４ 　　　　　　　　Ｈｉｇｈｗａｙｓ　＆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　　　　　　 　　　　　　　　 总第 １６５ 期 　 　　　　　 　 　 　 　 公 路 与 汽 运 基于 ＭＡＴＬＡＢ 的轿车电动天窗防夹 系统建模与仿真 李岳林，谢安平，龚宏义，刘宝杰 （长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 　４１０００４） 摘要：根据轿车电动天窗运行的安全性和稳定性 要 求，在 分 析 电 动 天 窗电 机 数 学 模 型 的 基 础 环境下建立轿车电 动 天 窗 防 夹 控 制 系 统 仿 真 模 型，该 模 型 以 自 适 应 模 微分）控制器调节电机速度，利用速度计算天窗位置，同时利用设置的速度阈 上，在 糊 值判断是否启动防夹程序；通过对电动天窗防夹系统模型进行仿真，验证了该模型的可行性。 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ＰＩＤ（比例 积分 － － 关键词：汽车；电动天窗；防夹系统；无刷直流电机；自适应模糊 ＰＩＤ（比例 － 积分 微分） － 中图分类号：Ｕ４６３．８５　　　　　　　 文献标志码：Ａ　　　　　　　 文章编号：１６７１－２６６８（２０１４）０６－０００４－０５ ， ， 电动天窗作为 轿 车 内 部 的 一 个 重 要 部 件 给人以明亮的环境 ， 它 既 　　 能提高车内部的光线强度 又可 ； 以加强车内空气与 车 外 空 气 对 流 提 高 车 内 空 气 质 量 有效提高驾 乘 人 员 的 舒 适 度 然 而 电 动 天 窗 在 ， 。 自动关闭时有夹伤 人 员 的 危 险 而 且 越 来 越 多 的 报 道指出电动天窗会造成车内人员特别是小孩的误夹 该 文 对 电 动 天窗 防 夹 系 统 进 行 伤 。 仿真工具实 现 对 天 研究 窗防夹系统的建模与仿真 针对这一问题 利用 ， ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ， ， 。 轿车电动天窗防夹方案设计 １　 ， 防夹是指天窗在自动关闭过程中夹住物体 并 以 且达到一定的力度 之 后 天 窗 能 够 自 动 重 新 开 启 为了实现轿车电动天 尤其是人 防止物体 （ 同时避免车 辆 颠 簸 或 传 动机 构 老 化 而 产 生 窗防夹 ， 的阻力造成误防夹 只有 ， 当天窗进入防夹区域且受到的阻力达到设置的防夹 设 力 阈 值 时 才 启 动 防 夹 程 序 需设置防夹区域和防夹力 ， 根 据 上 述 防 夹 原 理 被夹伤 ） ， 。 。 ， 计图 １ 所示防夹系统方案 。 连接器 控制器 继电器 电机 霍尔传感器 图 霍尔脉冲检测法轿车电动天窗防夹系统框图 １　 防夹区域的确定 通过对霍尔脉冲信号周期的 计算得到电动天窗行驶的距离 。 防夹力的判断 ： 判断遭遇阻力的大小 ： 。 通过对霍尔脉冲宽度的检测来 电动天窗防夹系统数学模型 ２　 永 磁 无 刷 直 流 电 动 机 是 一 种 新 型 的 直 流 电 动 它利用永磁体转 子 取 代 普 通 有 刷 直 流 电 动 机 定 ， 用电子换 ， 无刷直流电机主要由 机 子磁极 向器取代机械换向器和电刷 电动机本体 用具有多相绕组的定子取代电枢 ， 位置传感器和电子开关三部分组成 、 。 。 永 磁 无 刷 直 流 电 机 等 效 电 路 如 图 所 示 ２ ，Ｒ、 Ｌ 櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙 ［３］　Ｄｕｒｅｔ　Ｐ，Ｌａｖｙ　Ｊ，Ｖｅｎｔｕｒｉ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｃｉｐ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｌｏｗ－ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｓｍａｌｌ　ｔｗｏ－ｓｔｒｏｋｅ　ｅｎｇｉｎｅｓ ［Ｒ］．ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ，１９９９． ［４］　Ｈｏｕｓｔｏｎ　Ｒ，Ｃａｔｈｃａｒｔ　Ｇ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ［６］　 ［７］　 ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｏｒｂｉｔａｌ′ｓ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ　ｍｕｌｔｉ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｉｎｊｅｃｔｅｄ　４－ｓｔｒｏｋｅ ｅｎｇｉｎｅｓ［Ｒ］．ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ，１９９８． ［８］　 ， 于 京 诺 ｅｎｇｉｎｅ［Ｒ］．ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ，２００７． 凌永 成 北京大学出版社 京 ： 张 戟 基 于 汽 车 电 子 控 制 技 术 ，２００６． 的 ． ［Ｍ］． 周华 ＰｏｗｅｒＰＣ ． 孙 泽 昌 ， 北京 电子工业出版社 ： 张晓辉 ， 韩 玉 环 ， ． 客车技术与研究 （ＧＤＩ）［Ｊ］． ３２ ，２０１０． ，２００７（４）． 第 ［Ｍ］． ２ 版 北 ． 位 微 控 制 器 原 理 汽 油 机 缸 内 直喷 稀 薄 燃 烧 技 术 ［５］　Ｂｏｒｅｔｔｉ　Ａ，Ｊｉｎ　Ｓ，Ｚａｋｉｓ　Ｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｎｕ－ ｍｅｒｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｎ　ａｉｒ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｆｕｅｌ　ｉｎｊｅｃｔｏｒ　ｆｏｒ　ａ　ＤＩＳＩ 收稿日期 ：２０１４－０８－０８ 

　２０１４ 年 第 期 ６ 李岳林，等：基于 ＭＡＴＬＡＢ 的轿车电动天窗防夹系统建模与仿真 　 ５ 分别为电枢绕组的电阻和电感 定的规律不断换相 通 直 流 电 时 生交变的磁场 磁场中切割磁感应线而产生感应电动势 当电枢绕组按照一 在 电 枢 导 体 周 围 产 同时电枢导体在交变的 ， 使转子旋转 ， 。 ， 。 Ua + - U Ub R R Uc R L-M L-M L-M +- ea +- ea +- ea 图 ２　 永磁无刷直流电机等效电路图 轿车电动天窗使用永磁无刷直流电动机 根据 直 流 电 动 机 的 电 压 平 衡 。 电磁学原理和物理 学 原 理 方程为 ： ， Ｕ（ｔ）＝ＲＩ（ｔ）＋（Ｌ－Ｍ）ｄＩ ｄｔ 感应电动势方程为 ： ＋Ｅ（ｔ） Ｅ（ｔ）＝ｋｅｎ（ｔ） 电磁转矩方程为 Ｔｅ（）ｔ ＝ｋｍＩ（ｔ） 转矩平衡方程为 ： ： （１） （２） （３） Ｊ ｄｎ ｄｔ ＝Ｔｅ（ｔ）－ＴＬ（ｔ）－ｆｎ（ｓ） 为 输 入 电 压 ：Ｕ（ｔ） 式中 为电枢回路总电流 电动势 ；Ｌ 为感应 电 动 势 系 数 为 电 枢 回 路 总 电 阻 ；Ｒ 为电枢回路总电感 ；ｎ（ｔ） ；ｋｅ 为电磁力矩 为电 磁 转 矩 系 数 ；ｋｍ 为 电 机 负 载 转 矩 ；ｆ Ｔｅ（ｔ） 轴转 动 惯 量 数 。 ；ＴＬ ；Ｅ（ｔ） ；Ｉ（ｔ） 为反 为 电 动 机 转 速 ； 为 电 动 机 为 电 机 阻 尼 系 ；Ｊ Scope1 对式 （１）～（４） 作拉氏变换 得电压平衡方程 ， ： Ｕ（ｓ）＝ＲＩ（ｓ）＋（Ｌ－Ｍ）Ｉ（ｓ）Ｓ＋Ｅ（ｓ） 感应电动势方程 ： Ｅ（ｓ）＝ｋｅｎ（ｓ） 电磁转矩方程 ： Ｔｅ（）ｓ ＝ｋｍＩ（ｓ） 转矩平衡方程 ： ＪＳｎ（ｓ）＝Ｔｅ（ｓ）－ＴＬ（ｓ）－ｆｎ（ｓ） 将式 ： 进行合并化简 得 ， （５）～（８） Ｕ（ｓ）＝ＲＩ（ｓ）＋ ｋｅｋｍＩ（ｓ）－ＴＬ（ｓ） ＋（Ｌ－ ＪＳ＋ｆ Ｍ）Ｉ（ｓ）Ｓ （５） （６） （７） （８） （９） ： ， 。 ＴＬ 因 此 增大时 （９） ， 对于一个确定的电机系统 电流也会相应增大 ， 电枢两端电压 ， 从 式 电机 、 　　 可 得 当 负 载 转动惯量也是确定 的 力矩 即天窗在关闭 过程中遇到障碍物 导 致 电 机 遇 到 的 外 界 阻 力 增 大 ， 转速降低 设置合理的阈 ， 通过霍尔信号脉 宽 或 电 流 来 判 断 车 窗 夹 物 力 的 值 ， 大小 以此来决定天窗是 ， 否启动防夹程序 与所设置的阈值进行比较 ， 这里采用转速判定法 电流增大 ， 根据这一特性 。 。 。 防夹系统仿真 ３　 ３．１　 模型的建立 根据前述防 夹 方 案 及 系 统 数 学 模 型 中建立仿真 模 型 在 ， Ｓｉｍｕ－ 要 求 该 模 型 能 实 现 在 没 有 夹 在 防 夹 区 转 速 低 于 或 在 防 夹 区 转 速 大 于 其中永磁无刷直流 、 。 转 速 由 自 适 应 模 糊 控 制 器 调 节 ＰＩＤ 以 提 高 系 统 的 稳 ） 仿 真 模 型 主 要 由 电 机 本 体 模 块 ， ， ｌｉｎｋ 物时控制电机转速 平 稳 运 行 、 等于设定阈值时控 制 电 机 反 转 设定阈值时控制电机平稳运行 电机转速采用双 闭 环 控 制 比例 （ － 定性与响应速 度 逆变器模块 控制器模块等组成 微分 积分 ， － 。 电 流 滞 环 控 制 模 块 和 自 适 应 模 糊 、 、 ＰＩＤ 如图 （ ３ 所示 ）。 +- dV Ir Subsystem （４） Step1 K- 1 s Gain Integrator Iar Ibr Icr Ir 速度差值 距离 theta 参考电 流模块 Iar Ibr Icr Ia Ib PWM PWM Ua Ub Ic 电流滞环模块 theta Uc 电子换向模块 Ia Ib Ic n Ua Ub Uc TL theta 电机本体模块 Step Switch Step3 Step4 图 ３　 电动天窗防夹系统仿真模型 电机本体模块 ３．１．１　 由图 ２ 电机本体模块 如图 （ ４ 所示 ）。 电机正反转控制模块 ３．１．２　 给出的电机 模 型 与 式 建 立 无 刷 直 流 （５） 电机正反转控制模块的输入为三相参考电流和 控 通 过 转 速 差 信 号 切 三相实际电流 制信号 与天 窗 行 驶 的 距 离 联 合 控 制 初 始 的 输出为触发逆变器的六路 在该模块中添加 两 个 ＰＷＭ 函 数 ， 。 Ｓ ， ＰＷＭ 

６ 　　　　　 公 路 与 　 　 汽 　 运 　 　　　　　　　　　２０１４ 年 月 　 １１ 换 从而实现电机的正反转控制 ， 如图 （ 所示 ）。 ５ 直流电机提供三相电压的目的 如图 （ 所示 ）。 ６ ３．１．３　 逆变器模块 根据电流滞环控制模块输出 逆变器模块的作用首先是实现电流滞环控制 。 然后根 据 实 现 无 刷 直 最终达到为无刷 ， 控制信号 改 变 被 控 电 源 的 频 率 产生方波电压 ， ＰＷＭ 信号 ＰＷＭ 流电机的正确换向 ， ， 自适应模糊 控制模块 ＰＩＤ ３．１．４　 自适应模 糊 控制的 ＰＩＤ 整 有良 好 的 静 控 制 的 优 点 、 控 制 器 利 用 模 糊 控 制 实 时 调 使被控对象具 ， 三个参数 结 合 了 模 糊 控 制 与 ＰＩＤ Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ 动 态 性 能 ， ＰＩＤ 。Ｋｐ ＝２　８，Ｋｉ＝９，Ｋｄ ＝０．０　２；Δｋｐ 、 + - Add + - Add1 + - Add2 + - - Add6 + - - Add7 + - - Add8 1/（L-M） -K- 1 s Gain Integrator 1.2 1/（L-M） Gain1 -K- 1 s Gain2 Integrator1 1/（L-M） 1.2 Gain3 -K- Gain4 1 s Integrator2 1 Gain5 1 Ia 2 Ib 3 Ic 1 Ua 2 Ub 3 Uc 1/3 Gain6 + - Add5 1/3 Gain7 0.418 Constant + + + Add3 + + + Add4 × a Product 1 s theta Integrator4 theta b myfunction c 反电动势 × Product1 7 theta a b theta myfunction c 反向 5 速度差值 图 ４　 电机本体模块 >= Switch1 >= Switch2 × Product1 a 6 距离 b theta myfunction c 正向 4 Ir × Product × Product2 图 ５　 电机正反转控制模块 × Product2 × Product3 + + + + - 1/J -K- 1 s W 1 s Add9 - Gain8 Integrator3 Integrator5 5 theta × Product4 4 TL Add10 B -K- Gain9 -K- Gain10 4 n + - Add + - Add1 + - Add2 1 Ia 2 Ib 3 Ic Relay Relay1 Relay2 NOT Logical Operator NOT Logical Operator1 NOT Logical Operator2 1 PWM 

　２０１４ 年 第 期 ６ 李岳林，等：基于 ＭＡＴＬＡＢ 的轿车电动天窗防夹系统建模与仿真 　 ７ 1 iref(6) PWM 2 theta theta PWM a b c d e f 位置信号 Continuous powergui AND Logical Operator AND Logical Operator1 AND Logical Operator2 AND Logical Operator3 Convert Data Type Conversion Convert Data Type Conversion1 Convert Data Type Conversion2 Convert Data Type Conversion3 AND Convert Logical Operator4 Data Type Conversion4 AND Convert Logical Operator5 Data Type Conversion5 g A B C + - Universal Bridge pusel + DC Voltage Source + - V Voltage Measurement + - V Voltage Measurement1 + - V Voltage Measurement2 1 Ua 2 Ub 3 Uc Δｋｉ、Δｋｄ 为 模糊规 则 如 表 量 化 因 子 ［－３，＋３］； 所 示 ；ＥＣ、Ｅ １ ｋｅ＝０．００２，ｋｅｃ＝０．００１； 图 ６　 的 基 本 论 域 比 逆变器模块 例因 子 的 输入为参考转速与实际转速差 ｋｐｐ ＝１．２，ｋｐｉ＝０．６５，ｋｐｄ ＝０．００６。 该 模 块 输出为参考电流 ， 表 １　Δｋｐ、Δｋｉ、Δｋｄ 的模糊控制规则 Ｅ ＮＢ　 ＮＭ　 ＮＳ　 ＥＣ ＺＯ　 ＰＳ　 ＰＭ　 ＰＢ ＮＢ　 ＰＢＮＢＰＳ　 ＰＢＮＢＮＳ　 ＰＭＮＭＮＢ　 ＰＭＮＭＭＢ　 ＰＭＮＳＮＢ　 ＺＯＺＯＮＭ　 ＺＯＺＯＰＳ ＮＭ　 ＰＢＮＢＰＳ　 ＰＢＮＢＮＳ　 ＰＢＮＭＮＢ　 ＰＢＮＳＮＭ　 ＰＭＮＳＮＭ　 ＺＯＺＯＮＳ　 ＺＯＺＯＺＯ ＮＳ　 ＰＭＮＢＺＯ　 ＰＭＮＭＮＳ　 ＰＭＮＳＮＭ　 ＰＳＮＳＮＳ　 ＺＯＺＯＮＳ　 ＰＳＰＳＮＳ　 ＰＳＰＳＺＯ ＺＯ　 ＰＭＮＭＺＯ　 ＰＭＮＭＮＳ　 ＰＳＮＳＮＳ　 ＺＯＺＯＮＳ　 ＮＳＰＳＮＳ　 ＮＳＰＭＮＳ　 ＮＭＰＭＺＯ ＰＳ　 ＰＳＮＭＺＯ　 ＰＳＮＳＺＯ　 ＺＯＺＯＺＯ　 ＰＳＮＳＺＯ　 ＮＭＰＳＺＯ　 ＮＭＰＭＺＯ　 ＮＭＰＢＺＯ ＰＭ　 ＰＳＺＯＺＯ　 ＺＯＺＯＰＳ　 ＮＳＰＳＰＳ　 ＮＭＮＭＰＳ　 ＮＭＮＭＰＳ　 ＰＢＰＳＰＳ　 ＮＢＰＢＰＢ ＰＢ　 ＺＯＺＯＰＢ　 ＺＯＺＯＰＭ　 ＮＭＰＳＰＭ　 ＮＭＰＭＰＭ　 ＮＭＰＭＰＳ　 ＮＢＰＢＰＳ　 ＮＢＰＢＰＢ 所示 如图 （ ３．２　 ）。 ７ 仿真结果 利用上述仿真模型对轿车电动天窗防夹方案进 电 机 定 子 相 绕 组 为 ０．００２　６７ Ｈ； １．２ Ω； 反电势系 极 对 ： 仿真参 数 如 下 ， 行仿真 定子相绕组自感与互感差为 数 数 直流电源电压为 Ｋ＝０．０８６； Ｐ＝１； 转动 惯 量 速度阈值为 ０００ｒ／ｍｉｎ； 正常运行 ２ｓ 即进入防夹区域 。 Ｊ＝０．００２　５ｋｇ·ｍ２； ３００Ｖ； 电机额定转速为 ２ 并且假定天窗 １　８００ｒ／ｍｉｎ， 天窗正常运行时没有受到夹力 天窗运行进入 、 防夹区受到夹力但夹力 不 超 过 设 定 阈 值 度不低于设定阈值 ）、 且夹力超过设定阈值 种工况下电机 即运行 速 度 低 于 设 定 阈 值 （ 转速波形如图 即 运 行 速 天窗运行进入防夹区受到夹力 所示 （ ）３ ０～４ｓ ８～１０ 。 ８ 从图 可知 防夹系统响应快且运行平稳 ， 情况下 大图中得到系统稳态误差在 天窗正常运行时没有受到夹力的 并且从局部放 ， 以内 ： ０．２％ 。 从图 可知 ９ ： 天窗进入防夹区受到夹力但夹力 防 夹 系 统 能 快 速 控 制 电 不超过设定阈值的 情 况 下 机转速恢复稳定状态 ， 。 

８ 　　　　　 公 路 与 　 　 汽 　 运 　 　　　　　　　　　２０１４ 年 月 　 １１ 1 dV -K- Gain Saturation1 dU/dt -K- Derivative1 Gain1 Saturation Fuzzy Logic Controller 25 Constant 0.9 Gain2 7 Constant2 0.6 Gain3 0.02 Constant3 -K- Gain4 + + Add1 + + Add2 + + Add3 Scope19 Scope1 Scope2 × Product × Product1 1 s Integrator Limited × dU/dt Product2 Derivative2 + + + Add 1 iref Saturation2 图 ７　 模糊 ＰＩＤ 控制模块 ） 1 - n i m r· （ / n 速 转 机 电 2 200 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 时间 t/s ） 1 - n i m r· （ / n 速 转 机 电 2 200 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 时间 t/s 图 ８　 电机 　　　 转速波形（ ０～４ｓ 运行时没有受到夹力 天窗正常 ） ） 1 - n i m r· （ / n 速 转 机 电 2 200 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 时间 t/s 图 ９　 电机 ０～４ｓ 转速波形（ 天窗运行进入防夹区受到 夹力但夹力不超过设定阈值 ） 　　　 从图 可知 １０ 超过设定阈值的情 况 下 程序 控制电机反转 ， 从 防夹系统仿真结果来看 。 ， 天窗进入防夹区受到夹力且夹力 ： 防 夹 系 统 能 迅 速 启 动 防 夹 图 １０　 电机 ０～４ｓ 转速波形（ 夹力且夹力超过设定阈值 天窗运行进入防夹区受到 ） 　　　 形基本满足系统的要求 稳定 抗干扰能力强 、 。 而且系统响应速度快 ， 运行 、 ［Ｊ］． ［２］　 ，２０１１． 参考文献： 赵静斌 许小侠 ， ［１］　 机械工程学报 设计 邓星钟 机电传 动 控 制 ． 社 王超 学 陆敏恂 造工程 曾光奇 技大学出版社 黄卓禹 ， ，２０１１． ［５］　 ［３］　 ［４］　 ，２００６． 基于虚拟样机的轿车天窗运 动 机 构 的 ． ，２００８，４４（９）． 武 汉 华 中 科 技 大 学 出 版 ［Ｍ］． ： 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩 控 制 ． 长 沙 ［Ｄ］． 中 南 大 ： 轿车天窗防夹分析 与 改 进 ． 现 代 制 ［Ｊ］． ，２０１１（２）． 模糊控 制 理 论 与 工 程 应 用 ． 武 汉 ［Ｍ］． 华 中 科 ： 不仅各工况下的波 ， 收稿日期 ：２０１４－０４－０８