汽車電動(dòng)尾門電控防夾方法的研究

廣州應(yīng)用科技學(xué)院 王孟濤

現(xiàn)代智能汽車技術(shù)飛速發(fā)展，尤其新能源車作為炙手可熱的研究對(duì)象，車身的智能安全技術(shù)也進(jìn)入研發(fā)階段。本研究針對(duì)汽車的電動(dòng)尾門防夾技術(shù)進(jìn)行研究。主要對(duì)汽車尾門防夾持的軟件算法進(jìn)行研究。通過對(duì)汽車尾門的硬件結(jié)構(gòu)分析、對(duì)尾門運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)尾門的運(yùn)動(dòng)推桿的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集、濾波、計(jì)算、比較，最終找出尾門發(fā)生加持時(shí)產(chǎn)生的防夾力和尾門撐桿的電流信號(hào)的關(guān)系，從而對(duì)加持力進(jìn)行有效的估計(jì)。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這種力學(xué)信號(hào)和電學(xué)信號(hào)的關(guān)系，最終對(duì)尾門運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，使汽車尾門運(yùn)動(dòng)的安全性得到有效的保證。

1 汽車電動(dòng)尾門電控防夾研究內(nèi)容

汽車尾門關(guān)閉時(shí)可能發(fā)生意外夾傷人體事件，針對(duì)汽車尾門的防夾策略進(jìn)行研究，使得車輛使用的安全性得到保證。本研究對(duì)汽車電控尾門的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，測(cè)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(guān)系。當(dāng)汽車在停止、運(yùn)行、受到噪聲干擾時(shí)的不同狀態(tài)下，撐桿中受到的阻力的性質(zhì)和電流的關(guān)系，最終通過電流來控制汽車尾門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證汽車電動(dòng)尾門的安全運(yùn)行。

2 汽車電動(dòng)尾門電控防夾的基本原理

智能汽車的電動(dòng)尾門中，通過中央控制器發(fā)出指令，控制尾門運(yùn)動(dòng)。對(duì)汽車尾門撐桿進(jìn)行剖析后發(fā)現(xiàn)尾門中包含有一顆直流電機(jī)，我們可以通過對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制達(dá)到尾門防夾持控制。主要做法對(duì)尾門撐桿電機(jī)的硬件電路進(jìn)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(jī)電流。對(duì)于電流信號(hào)的獲取，需要多次實(shí)驗(yàn)，找出在發(fā)生加持的臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值，該電流值設(shè)置為加持閾值，當(dāng)電流信號(hào)在加持閾值范圍內(nèi)時(shí)認(rèn)為未發(fā)生加持傷害，當(dāng)電流值超出加持力閾值時(shí)則發(fā)生加持傷害。我們通過對(duì)汽車尾門的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，找出尾門運(yùn)動(dòng)時(shí)容易發(fā)生加持傷害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)區(qū)域進(jìn)行空間標(biāo)記，通過標(biāo)記信號(hào)結(jié)合尾門防夾控制信號(hào)，達(dá)到安全的控制。在汽車的直流電機(jī)系統(tǒng)中，尾門位置的獲取是通過在直流電機(jī)中安裝一顆霍爾元件，霍爾元件的作用是對(duì)直流電機(jī)的電流脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以脈沖數(shù)的方式記錄尾門的空間防夾標(biāo)記位置。最終從尾門的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)的電流控制設(shè)計(jì)結(jié)合，設(shè)計(jì)為尾門的防夾控制系統(tǒng)。

汽車電控尾門防夾控制的內(nèi)環(huán)是速度閉環(huán)控制，將角速度信號(hào)作為負(fù)反饋系統(tǒng)的信號(hào)變量。電流的脈沖信號(hào)采集原理為：在直流電機(jī)的電機(jī)軸上安裝一個(gè)磁鐵，當(dāng)電機(jī)每次發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)磁體都經(jīng)過霍爾傳感器，每經(jīng)過霍爾傳感器一次會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。T為脈沖信號(hào)的周期，P為直流電機(jī)運(yùn)行一圈時(shí)的脈沖數(shù)，根據(jù)式(1)得出轉(zhuǎn)速n?；魻杺鞲衅鞯奈恢?。

電控尾門防夾控制的外環(huán)為電流閉環(huán)控制。根據(jù)直流電機(jī)的電流特性，在電流閉環(huán)控制中找出電流和電壓的關(guān)系，如下：

直流電機(jī)兩端的電壓為U，直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，等效電感L，電阻R和K1，K2視為常數(shù)。尾門關(guān)閉時(shí)所受阻力增加，由于等式兩端等效關(guān)系保持不變，因此電流I(S)變大，這說明汽車尾門在關(guān)閉過程中遇到障礙物的阻擋，我們視為發(fā)生加持。它將導(dǎo)致電路中電阻變大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變小，電流增大。對(duì)于這種特性，我們可以通過對(duì)直流電機(jī)的電流進(jìn)行采樣，間接確定尾門系統(tǒng)是否發(fā)生夾持。

電機(jī)中的電流特性在尾門的不同運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)不同，并且汽車電控尾門的特性也受到尾門整體的連桿結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)、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(jī)之間的關(guān)系，要在不同工作環(huán)境下對(duì)電機(jī)的電流特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 基于電機(jī)電流信號(hào)斜率的尾門夾持判斷

對(duì)直流電機(jī)的工作電流進(jìn)行分析，我們可以得出如下結(jié)論：直流電機(jī)的工作電流與輸出轉(zhuǎn)矩成正比，確認(rèn)了電流信號(hào)的變化可以直觀的反映電機(jī)夾持力的實(shí)際工作情況，故電機(jī)電流的變化可以作為尾門是否發(fā)生加持的依據(jù)。

通過對(duì)電流信號(hào)的處理，希望能夠更加精確的控制汽車尾門的運(yùn)動(dòng)。電流斜率法是實(shí)時(shí)采集直流電機(jī)電流的幅值數(shù)據(jù)，將它作為防夾判斷的依據(jù)。當(dāng)汽車尾門在空間上運(yùn)行至機(jī)械停止位時(shí)，尾門直流電機(jī)的電流變化率最大；當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾門運(yùn)動(dòng)過程中，尾門遇到障礙物時(shí)的電流大小弱于機(jī)械停止位電流；電機(jī)正常工作時(shí)電流最小。假設(shè)當(dāng)汽車尾門運(yùn)行至機(jī)械止位時(shí)電動(dòng)機(jī)電流變化率為Kmax，當(dāng)汽車尾門遇到障礙物時(shí)閾值速率為Kobst。我們對(duì)電機(jī)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，計(jì)算出電流數(shù)據(jù)的斜率K，當(dāng)K>Kobst且K

由式(3)可知，取寬度為T時(shí)間段，計(jì)算T時(shí)間段中兩點(diǎn)之間的斜率，取斜率的平均值K，和防夾力閾值比較，當(dāng)K大于斜率閾值時(shí)則判定為發(fā)生夾持。

4 電動(dòng)尾門防夾控制臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

為配合電動(dòng)汽車尾門的防夾持測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以實(shí)車尾門尺寸為依據(jù)，用不銹鋼材料搭建了一個(gè)模擬的尾門實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，臺(tái)架后蓋尺寸為：1×1.2m，臺(tái)架的后蓋空間運(yùn)行軌跡為0°～90°（物理可調(diào)）。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的物理構(gòu)建主要包含：底座、后蓋、電動(dòng)撐桿和連桿機(jī)構(gòu)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(gè)尾門后蓋的連桿機(jī)構(gòu)，模擬實(shí)車，用于承載汽車尾門的物理系統(tǒng)，放置防夾系統(tǒng)的控制器；

后蓋：汽車后備箱尾門蓋，發(fā)生加持時(shí)夾持力的提供物件，測(cè)試汽車尾門夾持力的主要物理器械；

電動(dòng)撐桿：內(nèi)部包含一個(gè)直流電機(jī)，為整個(gè)汽車尾門提供動(dòng)力，并且是連接汽車后蓋與連桿機(jī)構(gòu)的物件；

連桿機(jī)構(gòu)：尾門的重要支架，位于底座上，共兩件，左右各一件，是整個(gè)仿真尾門的力學(xué)傳動(dòng)系統(tǒng)，連接尾門各部分；

承重塊：模擬出不同的尾門重量進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)尾門系統(tǒng)進(jìn)行防夾力測(cè)試時(shí)，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(cè)試整個(gè)汽車尾門防夾系統(tǒng)的安全性與魯棒性，用不同的重量來對(duì)防夾系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

5 防夾控制方法的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)尾門進(jìn)行防夾持實(shí)驗(yàn)，首先通過軟件將電動(dòng)汽車尾門關(guān)閉總耗時(shí)設(shè)置為30s，利用STM32控制器對(duì)電流信號(hào)采集速度進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置為0.05s/次，控制器控制電動(dòng)撐桿的行程速度設(shè)置為3mm/s。在總耗時(shí)30s內(nèi)控制器共采集到電流信號(hào)數(shù)量為600次。為了能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定多種防夾持力的閾值進(jìn)行測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)防夾力大小分別設(shè)置為80N、120N、160N，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行三輪夾持實(shí)驗(yàn)，每輪實(shí)驗(yàn)將以上三種不同閾值的夾持力作用在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行；系統(tǒng)通過基于提出的斜率法計(jì)算出電流數(shù)據(jù)變化的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 夾持力基于斜率法電流變化實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)采集的電流信號(hào)我們得出最終結(jié)論：當(dāng)汽車尾門撐桿電機(jī)發(fā)生夾持時(shí)，在夾持力作用下，電機(jī)電流信號(hào)發(fā)生了70～90mA的變化，驗(yàn)證了當(dāng)尾門系統(tǒng)發(fā)生夾持時(shí)，電流發(fā)生突變，這種電流信號(hào)的突變說明了夾持力的變化。在電流變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)直接采集的電流信號(hào)均包含有毛刺，這種電流信號(hào)的毛刺噪聲影響了我們對(duì)夾持力閾值的設(shè)置。因?yàn)殡娏鏖撝档脑O(shè)置是判斷系統(tǒng)夾持力的關(guān)鍵因素，當(dāng)閾值不同直接影響的是發(fā)生加持力的大小。最終通過不同的夾持力閾值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)斜率法的使用可以弱化了噪聲的影響，使汽車尾門發(fā)生夾持時(shí)，經(jīng)過斜率法的夾持力算法使得夾持力信號(hào)更加明顯，使得加持力的判斷更加準(zhǔn)確。