隱藏式外開(kāi)手柄控制系統(tǒng)的技術(shù)研究

楊鈞 亓歡寧 覃延益

摘要：文章研究對(duì)象為平推式隱藏外開(kāi)手柄的控制系統(tǒng)，首先是闡述了隱藏外開(kāi)手柄的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在實(shí)車的多種運(yùn)行工況，說(shuō)明了傳統(tǒng)隱藏手柄控制方法存在的信號(hào)精度差導(dǎo)致控制不準(zhǔn)確的問(wèn)題，筆者以解決傳統(tǒng)隱藏手柄控制方法信號(hào)精度差導(dǎo)致控制不準(zhǔn)確問(wèn)題作為目標(biāo)，通過(guò)梳理控制系統(tǒng)的原理及控制邏輯，并從硬件層面著手，增加霍爾器件，使信號(hào)得到更精確的反饋，并提出新的控制邏輯，在實(shí)際工程中應(yīng)用，希望能給予相關(guān)從業(yè)工程師以借鑒。

關(guān)鍵詞：隱藏手柄；車門控制；控制方法；控制模塊

中圖分類號(hào)： U463.85+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

外開(kāi)手柄在汽車上是乘客首先看到和觸摸到的重要功能件，承載著車門開(kāi)啟和外觀造型雙重要求[1]。近年來(lái)，汽車技術(shù)迅猛發(fā)展，電動(dòng)化、智能化成為汽車的重要趨勢(shì)，隱藏式外開(kāi)手柄的設(shè)計(jì)和應(yīng)用尤其常見(jiàn)，被應(yīng)用到越來(lái)越多的在新車型中。

隱藏式外開(kāi)手柄屬機(jī)電一體化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)手柄復(fù)雜。而且，隱藏式外開(kāi)手柄在車輛的不同場(chǎng)景中都要保證控制的合理性、可靠性，這點(diǎn)尤為重要。如何提高隱藏式門手柄的易用性、安全性，避免用戶使用過(guò)程中發(fā)生身體傷害的風(fēng)險(xiǎn)，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以外，關(guān)鍵因素是隱藏式門手柄的控制方法，因此這是技術(shù)人員亟待研究探討的重要領(lǐng)域。

1 隱藏式外開(kāi)手柄結(jié)構(gòu)及原理

隱藏式外開(kāi)手柄，顧名思義是一種可以隱藏的外開(kāi)手柄。在不需要使用車門外開(kāi)手柄時(shí)，整個(gè)外開(kāi)手柄隱藏于車門中，外開(kāi)手柄與車門外板曲面保持一致，猶如門板的一部分，感知好，能有效減小風(fēng)阻和降低風(fēng)噪。當(dāng)需要使用手柄開(kāi)啟車門時(shí)，手柄可以伸出足夠空間供乘員抓握，解鎖并開(kāi)啟車門。目前，按手柄伸出時(shí)運(yùn)動(dòng)形式分，主要存在兩種類型：旋出式外開(kāi)手柄和平推式外開(kāi)手柄[2]（圖1）。本文主要對(duì)平推式外開(kāi)手柄進(jìn)行研究。

隱藏式外開(kāi)手柄共有3 個(gè)位置。第一個(gè)位置為隱藏位置，該位置為隱藏手柄未動(dòng)作時(shí)的縮回狀態(tài)，手柄與外板平齊。第二個(gè)位置為平推展開(kāi)預(yù)拉位置，該位置是手柄接收到相關(guān)信號(hào)，通過(guò)電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)手柄內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使手柄展開(kāi)到與門外板平行位置，提供足夠空間供乘員抓握。第三個(gè)位置為解鎖位置，該位置在外力作用下，拉動(dòng)手柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)內(nèi)部機(jī)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)傳遞給車門門鎖，達(dá)到解開(kāi)車門門鎖的目的，進(jìn)而打開(kāi)車門。其控制策略如下。

當(dāng)乘客按下手柄上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)，把解鎖請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送到控制模塊，無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)給出低頻天線驅(qū)動(dòng)信號(hào)到手柄上的無(wú)鑰匙進(jìn)入天線，天線識(shí)別到乘客身上帶的電子鑰匙，認(rèn)證成功。隨后控制模塊給手柄執(zhí)行器發(fā)出驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，手柄執(zhí)行器動(dòng)作，推動(dòng)手柄機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，手柄彈出，乘客拉動(dòng)手柄，即解鎖車門。另外，直接按電子鑰匙上的解鎖鍵，也可發(fā)出解鎖信號(hào)給控制模塊，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)手柄彈出（圖2）。

2 傳統(tǒng)隱藏式手柄控制及存在問(wèn)題

隱藏式手柄控制的關(guān)鍵，是在隱藏位置和展開(kāi)位置能夠給出準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)信號(hào)。傳統(tǒng)隱藏手柄是通過(guò)在這2 個(gè)位置上分別設(shè)置2 個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置識(shí)別。具體控制過(guò)程為：控制模塊收到手柄展開(kāi)指令，給手柄執(zhí)行器電機(jī)通電。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手柄伸出，當(dāng)伸到完全展開(kāi)位置時(shí)觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，輸出信號(hào)給控制模塊。控制模塊收到信號(hào)，認(rèn)為手柄已經(jīng)到達(dá)完全展開(kāi)位置，隨即關(guān)閉給執(zhí)行器電機(jī)的通電，使手柄處于完全展開(kāi)位置。同理，當(dāng)手柄需要收回隱藏時(shí)，手柄運(yùn)動(dòng)到隱藏位置觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)。控制模塊收到位置開(kāi)關(guān)信號(hào)，進(jìn)而執(zhí)行電機(jī)斷電，使手柄處于隱藏位置。上述控制過(guò)程是在理想狀態(tài)下，隱藏手柄能準(zhǔn)確地伸出和收回。在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，常見(jiàn)以下3 個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

2.1 制造誤差導(dǎo)致的信號(hào)誤差

由于微動(dòng)開(kāi)關(guān)安裝在手柄殼體上，不可避免產(chǎn)生制造及裝配誤差，這些誤差會(huì)導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)動(dòng)與開(kāi)關(guān)信號(hào)的不同步。通常表現(xiàn)為當(dāng)手柄已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到完全展開(kāi)位置時(shí)，仍未收到位置開(kāi)關(guān)信號(hào)，電機(jī)仍會(huì)繼續(xù)通電工作，會(huì)造成電機(jī)進(jìn)入過(guò)熱保護(hù)，導(dǎo)致功能發(fā)生異常。

2.2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)不準(zhǔn)確

隱藏式手柄一般會(huì)設(shè)置破冰模式，即手柄因?yàn)楸鶅鑫茨芡耆蜷_(kāi)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)未觸發(fā)時(shí)，會(huì)持續(xù)不斷執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到破冰成功，觸發(fā)展開(kāi)位置開(kāi)關(guān)。當(dāng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)不準(zhǔn)確時(shí)，電機(jī)會(huì)持續(xù)進(jìn)入破冰模式，表現(xiàn)為手柄一直在執(zhí)行“收回—展開(kāi)”的故障運(yùn)動(dòng)。

2.3 微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)不同步

由于全車4 個(gè)車門手柄的微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)不同步，導(dǎo)致控制4個(gè)手柄在展開(kāi)和收回時(shí)動(dòng)作不一致，給用戶帶來(lái)困擾。

另外，傳統(tǒng)平推隱藏式手柄在實(shí)際使用中可能存在安全問(wèn)題。傳統(tǒng)平推隱藏式手柄無(wú)碰撞自動(dòng)彈出手柄功能，當(dāng)車輛遭受意外碰撞時(shí)，不能自行地彈出手柄供用戶開(kāi)啟車門[3]。這時(shí)需要用戶手動(dòng)按壓手柄，通過(guò)機(jī)械的手段來(lái)拉開(kāi)手柄，進(jìn)而打開(kāi)車門，給車輛救援造成難度，降低了用戶使用的安全性。

3 優(yōu)化后的控制原理

優(yōu)化后的隱藏式外開(kāi)手柄執(zhí)行器電機(jī)增加了霍爾傳感器，不用微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置判斷。霍爾傳感器設(shè)置于隱藏式外開(kāi)手柄的驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上的磁環(huán)會(huì)在霍爾傳感器周圍產(chǎn)生變換的磁場(chǎng)，霍爾傳感器將變換的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為具有一定周期的方波，可以準(zhǔn)確地判斷電機(jī)運(yùn)行圈數(shù)，通過(guò)計(jì)算可以知道手柄在伸出過(guò)程中的電機(jī)行程，進(jìn)而獲得霍爾數(shù)。控制模塊通過(guò)計(jì)算霍爾數(shù)，可以準(zhǔn)確地控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，使手柄的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。

目前，隱藏式手柄普遍配合無(wú)鑰匙進(jìn)入天線或UWB 等技術(shù)進(jìn)行使用。當(dāng)用戶接近車門時(shí)，手柄從隱藏狀態(tài)平出至展開(kāi)狀態(tài)。通常整車控制模塊（BCM）中幾路信號(hào)已集成了所述的控制模塊功能，當(dāng)然控制模塊也可獨(dú)立或集成到車門控制模塊下。

下面以控制模塊集成在BCM 為例，對(duì)無(wú)鑰匙進(jìn)入的控制邏輯進(jìn)行說(shuō)明（圖3）。乘客按下手柄上的請(qǐng)求開(kāi)關(guān)（微動(dòng)/ 電容）觸發(fā)，把解鎖請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送到無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)給出低頻天線驅(qū)動(dòng)信號(hào)到手柄上的無(wú)鑰匙進(jìn)入天線，天線識(shí)別到乘客身上帶的電子鑰匙，認(rèn)證成功。隨后BCM 給手柄執(zhí)行器發(fā)出驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，手柄執(zhí)行器動(dòng)作。機(jī)械部分表現(xiàn)為推動(dòng)手柄四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，手柄彈出，乘客拉動(dòng)手柄，即解鎖車門。另外，直接按電子鑰匙上的解鎖鍵，也可發(fā)出解鎖信號(hào)給BCM，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)手柄彈出。

4 控制邏輯

結(jié)合前文所述運(yùn)行工況，當(dāng)用戶靠近汽車時(shí)，車內(nèi)的傳感器從鑰匙處感應(yīng)信號(hào)，給隱藏手柄的驅(qū)動(dòng)單元信號(hào)。驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)手柄主體向車外彈開(kāi)，達(dá)到了手柄自動(dòng)彈開(kāi)的效果。隨后用戶拉動(dòng)手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)車門拉鎖，車門開(kāi)啟后可進(jìn)入車內(nèi)。當(dāng)用戶離開(kāi)或者起動(dòng)汽車后，驅(qū)動(dòng)單元接收到信號(hào)，反轉(zhuǎn)電機(jī)。手柄在彈簧的作用下縮回到原來(lái)位置，達(dá)到了自動(dòng)縮回的效果[4]。

整個(gè)過(guò)程主要依靠BCM 的軟件進(jìn)行控制。在整車應(yīng)用中，還需考慮汽車行駛速度、中控開(kāi)關(guān)等信號(hào)進(jìn)行條件判斷。同時(shí)，在此控制邏輯的基礎(chǔ)上，可以增加碰撞彈出手柄的功能。控制模塊把碰撞信號(hào)設(shè)置為優(yōu)先級(jí)最高的請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)收到車輛碰撞信號(hào)時(shí)，第一時(shí)間執(zhí)行碰撞信號(hào)的請(qǐng)求。為確保伸出手柄伸出執(zhí)行到位，一共輸出3 次隱藏手柄電機(jī)通電，然后通過(guò)霍爾信號(hào)的反饋，使手柄可以準(zhǔn)確無(wú)誤地伸出，確保可以安全地打開(kāi)車門（圖4）。

上述控制基于實(shí)車中的單門，但實(shí)際上整車4 門的控制會(huì)因機(jī)構(gòu)生產(chǎn)制造的偏差，負(fù)載有一定的差異，會(huì)有4 門手柄伸縮時(shí)不同步的問(wèn)題。因此，還需考慮到4門中每個(gè)手柄運(yùn)行的同步性，提升這方面的用戶體驗(yàn)。從實(shí)現(xiàn)的原理，對(duì)此問(wèn)題的方案一般可以根據(jù)采集到的霍爾信號(hào)、電流信號(hào)和紋波信號(hào)等，對(duì)信號(hào)做出判斷，看是否對(duì)其中某個(gè)手柄的電機(jī)進(jìn)行電流補(bǔ)償，以此保證4 門手柄伸縮時(shí)同步。

就目前行業(yè)現(xiàn)狀并結(jié)合電氣的可靠性、成本等綜合考慮，采用霍爾信號(hào)的方案具有很強(qiáng)的可行性。下面對(duì)霍爾信號(hào)的采集原理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

通過(guò)采集霍爾信號(hào)，判斷隱藏式門手柄在縮進(jìn)過(guò)程中是否碰觸到障礙物，可以實(shí)現(xiàn)防夾功能，提升用戶的安全。在隱藏式門手柄向汽車內(nèi)側(cè)方向移動(dòng)的過(guò)程中，即隱藏式門手柄縮進(jìn)過(guò)程中，控制模塊中的微處理器（MCU，Micro Control Unit）實(shí)時(shí)接收霍爾檢測(cè)電路發(fā)送的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的霍爾信號(hào)，并對(duì)接收到的霍爾信號(hào)進(jìn)行分析，判斷該隱藏式門手柄在縮進(jìn)過(guò)程中是否碰觸到障礙物，例如是否碰觸到人手（圖5）。

MCU 可以通過(guò)測(cè)量方波信號(hào)的周期，來(lái)判斷隱藏式門手柄在縮進(jìn)過(guò)程中是否碰觸到障礙物。若隱藏式門手柄在縮進(jìn)過(guò)程中碰觸到了障礙物，MCU 立即執(zhí)行防夾程序，向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送驅(qū)動(dòng)指令，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)隱藏式門手柄向相反方向移動(dòng)預(yù)設(shè)大小的距離，即驅(qū)動(dòng)隱藏式門手柄彈出預(yù)設(shè)大小的距離。其中，預(yù)設(shè)大小的距離具體數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置，達(dá)到防夾的目的即可。

驅(qū)動(dòng)電路主要用于根據(jù)MCU 的控制指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路具體可以采用繼電器控制電路，通過(guò)該繼電器控制電路的接通與斷開(kāi)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制，從而在滿足上述對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制的同時(shí)，有效降低制作成本（圖6）。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了傳統(tǒng)的汽車隱藏式門手柄的控制方法以及存在的問(wèn)題。筆者通過(guò)自己的實(shí)踐，提出一種優(yōu)化當(dāng)前控制方法的方案，使得整個(gè)隱藏手柄在運(yùn)行過(guò)程中更加平穩(wěn)準(zhǔn)確。另外可以及時(shí)獲知隱藏式門手柄在縮進(jìn)過(guò)程中是否碰觸到障礙物，并在碰觸到障礙物時(shí)及時(shí)采取措施，防止門手柄縮進(jìn)對(duì)碰觸者造成身體傷害，提高了汽車隱藏式門手柄的安全性。同時(shí)彈出時(shí)如遇到結(jié)冰等外部較大阻力時(shí)，識(shí)別外部條件異常，避免強(qiáng)行彈出手柄，達(dá)到保護(hù)自身系統(tǒng)功能的目的。

隱藏式外開(kāi)手柄作為一種汽車新興技術(shù)已經(jīng)被越來(lái)越多的主機(jī)廠應(yīng)用，隨著汽車設(shè)計(jì)水平與生產(chǎn)工藝的不斷提升，也逐漸成為汽車、特別是新能源汽車的手柄主流，除了基礎(chǔ)的良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還要有完善的控制方法，這樣才能給乘客智能進(jìn)入車內(nèi)帶來(lái)更好的體驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

楊鈞，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囬T附件。

亓歡寧，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囬T附件。

覃延益，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囬T附件。