基于雙霍爾傳感器的汽車車窗防夾控制方法研究

王東生，馮少嬋，崔書超，姜 浙

（北京汽車研究總院，北京 101300）

防夾技術(shù)主要應(yīng)用在車窗、天窗、尾門等開閉系統(tǒng)中，目前的防夾技術(shù)主要包含雙霍爾防夾技術(shù)、紋波防夾技術(shù)、電容防夾技術(shù)，所有防夾技術(shù)的難點(diǎn)就是如何準(zhǔn)確判斷防夾狀態(tài)。霍爾傳感器技術(shù)可以檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化以及車窗的行程，與檢測電機(jī)電流的方式相比，這種方式不僅可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，而且更加直觀、數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建更方便、算法簡單以及具有自學(xué)習(xí)等功能。根據(jù)市場應(yīng)用現(xiàn)狀，霍爾傳感器應(yīng)用技術(shù)目前是車窗防夾控制技術(shù)的主流。

1 霍爾防夾原理

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片。當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢eh，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電勢，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。

霍爾傳感器是基于霍爾元件的電子器件，本方案采用3對磁極，S極、N極相互交替，間隔60°，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，S極、N極交替作用在A、B兩個霍爾傳感器，霍爾元件發(fā)送脈沖。霍爾結(jié)構(gòu)如圖1所示。

兩個霍爾傳感器相位差90°，通過4∶1的傘齒輪測速機(jī)構(gòu)驅(qū)動計(jì)數(shù)器軸端磁盤旋轉(zhuǎn)，磁盤轉(zhuǎn)動一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動1／4周，因?yàn)樵O(shè)置3對磁極，每個霍爾定子旋轉(zhuǎn)一周會產(chǎn)生3個脈沖，雙霍爾結(jié)構(gòu)，定子旋轉(zhuǎn)一周會產(chǎn)生6個脈沖。這樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)中心軸轉(zhuǎn)動1周會產(chǎn)生6×4=24脈沖。圓柱磁盤每轉(zhuǎn)1圈是3×4=12個波形翻轉(zhuǎn)，故執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出1圈則產(chǎn)生48個狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，也就是輸出中心軸每旋轉(zhuǎn)7.5°，脈沖狀態(tài)翻轉(zhuǎn)1次，單片機(jī)計(jì)數(shù)1次所以單片機(jī)輸出的位置分辨率為7.5°。脈沖時(shí)序如圖2所示。

圖1 霍爾結(jié)構(gòu)

圖2 脈沖時(shí)序

由于上述改變和方向有關(guān)，因此MCU能夠通過波形判定方向，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在A發(fā)生跳變，如果A、B電平相同，則為逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，反之為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；在B發(fā)生跳變的霍爾傳感器A、B的信號，如A、B電平相反則為逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，如A、B信號電平相同，則為順時(shí)針轉(zhuǎn)向。

2 CAN總線技術(shù)的應(yīng)用

CAN通信方案，4個防夾門模塊采用CAN通信，通信速率100 ms。

根據(jù)防夾功能通信矩陣，主駕駛側(cè)門窗防夾模塊報(bào)文如表1～4所示。

表1 主駕駛側(cè)門窗防夾模塊報(bào)文

3 防夾車窗控制系統(tǒng)硬件

本文設(shè)計(jì)4個防夾模塊分別集成到4個門模塊中，每個模塊采集本側(cè)車門上的各個開關(guān)，驅(qū)動門上相應(yīng)的負(fù)載，并具有防夾功能。

左前開關(guān)組通過硬線將升降命令傳輸給左前防夾模塊，并通過CAN將其它3門升降命令傳輸給本地防夾模塊。

其它3門按鍵通過硬線將升降命令發(fā)送給本地防夾模塊，防夾模塊之間采用總線通信。防夾模塊控制本地玻璃升降電機(jī)工作。本地防夾模塊通過硬線傳輸LED信號給本地按鍵開關(guān)控制本地開關(guān)。

分布式控制，并集成到門控制器中，配置靈活、成本低，單個模塊損壞不影響其它車門工作，4門經(jīng)簡單設(shè)置后 可互換使用。防夾系統(tǒng)如圖3所示。

表2 副駕駛側(cè)門窗防夾模塊報(bào)文

表3 左后側(cè)門窗防夾模塊報(bào)文

表4 右后側(cè)門窗防夾模塊報(bào)文

圖3 防夾系統(tǒng)

4 軟件設(shè)計(jì)

控制器上電啟動時(shí)，從E2PROM中讀取初始數(shù)據(jù)，檢測電源電壓，當(dāng)電壓值平穩(wěn)后，讀取E2PROM中存儲的車窗位置，然后讀取按鍵輸入，如果有升降車窗操作，就設(shè)置對應(yīng)的開關(guān)信號來驅(qū)動芯片中的繼電器T1、T2、T3、T4。如果車窗向上運(yùn)動，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，霍爾傳感器脈沖信號加計(jì)數(shù)，延時(shí)50 ms后，檢測電流值是否過流，在車窗上升過程中如果檢測到了過流信號，即車窗電機(jī)的電流值大于電流閾值，而車窗位置又處于防夾啟動區(qū)域，則判定車窗遇堵，控制器就輸出方向開關(guān)信號，通過繼電器T1、T2、T3、T4驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)1 s后停止，防夾操作完成。不論電機(jī)升降運(yùn)動，控制器都會通過計(jì)數(shù)程序記錄霍爾傳感器的脈沖信號數(shù)，據(jù)此可判斷車窗的相對位置，并在需要時(shí)把該位置信息寫入E2PROM。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

5 仿真驗(yàn)證

在simulink中建立了系統(tǒng)仿真模型，要求該模型能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有夾物時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)運(yùn)行、在防夾區(qū)轉(zhuǎn)速低于或等于設(shè)定閥值時(shí)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)、在防夾區(qū)轉(zhuǎn)速大于設(shè)定閥值時(shí)控制電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。本方案中的永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速采用雙閉環(huán)控制方案，轉(zhuǎn)速由自適應(yīng)模糊PID控制器調(diào)節(jié)，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。模糊PID設(shè)計(jì)如下。

1）選取輸入為偏差e以及系統(tǒng)的偏差變化率ec，輸出為常規(guī)PID的3個參數(shù)的調(diào)整量kp、ki、kd，如圖5所示。

2）確定離散域、模糊子集和隸屬度函數(shù)，如圖6所示。

如圖5選擇e和ec的論域范圍為［-5 5］， kp、ki、kd的離散論域?yàn)?［-1 1］，模糊子集為 ［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，隸屬度函數(shù)為三角形函數(shù)。

3）模糊控制規(guī)則如圖7所示。

kp、ki、kd模糊規(guī)則，如表5～7所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)調(diào)整量化因子和比例因子，以便獲取做好的控制效果。最終得到系統(tǒng)的模糊PID仿真模型，如圖8所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

圖5 選取kp、ki、kd

圖6 確定離散域

圖7 建立模糊控制規(guī)則

表5 △kp的模糊規(guī)則表

表6 △ki的模糊規(guī)則表

通過simulink對模糊算法進(jìn)行仿真，對比溫度電壓補(bǔ)償法和模糊算法兩種方式的效果，模糊算法防夾仿真如圖9所示。

表7 △kd的模糊規(guī)則表

圖8 模糊模型

圖9 模糊算法防夾仿真

縱軸為轉(zhuǎn)速，橫軸為時(shí)間軸，檢測到防夾反轉(zhuǎn)的兩種算法的對比，黑色為現(xiàn)有算法，紅色為模糊控制檢測算法。從實(shí)際仿真測試效果看，無論是相應(yīng)時(shí)間還是抗干擾能力，現(xiàn)有算法檢測都更優(yōu)秀。