，不受電壓和溫度的影響.于是,我們可以用分段存儲轉(zhuǎn)速差值的方式來反應(yīng)不同位置的機械阻力.

3.2 分區(qū)及參考值自適應(yīng)存儲方法

防夾分區(qū)如圖7所示.

圖7 防夾分區(qū)圖

3.2.1 參考值計算

如圖8所示，車窗在防夾區(qū)域運動時，每進入一個分區(qū)，即求取每個分區(qū)的平均轉(zhuǎn)速值，以當(dāng)前分區(qū)的平均轉(zhuǎn)速值減去上一個分區(qū)的平均轉(zhuǎn)速值，可得差值.將此差值存儲，作為當(dāng)前區(qū)域的自適應(yīng)存儲的RF值.計算公式如下.

圖8 參考轉(zhuǎn)速計算圖

(18)

3.2.2 正常自適應(yīng)更新

正常自適應(yīng)更新情況下，滿足自適應(yīng)更新條件的前提下，k分區(qū)內(nèi)，如果在一定范圍內(nèi)，即

可執(zhí)行：

(20)

(21)

根據(jù)自適應(yīng)學(xué)習(xí)存儲的機械特性值計算參考轉(zhuǎn)速(歷史轉(zhuǎn)速).防夾發(fā)生時實際電機轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)參考轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值大于根據(jù)電壓和溫度補償后的閾值時，輸出防夾反彈標(biāo)志位.軟件根據(jù)防夾反彈標(biāo)志信息，執(zhí)行防夾反彈操作.

4 溫度和電壓補償

考慮溫度、電壓對電機特性等影響的K值(不同溫度、電壓下，電機輸出效率，電機參數(shù)及動能損失等影響不同)，需對防夾力進行補償，具體公式如下：

FAP=KTKV·Δω,

(22)

式中：KT、KV為溫度和電壓補償系數(shù)，通過標(biāo)定獲得.

4.1 溫度和電壓補償表

大量試驗測試發(fā)現(xiàn)，車窗防夾力在相對的一定溫度范圍內(nèi)，溫度對其影響差別較小.如果車窗的結(jié)構(gòu)和一致性較好，為減少工作量，可合并簡化處理.以右前門為例對補償參數(shù)進行了標(biāo)定.右前車門參數(shù)補償如表1所示.

表1 右前門參數(shù)補償表

注：表中值為KTKV值

5 防夾算法臺架測試驗證

5.1 防夾力測試點

按照國標(biāo)GB11552[5]測試要求，防夾區(qū)域如圖9中的(4～200 mm)，所以選定測試區(qū)(4～200 mm)，并選取4 mm、25 mm、50 mm、200 mm 4個典型位置，在4 mm位置選取5個測試點(A、B、C、D、E)，其它位置選取左中右3個位置測試.

圖9 防夾區(qū)域及測試位置

5.2 防夾力目標(biāo)值

按照歐標(biāo)要求防夾力必須小于100 N，文中綜合考慮以(70±10)N為目標(biāo)值.

5.3 測試數(shù)據(jù)分析

利用防夾力測試儀(SDI-90328)對車窗防夾力進行測試，選擇10 N/mm的測力彈簧[6].將不同車窗的測量值記錄在表格中，表2、3為常溫不同電壓下測量數(shù)據(jù).以正太分布衡量數(shù)據(jù)的離散程度，評價防夾算法的有效性.防夾力均值在[60 N,80 N]范圍內(nèi)，標(biāo)準差值小于8時，判定合格.

標(biāo)準差值為5，從臺架測試數(shù)據(jù)可以看出在不同電壓、車窗不同位置下，防夾力測試值都在70 N±10 N區(qū)間內(nèi)，并且無誤防夾情況出現(xiàn)，說明了文中設(shè)計防夾算法的有效性.

表2 4 mm位置數(shù)據(jù)

表3 右前門測試值

注：A(Open200 mm)，B(Open 50 mm)，C(Open 25 mm)(1,2,3分別對應(yīng)中，左，右位置).

防夾力正態(tài)如圖10所示.

圖10 防夾正太分布圖

6 結(jié) 論

設(shè)計了一種考慮電壓、溫度補償和膠條老化的防夾控制算法，對電壓和溫度補償參數(shù)進行了標(biāo)定，并通過臺架驗證了算法有效性.相比目前市場上的其它防夾算法，軟件實現(xiàn)更簡單，適應(yīng)性更強.同時可以擺脫對國外供應(yīng)商的依賴性，降低成本.同時后期將搭載整車試驗，驗證不同工況下防夾算法的有效性.