純電動轎車車窗防夾算法分析

柳智慧，賀愛香，楊 娟

（安徽新華學院 信息工程學院，安徽 合肥 230088）

純電動轎車車窗防夾算法分析

柳智慧，賀愛香，楊 娟

（安徽新華學院 信息工程學院，安徽 合肥 230088）

車窗防夾，指電動門窗在關閉過程中，檢測關閉阻力，當阻力大于設定閾值后，改變車窗的運動狀態，從而實現車窗防夾.本文通過加裝電機霍爾傳感器的方法檢測電機轉數，提出防夾算法計算阻力，從而實現車窗防夾功能.Simulink模型仿真實踐結果表明，雙霍爾的穩定性高于單霍爾，該算法適用于車窗防夾力的計算，能夠實現車窗防夾.

車窗防夾；檢測；霍爾傳感器；仿真

1 緒論

隨著汽車電子行業的發展，越來越多的汽車采用電子車窗控制系統.電動車窗的運用在方便駕乘人員操作的同時，在防夾方面還存在一定的安全隱患[1-4].對于車窗防夾，美國普遍采用的是紅外線技術，但國內自主研發的車窗防夾控制系統依然少見，因此對于車窗防夾檢測的研究具有一定突破意義[5-8].本文基于霍爾傳感器提出了車窗防夾算法，即實時檢測霍爾傳感器電機的轉速變化，防夾發生時電機轉速會下降，控制器依據該算法計算阻力，當阻力大于設定閾值時，向繼電器發出指令，電路會讓電流反向，電動機停轉或反轉（下降），使車窗停止移動或下降，有效的實現了車窗防夾.

2 防夾算法的物理模型

電動車窗電機受繼電器控制，其模型如圖1所示，其中U為電機兩端電壓，R為等效電阻，L為電樞自感，ω為電機轉速，J為電機的轉動慣量，f為電機運行的阻力系數，Tm為電磁電機轉矩，T1為負載轉矩.

圖1 電動車窗電機控制模型圖

電機運行時，忽略控制電壓U的變化，負載轉矩的變化影響電機轉數，具體關系如式（1）所示.

忽略風阻和震動對車窗防夾的影響，本文所提出的防夾算法設計中，防夾力的判斷由電機轉速與加速度分量構成，具體關系如式（2）所示.

當防夾發生時

則防夾力

在此方程中，ω0為防夾自學習值，dω/dt和ω為實時測量計算值，則防夾力的轉速與加速度系數分別如下：

由式（4）—式（6）知

由式（7）可以看出，防夾力隨著轉速和加速度的增大而增大.

3 模型參數分析

本文基于雙霍爾傳感器實現算法中相關參數采集，其中包括轉速、加速度.通過采集結果對防夾力、轉速及加速度之間的關系進行分析和驗證.

3.1 轉速

常溫下，防夾計算為每個周期4ms.本文通過采集霍爾傳感器的脈沖寬度判斷速度，即利用PCI 6221板卡，基于四個平均滑動濾波的濾波方法，分別從四個方位采集脈沖寬度，脈沖寬度采集結果如圖（2）所示.

圖2 脈沖寬度

為解決速度波動問題，采用雙霍爾速度進行采集，通過圖3的對比可以發現，雙霍爾通過兩個濾波可以獲得近似于單霍爾八個濾波的效果.另外，防夾時的雙霍爾明顯比單霍爾反應更快.

圖3 單霍爾與雙霍爾速度采樣對比圖

3.2 加速度

加速度分量主要由轉速變化快慢來決定，本文只考慮串聯上的模擬車窗的彈性系數.在實際防夾過程中，彈力系數K=K1*K2/(K1+K2).本文對10N/mm與20N/mm的測力計彈簧加速度差值進行比較，結果表明，整個彈性系數分別為8N/mm與13N/mm，夠明顯區別出10N/mm、20N/mm的彈簧，如圖4所示.

圖4 兩種測力彈簧加速度差值比較圖

4 仿真分析

本文基于MATLAB中Simulink仿真工具，實現系統的動態建模、仿真和分析.具體判斷防夾力的方法如下：

圖5 速度變化

圖6 加速度變化圖

2ms任務中調用防夾算法，Hall2_application_flag由 Hall2_interrupt_flag賦值，在void HallCapture2Hook(void)中操作.利用void HallCapture1Hook(void)計算位置與速度.在防夾反轉過程需要判斷電機運動的方向、停止位置，直接切換繼電器，防夾過程中，為保證電壓的平穩性及電壓與速度波動的一致性，設置電壓為0.1V，速度的波動如圖5所示，加速度變化如圖6所示.可以看出，防夾過程中速度是一直降低，加速度變化并不明顯.

將電壓設置到16V，通過脈寬變化識別彈簧，觀察10N/mm與20N/mm測試力下脈沖寬度的變化，如圖7，圖8所示，可以看出，當速度變化達到8之后有一段平穩區域.能夠識別出20N彈簧并保證防夾力小于75N的參數為7.6.對于10N彈簧，保證防夾力小于75N的參數為6.3.

圖7 10N彈簧數據

圖8 20N彈簧數據

5 總結

本文主要對純電動轎車的車窗防夾算法進行分析研究，利用霍爾傳感器來實時檢測電機速度的變化，判斷是否有故障發生，通過對防夾力的估算，當障礙物造成的防夾力大于我們設定的范圍時實施防夾措施.即，繼電器收到指令讓電流反向流動，致使電機停轉或反轉，從而使車窗停止或下降.因此本文針對防夾力計算所涉及參數進行采集并利用Simulink工具進行仿真分析，結果表明，雙霍爾的穩定性高于單霍爾，該算法能夠適用于車窗的防夾和車窗防夾力的計算.

〔1〕徐浩，樊小年．關于LIN總線應用的電動車窗防夾系統設計[J]．華章，2014（04）：3-4．

〔2〕袁俊業，袁紅兵，龔旅濱．電動車窗防夾設計[J]．電子設計程，2015（08）：185-187-192．

〔3〕朱敏慧．車窗防夾技術提高兒童乘車安全[J]．汽車與配件，2014（32）：30-31．

〔4〕奚碧清，周斌，王燕梅，蘇強，駱葳．基于MATLAB的汽車被動安全評價模型研究 [J]．機械工程與自動化，2015（01）：61-62．

〔5〕李岳林，謝安平，龔宏義，劉寶杰．基于MATLAB的轎車電動天窗防夾系統建模與仿真 [J]．公路與汽運，2014（06）：4-8．

〔5〕張玉平，王賀飛．汽車電動車窗防夾控制系統發展現狀及前景分析[J]．中小企業管理與科技(上旬刊)，2014（03）：225-226．

〔6〕胡明輝，謝紅軍，秦大同．電動汽車電機與傳動系統參數匹配方法的研究[J]．汽車工程，2013(12)：1068-1073．

〔7〕羅婉麗，吳曉燕．一種面向應用的電動車窗防夾控制算法研究[J]．西南師范大學學報(自然科學版)，2015(01)：96-101．

〔8〕有四普，夏清華，左偉，曾軍．彈簧勁度系數精確測量研究[J]．物理通報,2014（07）：88-90．

TP273

A

1673-260X（2017）03-0039-02

2016-11-12

安徽新華學院校級（自然科學）科研項目：1×8硅納米線陣列波導光柵的研制（2014zr020）