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有那么几年，在主机厂新车的宣传视频中，我们经常可以捕捉到这样一个镜头：一位光鲜亮丽的都市丽人在商场一番酣畅淋漓的购物后，左手右手提满了战利品。此时的都市丽人疲惫中带着些许兴奋，迈着碎花的步子来到座驾停放处，用脚优雅的在车尾轻扫，座驾尾门便静悄悄的舒畅开，宛如都市丽人的知心“闺蜜”。 这位知心“闺蜜”在汽车行业的专业叫法是电动尾门，而随着电动化、智能化的发展，电动尾门逐渐成为一个非常常见的配置。想要追到单身的都市丽人，最好从讨好她闺蜜处着手。车身域黑话第三期，作者通过明察暗访，将都市丽人的这位知心“闺蜜”爱吃的、爱玩的、爱看的汇总出来无私分享给各位看到下图在流口水的看官。期望学习之后可以投都市丽人所好，早日捕获其芳心。 一、尾门电机控制原理 电动尾门的系统框图如下所示。 当尾门控制器识别到用户的开关门意图时，驱动撑杆电机以一定的速度（一般开/关门时间5秒左右）进行开/关门。当关门过程检测到障碍物时，驱动电机反转一定的安全距离。 现在的电动尾门系统可用双侧电撑杆，或者单侧电撑杆加一侧气撑杆组成。采用H桥控制电撑杆中电机的正反转，辅以PWM控制电机的运行速度。如下图所示，要使尾门开门，需要把MOS管Q1和Q4导通，此时电流从VCC流经Q1，之后通过电机，再经过Q4回到电源地。要使尾门关门，需要把Q2和Q3导通，此时电流从VCC流经Q2，之后通过电机，再经过Q3回到电源地。在进行H桥驱动时，一定要注意不可让同侧的MOS管同时导通。假如Q1和Q2导通，此时电流直接从VCC流经Q1和Q2，再回到电源负极，由于MOS管导通的内阻非常小，此时会使得该条回路的电流特别大，烧坏MOS管。 H桥电路可使用4个MOS管进行搭建，如下图所示，再搭配一片全桥驱动芯片亦或两个半桥驱动芯片。全桥或半桥驱动芯片可直接输出不同占空比的PWM，占空比越大则电机的运动速度越快，反之亦然。 二、尾门速度控制算法 每一辆车的尾门造型都不一样，一般情况下SUV电动尾门的开/关门时间在5秒左右。汽车售往世界各地的同时，也就代表着车子要经历各种不同恶劣极端的环境，如何保证在这些环境中电动尾门的整个开关门时间维持在一个相对稳定的时间，此时就要引入一个在工业上应用特别广泛的PID控制。 PID其实是Proportion（比例）、 Integral （积分）、Differential（微分）的缩写。PID控制算法真的是当之无愧的万能算法，用于闭环控制的不二选择，如今在许多的领域都可见到他的身影。一谈到算法大家可能很容易联想到近几年火的一塌糊涂的自动驾驶相关算法，算法这个词也代表着复杂、高端，这让很多人望之却步。然而这里用到的PID算法简单到极致，用大道至简来形容PID控制算法可能是再合适不过了。 上图中的Error为尾门设定的运行速度与当前尾门运行速度的差值，在电动尾门系统中尾门的速度可通过电机中的霍尔传感器转化获得。 PID算法的一般形式如下： 上式中， Kp—比例增益，Kp与比例度成倒数关系； Tt—积分时间常数； TD—微分时间常数； u(t)—PID控制器的输出信号； e(t)—给定值r(t)与测量值之差。 PID算法离散化公式可表达为： 上式中， Kp——比例参数； Ki——积分参数； Kd——微分参数。 比例系数Kp越小，控制作用越小，系统响应越慢；反之，比例系数Kp越大，控制作用也越强，则系统响应越快。但是，Kp过大会使系统产生较大的超调和振荡，导致系统的稳定性能变差。因此，不能将Kp选取过大，应根据被控对象的特性来折中选取Kp，使系统的静差控制在允许的范围内，同时又具有较快的响应速度。 积分环节的作用，主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱，取决于积分参数Ki，Ki越大积分作用越强，反之则越弱。只要系统存在着偏差，积分环节就会不断起作用，对输入偏差进行积分，产生控制作用以减小偏差。在积分时间足够的情况下，可以完全消除静差，这时积分控制作用将维持不变。 微分环节的作用能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。微分环节有助于系统减小超调，克服振荡，加快系统的响应速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态性能，但微分时间常数过大，会使系统出现不稳定。微分控制作用一个很大的缺陷是容易引入高频噪声，所以在干扰信号比较严重的流量控制系统中不宜引入微分控制作用。 三、电动尾门控制概述 电动尾门系统的算法一般情况下采用PI调节就能满足尾门性能的要求。尾门运动可分为三个阶段。 软启动阶段：电动尾门开启或关闭时，可用固定的PWM占空比驱动电机，使尾门接近目标速度；亦或者可采用线性增长的PWM占空比驱动电机固定的时间，使尾门接近目标速度； 匀速阶段：采用PI调节，使尾门匀速运动； 软停阶段：当开门时，尾门位置接近最大开度时，降低PWM占空比，降低尾门运动速度，使尾门在98%开度左右停下。当关门时，接近关门位置，增加PWM占空比，增加尾门运动速度，使尾门可克服关门的各种阻力。 四、尾门运动速度和方向检测 尾门的运动速度通过霍尔传感器进行检测，在电机中心轴上安装磁石，一般有两对磁极，相位差为45度的位置安装霍尔传感器。当电机转动一周时，每个霍尔传感器产生两个周期的方波。 （1）电机运动方向检测 如下图所示，电机顺时针转动时霍尔传感器A和B分别产生红色的霍尔方波，逆时针转动时，霍尔传感器A和B分别产生红色的霍尔方波。正常情况下电机正转时，霍尔传感器A上升沿对应霍尔传感器B的低电平；电机反转时，霍尔传感器A上升沿对应霍尔传感器B的高电平；通过此方式，可判断电机的运动方向是否符合正常的逻辑。 （2）电机运动速度检测 尾门的运动速度可以用霍尔方波的脉宽进行替代，电机运动速度越快，单位时间内产生的方波数量就越少，对应的脉宽越小。t1时间比t2长，对应的速度则比t2的小。 五、尾门防夹策略 电动尾门的防夹力可通过两种方法进行判断：电流值判断法与霍尔脉冲宽度判断法。电机电流与尾门的负载成正比关系，电流值越大负载越大，电流越小，负载越小；霍尔脉冲宽度与电机转速有关，尾门遇阻时电机转速下降，霍尔的脉宽变宽。 电动尾门的防夹力目前没有法规要求，一般情况下参考车窗的防夹力100N左右。在出现防夹时，霍尔脉冲的周期变化相对缓慢，电机的运行速度会变慢，电流会在增大，霍尔脉冲脉宽不断增大，脉宽增大到标定值时基本可以判断为夹住了障碍物，这时MCU控制电机进行反转，反转的距离可设置为100mm。 产生误防夹的主要原因是突然增加的系统阻力持续时间很短、夹力大于防夹力的伪夹力。在尾门的使用过程中随着尾门系统的老化，可能使得尾门系统运动到某个位置时阻力突然变大，此情况往往会产生误防夹。 这时可引入加速度算法增加系统的鲁棒性。通过检测后几个加速度来判断夹力是否持续，如果不是则可能是误防夹信息。为了减小误防夹产生的可能性，可以通过增加检测霍尔信号的数量来实现。比如判断10个霍尔信号来判断车窗是否遇夹，这个情况下尾门控制器可以计算出9个车窗的加速度，而如果夹力是伪夹力，开始的1、2个加速度值会很大，满足防夹力的要求，而后面计算出的加速度的值就会很小，不满足防夹力的要求，所以通过增加判断霍尔脉冲的个数是防止误防夹的一个有效方法。 六、小结 都市丽人的知心“闺蜜”似乎不是那么热情好客，越往深了接触可能还有点无趣。但根据太极的理论，无趣至极点便是有趣的开始，学习、工作、人生皆如此，共勉。 |
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