纯电动轿车车窗防夹算法分析
2017-04-06柳智慧贺爱香
柳智慧，贺爱香，杨 娟
（安徽新华学院 信息工程学院，安徽 合肥 230088）
纯电动轿车车窗防夹算法分析
柳智慧，贺爱香，杨 娟
（安徽新华学院 信息工程学院，安徽 合肥 230088）
车窗防夹，指电动门窗在关闭过程中，检测关闭阻力，当阻力大于设定阈值后，改变车窗的运动状态，从而实现车窗防夹.本文通过加装电机霍尔传感器的方法检测电机转数，提出防夹算法计算阻力，从而实现车窗防夹功能.Simulink模型仿真实践结果表明，双霍尔的稳定性高于单霍尔，该算法适用于车窗防夹力的计算，能够实现车窗防夹.
车窗防夹；检测；霍尔传感器；仿真
1 绪论
随着汽车电子行业的发展，越来越多的汽车采用电子车窗控制系统.电动车窗的运用在方便驾乘人员操作的同时，在防夹方面还存在一定的安全隐患[1-4].对于车窗防夹，美国普遍采用的是红外线技术，但国内自主研发的车窗防夹控制系统依然少见，因此对于车窗防夹检测的研究具有一定突破意义[5-8].本文基于霍尔传感器提出了车窗防夹算法，即实时检测霍尔传感器电机的转速变化，防夹发生时电机转速会下降，控制器依据该算法计算阻力，当阻力大于设定阈值时，向继电器发出指令，电路会让电流反向，电动机停转或反转（下降），使车窗停止移动或下降，有效的实现了车窗防夹.
2 防夹算法的物理模型
电动车窗电机受继电器控制，其模型如图1所示，其中U为电机两端电压，R为等效电阻，L为电枢自感，ω为电机转速，J为电机的转动惯量，f为电机运行的阻力系数，Tm为电磁电机转矩，T1为负载转矩.
图1 电动车窗电机控制模型图
电机运行时，忽略控制电压U的变化，负载转矩的变化影响电机转数，具体关系如式（1）所示.
忽略风阻和震动对车窗防夹的影响，本文所提出的防夹算法设计中，防夹力的判断由电机转速与加速度分量构成，具体关系如式（2）所示.
当防夹发生时
则防夹力
在此方程中，ω0为防夹自学习值，dω/dt和ω为实时测量计算值，则防夹力的转速与加速度系数分别如下：
由式（4）—式（6）知
由式（7）可以看出，防夹力随着转速和加速度的增大而增大.
3 模型参数分析
本文基于双霍尔传感器实现算法中相关参数采集，其中包括转速、加速度.通过采集结果对防夹力、转速及加速度之间的关系进行分析和验证.
3.1 转速
常温下，防夹计算为每个周期4ms.本文通过采集霍尔传感器的脉冲宽度判断速度，即利用PCI 6221板卡，基于四个平均滑动滤波的滤波方法，分别从四个方位采集脉冲宽度，脉冲宽度采集结果如图（2）所示.
图2 脉冲宽度
为解决速度波动问题，采用双霍尔速度进行采集，通过图3的对比可以发现，双霍尔通过两个滤波可以获得近似于单霍尔八个滤波的效果.另外，防夹时的双霍尔明显比单霍尔反应更快.
图3 单霍尔与双霍尔速度采样对比图
3.2 加速度
加速度分量主要由转速变化快慢来决定，本文只考虑串联上的模拟车窗的弹性系数.在实际防夹过程中，弹力系数K=K1*K2/(K1+K2).本文对10N/mm与20N/mm的测力计弹簧加速度差值进行比较，结果表明，整个弹性系数分别为8N/mm与13N/mm，够明显区别出10N/mm、20N/mm的弹簧，如图4所示.
图4 两种测力弹簧加速度差值比较图
4 仿真分析
本文基于MATLAB中Simulink仿真工具，实现系统的动态建模、仿真和分析.具体判断防夹力的方法如下：
图5 速度变化
图6 加速度变化图
2ms任务中调用防夹算法，Hall2_application_flag由 Hall2_interrupt_flag赋值，在void HallCapture2Hook(void)中操作.利用void HallCapture1Hook(void)计算位置与速度.在防夹反转过程需要判断电机运动的方向、停止位置，直接切换继电器，防夹过程中，为保证电压的平稳性及电压与速度波动的一致性，设置电压为0.1V，速度的波动如图5所示，加速度变化如图6所示.可以看出，防夹过程中速度是一直降低，加速度变化并不明显.
将电压设置到16V，通过脉宽变化识别弹簧，观察10N/mm与20N/mm测试力下脉冲宽度的变化，如图7，图8所示，可以看出，当速度变化达到8之后有一段平稳区域.能够识别出20N弹簧并保证防夹力小于75N的参数为7.6.对于10N弹簧，保证防夹力小于75N的参数为6.3.
图7 10N弹簧数据
图8 20N弹簧数据
5 总结
本文主要对纯电动轿车的车窗防夹算法进行分析研究，利用霍尔传感器来实时检测电机速度的变化，判断是否有故障发生，通过对防夹力的估算，当障碍物造成的防夹力大于我们设定的范围时实施防夹措施.即，继电器收到指令让电流反向流动，致使电机停转或反转，从而使车窗停止或下降.因此本文针对防夹力计算所涉及参数进行采集并利用Simulink工具进行仿真分析，结果表明，双霍尔的稳定性高于单霍尔，该算法能够适用于车窗的防夹和车窗防夹力的计算.
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TP273
A
1673-260X（2017）03-0039-02
2016-11-12
安徽新华学院校级（自然科学）科研项目：1×8硅纳米线阵列波导光栅的研制（2014zr020）
