基于房车双拓展舱控制系统及其防夹控制方法

贾天阳

（郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450000）

目前房车发展正处于迅速增长阶段，但由于车辆空间有限，行业中通用做法是在房车的左侧和后侧增加电动拓展舱，业内统称“双拓展”房车。而实际在展开和收回时，会出现车内部和外部夹伤人或者物的情况，存在安全隐患。国外目前采取的控制方式为电流检测和双路单霍尔电机控制，存在机构用久之后产生错位和不同步现象，导致无法收回和展开，并且不带防夹功能。国内目前所用的控制方式都是照搬国外，无任何改进。

1 房车拓展舱介绍

房车拓展舱系统是由电动拓展机构、行程导轨、电机及控制器组成，该机构是用来增加房车内部使用空间，是目前房车上普遍采用的扩展结构。应用范围涵盖拖挂房车、自行房车、专用车等各类带拓展舱机构的机动车辆等。图1为一种专用房车拓展舱实体图。

图1 C型房车拓展舱图

目前，适用于房车电动拓展机构的厂家面临主要问题是解决防夹力过大或者防夹力不可靠的问题，而该问题的核心是防夹控制器的控制策略和软件算法。现有拓展舱控制器一般由霍尔传感器、微控制器（MCU）、输入输出电路、电机驱动电路（继电器或MOS管）、电源电路、外壳、连接器以及拓展机构电机等部分构成，如图2所示。

图2 现有技术方案中防夹拓展舱控制器的结构示意图

行业现有拓展舱控制方式的实现方案有以下几种。

1）基于电流检测的防夹控制器的防夹方案，在拓展机构运行过程中检测电机电流，如果电流超过一定范围，则认为防夹，这对拓展舱机械结构要求较高，而体积大的拓展机构的精度是很难保证的，结果就会出现误防夹导致展开和收回不能到位。

2）检测电机堵转，是基于电流检测方式实现，在拓展舱控制器出厂前标定的堵转值，如果在运行过程中拓展舱堵转电流超过标定值，则认为防夹，这种方案MCU和电机在长时间的工作导致电机过热，缩短电机寿命，而且存在一定的缺陷，防夹力过大，容易夹伤乘车人员，可靠性差。

3）双路单霍尔电机控制比前两种方案从精度上要有明显优势，但是存在单霍尔定位在长时间运行后出现积累偏差，积累时间长误差偏大故障率较高，而且内部算法单一还是电流堵转的防夹，整个系统在安全上存在隐患。不是真正意义上的防夹功能。

另外方案中防夹控制器中都没有考虑振动路面、电机温度突变、电源电压、老化以及速度变化对防夹控制的影响，防夹力不可靠，容易出现误防夹，产品性能不可靠。

2 本文介绍的技术方案

2.1 防夹原理介绍

为了克服现有技术中算法单一、防夹力过大或防夹力不可靠、容易夹伤车内外部人员或物的不足，提供一种基于速度检测的拓展舱自适应防夹方法。拓展舱防夹可用以下公式描述：

式中：F——电机转动扭矩；F——拓展舱运行过程中摩擦力；F——拓展舱防夹力；C——电机常数。

电机转速与电机扭矩可用以下公式描述：

式中：S——电机转速；F——电机扭矩；C——电机常数；B——电机常数。

本防夹方法采用间接检测拓展舱运行速度的检测方式。拓展舱电机输出齿与机械传动机构是一个互锁的惯性系统，在拓展舱正常运行时阻力变化将反应到电机转速上。

防夹原理：由防夹公式（1）和（2）可知，通过检测电机转速变化可以间接检测到拓展舱运行阻力变化，由此可以判断拓展舱是否防夹。本防夹方法主要是检测拓展舱在运行时相邻位置的电机转速变化差值来检测拓展舱是否防夹，由防夹原理可知，相邻位置转速差可以转换为阻力差值，即阻力差与转速差是等价的，相邻位置指在ECU控制单元能分辨的最小单位到拓展舱最大行程之间，具体根据防夹需要来确定。

2.2 解决方案

本文介绍一种基于速度检测的电动拓展舱自适应防夹方法，ECU控制单元检测拓展舱在运行时的防夹力是否大于等于设定的防夹力阈值，当运行时的防夹力大于或等于设定的防夹力阈值时，则ECU控制单元判断为防夹，控制电机反转到指定位置；当防夹力小于设定的防夹力阈值时，则ECU控制单元判断为不防夹，控制电机按原来的转动方向继续转到指定位置。如图3所示。

图3 一种防夹拓展舱控制系统的结构示意图

2.3 自适应防夹算法

防夹算法根据拓展舱运行过程中相邻位置的阻力差值判断是否防夹，如果阻力差值大于等于防夹力阀值，判断拓展舱防夹，拓展舱电机将反转，将拓展舱转开到指定位置。防夹力阀值是综合各种条件共同计算得出。

优点：拓展舱环境温度变化会引起拓展舱整体运行阻力变化，但相邻位置的阻力变化不大，防夹算法检测是相邻位置的转速变化差，不是检测拓展舱绝对阻力变化，因此防夹算法对环境温度变化引起的阻力变化有适应能力。

对拓展舱老化、拓展舱变形、风阻引起的拓展舱阻力变化有适应能力。当上述阻力变化发生时，相邻阻力变化不大，因此对上述阻力变化有一定的适应能力。

对于输入信号不限于转速信号，也可以是电流、电压信号或功率信号。

具体的防夹方法流程见图4。

图4 方案的防夹方法流程图

步 骤1：ECU控制单元接收拓展舱Hall传感器检测的电机转速信号，计算拓展舱当前的运行方向和拓展舱的位置，判断拓展舱是否在防夹区域，如果拓展舱在防夹区域，则启用防夹功能，如果拓展舱不在防夹区域将不启动防夹功能，ECU控制单元控制电机按原来的转动方向继续转到指定位置。

步骤2：当拓展舱在防夹区域，ECU控制单元进行防夹力计算，所述防夹力计算包括ECU控制单元检测拓展舱在运行时相邻位置的电机转速差值，将相邻位置的电机转速差值根据公式转换为阻力差值，阻力差值作为拓展舱在运行时的防夹力。

步骤3：ECU控制单元将计算获得的阻力差值与设定的防夹力阈值进行比较，判断是否防夹。

为了提高防夹的可靠性，防夹方法由多种判断条件综合来判断拓展舱是否防夹。

防夹力校正，所述防夹力校正包括ECU控制单元根据电机工作电压和/或电机工作温度对阻力差值进行校正，校正后的阻力差值作为拓展舱在运行时的防夹力。

拓展舱电机转速与电机工作电压成正比关系，防夹力计算使用电机转速检测拓展舱阻力变化，电机工作电压变化会影响到电机转速，通过电源电压检测来检测电机工作电压的变化。

由于电机工作温度变化影响电机常数C，所以防夹力计算需要电机温度参与计算，消除或减少电机温度对防夹力的影响。电机工作温度数据是基于电机温升模型的软件计算方法得到。电机工作温度是指实际工作过程中实时的电机线圈温度。

所述电机工作温度指电机的实时温度，由电机环境温度传感器检测电机工作环境温度，ECU控制单元根据电机工作电压、电机工作电流计算电机的实时温度。

防夹力校正还包括ECU控制单元，根据车辆振动对阻力差值进行校正。根据车辆速度与拓展舱速度来检测车辆是否有较大振动，作为防夹力计算的一个附加参数，减少由于振动路面对防夹力的影响。

电机温度保护功能，当ECU控制单元检测到电机工作温度高于一定温度值T1时，ECU控制单元禁止拓展舱操作以保护电机；当ECU控制单元检测到电机工作温度降到一定温度值T2时，重新允许电机操作。电机温度保护功能可以防止电机过热损坏，以及对防夹力的影响。

防夹力阀值由防夹力计算模块计算产生，防夹力阀值根据拓展舱阻力阀值、电机工作电压、电机工作温度、车辆振动数据综合计算产生，消除或减少拓展舱阻力变化、电机工作电压、电机工作温度、车辆振动等因素对防夹力的影响。

拓展舱运行阻力阀值指ECU控制单元在拓展舱运行中检测到拓展舱相邻位置的阻力变化差值，差值大于一定阻力值则认为防夹，这个阻力值简称为阻力阀值。

ECU控制单元通过学习或标定的方法将拓展舱防夹区域阻力阀值及其位置保存在EEPROM内，学习或标定只记录大于阻力阀值的数据及位置作为防夹力计算的一部份，防夹力更为稳定，减少误防夹。上述方法不需记录所有拓展舱位置的阻力差值，可以节省MCU的RAM及EEPROM，降低对MCU的要求，降低控制器成本。

ECU控制单元判断电机是否转动到指定位置，如果转动到指定位置则结束，如果没有转动到指定位置则重复步骤直至电机转动到指定位置。

结合图3和图4，基于上述方法的一种防夹控制系统，包括拓展舱电机，用于驱动电机的继电器，继电器与电机控制系统连接，继电器还用于控制电源与电机的通断，Hall传感器用于检测电机转速信号输入到ECU，通过ECU内部的电机转速信号处理模块进行处理，电机转速信号处理指程序将Hall信号数据变换处理，将两路脉冲宽度信号转换为速度数据、方向数据和电流数据，处理后的转速信号分为3路：一路用于拓展舱位置处理模块，根据电机转速信号处理模块的处理结果判断拓展舱的位置及方向，反馈至电机控制系统；一路用于直接输入到防夹力计算模块；一路提供给历史数据模块进行保存，历史数据是一个先进先出数组，保存一段距离的Hall N个数据信息，最新一个数据保存在顶端，旧的数据顺序保存在下端。

历史数据模块输出的信号分为3路：一路直接提供给防夹力计算模块，一路提给拓展舱振动检测模块，一路提供给自适应防夹算法模块。拓展舱振动检测模块将数据与历史数据进行综合处理，结果提供给防夹力计算模块减少由于振动路面对防夹力的影响。拓展舱电机环境温度传感器将检测到的电机环境温度提供给ECU控制单元的电机线圈温度计算模块，其根据电机工作电压、电流计算电机线圈的实时温度，即电机工作温度；电机工作温度一路提供给防夹力计算模块，一路提供给电机温度保护模块，电机温度保护模块根据温度值提供给电机控制系统过热保护或正常温度工作的信号；防夹力计算模块根据各个模块提供的电机转速信号、电机工作电压、电机工作温度、历史数据以及拓展舱振动检测信号进行防夹力计算。用于存储拓展舱所需数据的EEPROM(非易失性存储器)及学习和标定模块，在ECU学习或标定数据时将拓展舱阻力数据和标定数据写入EEPROM，在拓展舱运行时读取EEPROM数据参与拓展舱控制及防夹力计算，同时，按照一定规则将EEPROM中存储的数据进行更新，以便下次判断时使用，使防夹力更加稳定。自适应防夹算法模块根据历史数据和防夹力计算模块提供的防夹力计算相邻位置防夹力阈值和防夹力，通过比较其大小判断是否防夹，以提供给电机控制系统信号，控制电机的转动方向。

3 结束语

本方案提供的一种基于速度检测的电动拓展舱自适应防夹方法，采用相邻位置阻力差值来计算防夹力适应各种不同的情况，防夹力比较稳定。防夹力计算采用自适应算法与学习和标定算法相结合，对拓展舱机构的精度要求较低，提高防夹力的精度和准确度，而且只记录防夹区域阻力突变的位置信息，能节省存储空间，计算量较小，对MCU要求较低，且使用电机工作电压、电机工作温度、阻力阈值以及速度和振动检测等多种附加条件综合共同判断防夹力，抗干扰能力强，提高了可靠性。