logo资料库

车窗升降控制器的防夹测控算法.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共7页
第2页 / 共7页
第3页 / 共7页
第4页 / 共7页
第5页 / 共7页
第6页 / 共7页
第7页 / 共7页
资料共7页，全文预览结束
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 车窗升降控制器的防夹测控算法 王晓明，韩阳，任少义，王丹，雷涛，孙金玮* （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001） 摘要：首先给出车窗升降传动系统模型并进行参数计算，并就电动机–减速器–旋转直线变换 –车窗及其升降轨道系统的结构建立模型和进行参数计算，特别给出旋转霍尔脉冲–车窗提升 当量的表达式。给出电流检测法、电流纹波检测法和旋转脉冲的加速度检测法以及混合算法 的系统结构，通过对比说明各种算法和系统的优缺点。 关键词： 永磁直流电机；车窗升降；防夹算法 中图分类号：TM331+ Control algorithm of controller for anti-pinch window lift Wang Xiaoming, Han Yang, Ren Shaoyi, Wang Dan, Lei Tao, Sun Jinwei (College of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) Abstract: The window lift drive system model and parameters of calculation are given, and modeling and calculation parameters for the motor – Turbo worm reducer - rotating linear transformation - the windows lift track system architecture, in particular given the expression of Hall pulse－distance of windows lift. The system architectures are given based the current detection method, the current ripple detection method, the acceleration detection method of rotation pulse and the hybrid algorithm. By comparing the advantages and disadvantages of various algorithms and systems are shown. Key words: permanent magnet DC motor; windows lift; anti-pinch algorithm 0 引 言 现代汽车技术是人类科技和文明发展的一个缩影，包括车窗升降的防夹控制技术在内， 汽车电子技术取得令人瞩目的发展。在汽车车窗夹力检测和防夹控制算法及系统的研究方 面，国内相关研究与国外差距较大，许多技术空白有待填补。 笔者首先给出车窗升降系统的结构，依据传动系统的结构和固有参数进行车窗提升力 计算，接着就电动机–减速器–旋转直线变换–车窗及其升降轨道系统的结构建立模型和进行 参数计算，特别给出旋转霍尔脉冲–车窗升降当量的表达式。文中给出电流检测法、电流纹 波检测法和旋转脉冲的加速度检测法以及混合算法的系统结构，并进行了算法说明。 在轿车整体电子控制优化、驾驶员/乘客更加安全可靠操作、可视化人性化的发展背景 下，可以预见车窗防夹控制技术将有飞跃的发展，这方面还有大量的工作要为之努力。 1 车窗升降传动系统的模型和参数计算 任何一款汽车的车窗都有升降驱动系统，在采用电气驱动的情况下，通常通过升降按钮 控制驱动电机的正反转，实现车窗的升降驱动，在具体操作上又分为点动升降——即升降持 续时间由操作者按键的时间决定，释放按键则车窗停止运动，持续一定时间的长时按键，车 窗将会一直到顶或一直到底。防夹车窗则根据在防夹区域内夹持力的设定值，达到该设定值 时车窗实现自动下降，使夹力得到释放[1]。下降的位置大体上分为夹力到安全值就停止和下 作者简介：王晓明（1958—），男，教授，主要研究方向：电力电子与电力传动. E-mail: xmw2002@163.com - 1 -
    中国科技论文在线 降到某一位置停止 2 种形式。 1.1 车窗升降系统的结构 http://www.paper.edu.cn 车窗防夹控制系统由直流电机、减速器、旋转–直线运动变换装置、车窗滑道和相关橡 胶构件(如呢槽、橡胶条)等构成[2-3]，如图 1 所示。图 2 为某车窗升降系统实物照片。 图 1 车窗升降系统结构图 Fig. 1 Window lift system structure 图 2 实际的车窗升降系统 Fig. 2 Actual window lifting system 1.2 传动系统的结构和主要参数及其计算 1.2.1 传动系统的结构和固有参数 传动系统由减速器、涡轮涡杆和卷扬轮组成。 主动轮齿数 1 1 Z = ；从动轮齿数 2 Z = ；传动比 70 ZK = 2 Z 1 = ；涡轮涡杆传动机械效率 70 0.4η = ；卷扬轮半径 0.0255 r = 2 1.2.2 动力及运动系统的参数计算 m；钢丝绳卷扬轮效率 3 0.8η = ；窗滑轨效率 4 0.8η = 。 L = 1)电动机的驱动力和车窗提升力 若：电机平均电感 1.5 N = A，电机空载转速 max sI = 0.497 A，电机堵转电流 P UI= 43.4 = 则：电机输入功率 1 I = 流 3.2 I = 20.8 0 mH，电枢电阻 R = 0.677 7214 r/min，电机效率 1 Ω，电源电压 η = 0.69 U = 13.5 V，马达电 ，电机空载电流 A。 P W，电机的输出功率 2 Pη= 1 1 = 30.1 W，涡轮功率 - 2 -
    中国科技论文在线 P 3 Pηη= 12 = 1 1 2 TF η= 2 3 1 提升力 W，卷扬轮上的钢丝绳及车窗升降线速度 = 40.4 N。 r http://www.paper.edu.cn 2π N r 2 v = 1 60 = 0.24 m/s，车窗 2)传动系统的转矩和转速 ①传动系统的转矩变化 输出转矩为 P 2 T 1 = N 2π 1 ⎛ ⎜ ⎝ ⎞ ⎟ ⎠ 60 = 0.05 T N·m，涡轮及卷扬轮扭矩 2 T Kη= 2 1 = 1.29 N·m。 ②传动系统的转速变换 I I 电机转速为 N 1 N max = 0 0 − − I I s = 6247 r/min，涡轮及卷扬轮转速为 N 2 = N 1 K = 89.2 r/min。 2 直流电机升降车窗的运动模型和旋转脉冲当量 2.1 永磁直流电机升降车窗的运动模型 1)永磁直流电机的电路和机械方程 u t ( ) J ， = + + L e t ( ) Ri t ( ) i d t d ( )e t Ω( )t ， e T K i t T ( ) ， e d Ω t d K= = − Ω( )t 。 T e B = 式中：u(t)为电枢电压（V）；e(t)为反电势（V）；i(t)为电枢电流（A）；R 为电枢内阻（Ω）； L 为电枢电感（H）；Te 为电磁转矩（N·m）；J 为转动惯量（N·m/（rad·s-2））；B 为黏滞 摩擦系数（N·m/（rad·s-2））；Ω 为电机转速（rad/s）；Ke 为电势常数（V/（rad·s-1））； KT 为转矩常数（N·m/A）。 2)拉普拉斯变换表达式 U s ( ) = LsI s ( ) ， + E s ( ) + K= ( )E s T K= e s ( ) Ω = RI s ( ) Ω ( )s ， e Ω ( )s ， T T B e Ω ( )s 。 Js 3)在电动机的机械输出端 T L ( M r n T 1 = 进行拉普拉斯变换，得到 T 0 + ， T L + Ω( )t ， T = e T B = 1 D d ′′ t d ′′ + F v D d t d + F M g + s ) 。 (1) T L = T B 1 + Ω ( )s ， - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1 nT − r Ms D = s F M g + − F s v 2 。 式中：TL 为负载转矩（N·m）；T1 为负载转矩中与转速无关的分量（N·m）；r 为卷扬轮半 径（m）；n 为机械传动比；M 为车窗质量（kg）；Fv 为滑动摩擦系数（N/(m·s-1）)；Fs 为 静摩擦力（N）；D 为车窗位置（m）； g 为重力加速度（9.81m/s2）。 将直流电机电枢回路与机械动力回路方程结合，得到 K T U E Ls R − + D = 2.2 旋转霍尔脉冲-车窗提升当量 − M B T − Ω − 0 2 F s v + s F M g − s 。 (2) 为了检测车窗的位置和进行速度计算，电机轴上装有径向充磁的多极磁环，车窗升降控 制器的霍尔元件检测磁极的位置，每经过 1 个磁极发出 1 个脉冲。记 K 为减速传动比，K1 为每转霍尔脉冲数，r 为卷扬轮半径，那么归算到负载侧的脉冲转（每脉冲圈数）为 1 ( )KK 1 则脉冲当量 L p = 2πr KK 1 0.572 。 (3) 若 K = ， 1 70 4K = ， 0.0255 r = m，则 p L = mm，也就是说电动机每旋转 1 转，车 窗升降 2.288 mm。 上述分析表明：①车窗升降系统是一个由电动机提供动力，通过涡轮涡杆减速器和卷扬 轮实现减速和增大提升力的旋转–直线变换系统；②根据所采用的永磁直流电机主要参数和 其电路方程和机械方程可以得到表征以电动机和传动机构为主题所构成的汽车车窗防夹系 统模型，可用于进行理论分析和仿真计算；③所进行的动力及传动系统参数计算结果，特别 是转轴旋转检测霍尔脉冲–车窗升降行程的脉冲当量，是防夹系统的控制和软件编程的基础。 3 车窗夹力的测控算法和仿真分析 根据遵循标准的不同，车窗夹力有不同的设定值，比如欧标规定的 80 N 和美标规定的 85 N[4-5]。我国的车窗防夹系统 2 种设定值都有采用，这个防夹力确定了车窗升降控制系统 在防夹区域达到防夹力时实现车窗下降的阈值，而实现夹力的正确和准确判断则取决于防夹 算法[6]。 3.1 电机电流和旋转霍尔脉冲检测的方法 这种系统的结构如图 3 所示。 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 电流和旋转霍尔脉冲检测的车窗防夹控制系统框图 Fig. 3 Spin hall current and pulse detection window pinch control system block diagram 1) 用取样电阻进行电机电流检测，对某种类型车窗的背景力进行标定，在此基础上 根据标准要求，确定防夹力与电机电流的对应关系，检测电机电流的改变作为防夹判据； 2) 霍尔脉冲用于检测车窗的位置是否运行在防夹范围之内，以及车窗运行在底部和 顶部两个端点位置，即是否处于启动和堵转状态； 3) 电机电流的检测只需要确定其平均值的变化（幅值和形态）就可完成夹力判定和 控制策略的制定； 4) 该方法具有车窗防夹测控的充分必要条件——夹力和位置的检测，并且可以用霍 尔脉冲计算速度和加速度，作为对电流检测结果的补充判定，系统可在多重冗余的方式下工 作，具有相当高的可靠性； 5) 硬件成本较高。 3.2 只采用电流检测的方法（电流纹波检测法） 这种系统的结构如图 4 所示。 图 4 电流纹波检测的车窗防夹控制系统框图 Fig. 4 Current ripple detection control system block diagram window pinch 1) 硬件结构上去掉了霍尔脉冲检测部件，降低了相应的成本； 2) 通常采用的一对电刷、绕阻并联支路对数为 1 的直流电机电路结构。设电机换向器 的换向片数为 k，电流纹波频率为电机转速 n 的 k 倍，即纹波频率 fi = kn ，电流纹波由绕阻 电流换向所造成，其形态由换向电流是否为直线、超前、滞后所决定[7]； 3) 电流纹波中包括下述信息：转速信息、积分之后的位置信息、微分之后的加速度信 息，电流平均值检测的作用与前述的夹力/电流判断判据相同； 4) 通过对这种形态的纹波进行计算机的数字化处理，可将之视为脉冲波，得到与霍尔 脉冲检测几乎相同的信息，再进行处理和使用； 5) 防夹判据与前述的电流平均值检测方法相同，但位置和速度的检测靠纹波脉冲的计 - 5 -
    中国科技论文在线 算实现，同时后者也可用于防夹的冗余判断； http://www.paper.edu.cn 6) 该结构的技术难点在于电流纹波检测中的干扰毛刺的滤除，这些毛刺与电机电刷、 换向器之间的接触和电腐蚀状况以及换向时前刷端和后刷端的放电状况有关，并随着电机运 转时间的增长而产生变化，一般来讲，毛刺会变大，使对毛刺的滤除变得困难，而这将影响 防夹车窗运行的可靠性。 3.3 完全采用霍尔脉冲检测（加速度法）的方法 这种系统的结构如图 5 所示。 Fig. 5 Current ripple detection control system block diagram window pinch 图 5 电流纹波检测的车窗防夹控制系统框图 1) 该结构和方法因为去掉了电流检测单元，降低了相应的成本，简化了电路结构，免 除了因为处理换向噪声（即纹波上叠加的高频毛刺）所带来的各种麻烦； 2) 要从所检测到的霍尔脉冲中得到位置、速度和加速度信息，从而确定车窗是否在防 夹区间，根据速度和加速的变化建立起与夹力变化的关系作为判据进行测控。 3.4 混合算法 混合算法系统与图 3 结构相同，结合了电流和加速度检测 2 种算法[8]，算法软件较复杂， 测控有冗余，使系统的可靠性大大的增强，大幅降低了系统对复杂路况的误判的可能性。 4 结 论 建立了车窗防夹测控系统的模型，特别对轿车车窗升降永磁直流电动机传动系统的模 型、传递函数和参数计算，以及夹力测控算法进行了分析；分析对比了电流检测法、电流纹 波检测法和旋转脉冲加速度检测法以及混合算法的优缺点。 车窗防夹控制系统是一个要求在电压、环境条件、气候变化、装置老化及复杂路况等多 种变量和扰动作用下均能可靠安全工作的复杂控制系统，其防夹力的测控算法和防止误防夹 以及异常诊断抗、干扰等是关键技术，国内相关研究需要进一步深化和完善。 [参考文献](References) [1] 柳为. 电动车窗[J]. 汽车实用技术, 2003(9): 25-27. Liu Wei. Electrical window [J]. Shaanxi Auto, 2003(9): 25-27.(in Chinese) [2] Atmel. AVR480:Anti-pinch system for electrical window [J]. AVR Microcontrollers Application Note, 2006, 12: 70-77. [3] 徐宗炯, 马生宝, 王坤东, 等. 本田 (HONDA) 奥德赛 (ODYS2SEY) 轿车电路—电动车窗控制系统 [J]. 汽车电器, 2005(11): 15-21. Xun Zoujiong，Ma Shengbao，Wang Kundong，et al. HONDA ODYS2SEY car circuit—the electrical window control system [J]. Auto Electric Parts, 2005(11): 15-21.(in Chinese) [4] 刘晓明, 邵亚辉, 吴浩威, 等. 无传感器汽车车窗防夹设计[J]. 微电机, 2007(4): 48-50. - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Liu Xiaoming，Shao Yahui，Wu Haowei，et al. Design of car window antitrapping without sensor [J]. Micromotors Servo Technique, 2007(4): 48-50.(in Chinese) [5] Lee Hye-Jin, Ra Won-Sang, Yoon Tae-Sung, et al. Robust pinch estimation and detection algorithm for low-cost anti-pinch window control systems [C]// Thirty-First Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Raleigh, North Carolina, USA, 2005(3): 2-4. [6] 吴海燕, 吴志红, 朱元, 等. 车门控制模块的电动车窗的设计[J]. 今日电子, 2006 (9): 45-46. Wu Haiyan，Wu Zhihong，Zhu Yuan，et al. Design window lifter of door control modules [J]. Electronic Products, 2006(9): 45-46.(in Chinese) [7] 汤蕴璆, 史乃. 电机学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1999: 77-82. Tang Yunqiu，Shi Nai. Electrical motor [M]. Beijing: China Machine Press, 1999: 77-82.(in Chinese) [8] Krueger S, Grace R. New challenges for microsystems-technology in automotive application[J]. Mstnews， 2001(1): 4-7. - 7 -
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料