基于房車雙拓展艙控制系統(tǒng)及其防夾控制方法

賈天陽

（鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450000）

目前房車發(fā)展正處于迅速增長階段，但由于車輛空間有限，行業(yè)中通用做法是在房車的左側(cè)和后側(cè)增加電動(dòng)拓展艙，業(yè)內(nèi)統(tǒng)稱“雙拓展”房車。而實(shí)際在展開和收回時(shí)，會(huì)出現(xiàn)車內(nèi)部和外部夾傷人或者物的情況，存在安全隱患。國外目前采取的控制方式為電流檢測和雙路單霍爾電機(jī)控制，存在機(jī)構(gòu)用久之后產(chǎn)生錯(cuò)位和不同步現(xiàn)象，導(dǎo)致無法收回和展開，并且不帶防夾功能。國內(nèi)目前所用的控制方式都是照搬國外，無任何改進(jìn)。

1 房車拓展艙介紹

房車拓展艙系統(tǒng)是由電動(dòng)拓展機(jī)構(gòu)、行程導(dǎo)軌、電機(jī)及控制器組成，該機(jī)構(gòu)是用來增加房車內(nèi)部使用空間，是目前房車上普遍采用的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。應(yīng)用范圍涵蓋拖掛房車、自行房車、專用車等各類帶拓展艙機(jī)構(gòu)的機(jī)動(dòng)車輛等。圖1為一種專用房車拓展艙實(shí)體圖。

圖1 C型房車拓展艙圖

目前，適用于房車電動(dòng)拓展機(jī)構(gòu)的廠家面臨主要問題是解決防夾力過大或者防夾力不可靠的問題，而該問題的核心是防夾控制器的控制策略和軟件算法?，F(xiàn)有拓展艙控制器一般由霍爾傳感器、微控制器（MCU）、輸入輸出電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（繼電器或MOS管）、電源電路、外殼、連接器以及拓展機(jī)構(gòu)電機(jī)等部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有技術(shù)方案中防夾拓展艙控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

行業(yè)現(xiàn)有拓展艙控制方式的實(shí)現(xiàn)方案有以下幾種。

1）基于電流檢測的防夾控制器的防夾方案，在拓展機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中檢測電機(jī)電流，如果電流超過一定范圍，則認(rèn)為防夾，這對拓展艙機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高，而體積大的拓展機(jī)構(gòu)的精度是很難保證的，結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)誤防夾導(dǎo)致展開和收回不能到位。

2）檢測電機(jī)堵轉(zhuǎn)，是基于電流檢測方式實(shí)現(xiàn)，在拓展艙控制器出廠前標(biāo)定的堵轉(zhuǎn)值，如果在運(yùn)行過程中拓展艙堵轉(zhuǎn)電流超過標(biāo)定值，則認(rèn)為防夾，這種方案MCU和電機(jī)在長時(shí)間的工作導(dǎo)致電機(jī)過熱，縮短電機(jī)壽命，而且存在一定的缺陷，防夾力過大，容易夾傷乘車人員，可靠性差。

3）雙路單霍爾電機(jī)控制比前兩種方案從精度上要有明顯優(yōu)勢，但是存在單霍爾定位在長時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)積累偏差，積累時(shí)間長誤差偏大故障率較高，而且內(nèi)部算法單一還是電流堵轉(zhuǎn)的防夾，整個(gè)系統(tǒng)在安全上存在隱患。不是真正意義上的防夾功能。

另外方案中防夾控制器中都沒有考慮振動(dòng)路面、電機(jī)溫度突變、電源電壓、老化以及速度變化對防夾控制的影響，防夾力不可靠，容易出現(xiàn)誤防夾，產(chǎn)品性能不可靠。

2 本文介紹的技術(shù)方案

2.1 防夾原理介紹

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中算法單一、防夾力過大或防夾力不可靠、容易夾傷車內(nèi)外部人員或物的不足，提供一種基于速度檢測的拓展艙自適應(yīng)防夾方法。拓展艙防夾可用以下公式描述：

式中：F——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；F——拓展艙運(yùn)行過程中摩擦力；F——拓展艙防夾力；C——電機(jī)常數(shù)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)扭矩可用以下公式描述：

式中：S——電機(jī)轉(zhuǎn)速；F——電機(jī)扭矩；C——電機(jī)常數(shù)；B——電機(jī)常數(shù)。

本防夾方法采用間接檢測拓展艙運(yùn)行速度的檢測方式。拓展艙電機(jī)輸出齒與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)互鎖的慣性系統(tǒng)，在拓展艙正常運(yùn)行時(shí)阻力變化將反應(yīng)到電機(jī)轉(zhuǎn)速上。

防夾原理：由防夾公式（1）和（2）可知，通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速變化可以間接檢測到拓展艙運(yùn)行阻力變化，由此可以判斷拓展艙是否防夾。本防夾方法主要是檢測拓展艙在運(yùn)行時(shí)相鄰位置的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化差值來檢測拓展艙是否防夾，由防夾原理可知，相鄰位置轉(zhuǎn)速差可以轉(zhuǎn)換為阻力差值，即阻力差與轉(zhuǎn)速差是等價(jià)的，相鄰位置指在ECU控制單元能分辨的最小單位到拓展艙最大行程之間，具體根據(jù)防夾需要來確定。

2.2 解決方案

本文介紹一種基于速度檢測的電動(dòng)拓展艙自適應(yīng)防夾方法，ECU控制單元檢測拓展艙在運(yùn)行時(shí)的防夾力是否大于等于設(shè)定的防夾力閾值，當(dāng)運(yùn)行時(shí)的防夾力大于或等于設(shè)定的防夾力閾值時(shí)，則ECU控制單元判斷為防夾，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)到指定位置；當(dāng)防夾力小于設(shè)定的防夾力閾值時(shí)，則ECU控制單元判斷為不防夾，控制電機(jī)按原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)到指定位置。如圖3所示。

圖3 一種防夾拓展艙控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 自適應(yīng)防夾算法

防夾算法根據(jù)拓展艙運(yùn)行過程中相鄰位置的阻力差值判斷是否防夾，如果阻力差值大于等于防夾力閥值，判斷拓展艙防夾，拓展艙電機(jī)將反轉(zhuǎn)，將拓展艙轉(zhuǎn)開到指定位置。防夾力閥值是綜合各種條件共同計(jì)算得出。

優(yōu)點(diǎn)：拓展艙環(huán)境溫度變化會(huì)引起拓展艙整體運(yùn)行阻力變化，但相鄰位置的阻力變化不大，防夾算法檢測是相鄰位置的轉(zhuǎn)速變化差，不是檢測拓展艙絕對阻力變化，因此防夾算法對環(huán)境溫度變化引起的阻力變化有適應(yīng)能力。

對拓展艙老化、拓展艙變形、風(fēng)阻引起的拓展艙阻力變化有適應(yīng)能力。當(dāng)上述阻力變化發(fā)生時(shí)，相鄰阻力變化不大，因此對上述阻力變化有一定的適應(yīng)能力。

對于輸入信號不限于轉(zhuǎn)速信號，也可以是電流、電壓信號或功率信號。

具體的防夾方法流程見圖4。

圖4 方案的防夾方法流程圖

步 驟1：ECU控制單元接收拓展艙Hall傳感器檢測的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，計(jì)算拓展艙當(dāng)前的運(yùn)行方向和拓展艙的位置，判斷拓展艙是否在防夾區(qū)域，如果拓展艙在防夾區(qū)域，則啟用防夾功能，如果拓展艙不在防夾區(qū)域?qū)⒉粏?dòng)防夾功能，ECU控制單元控制電機(jī)按原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)到指定位置。

步驟2：當(dāng)拓展艙在防夾區(qū)域，ECU控制單元進(jìn)行防夾力計(jì)算，所述防夾力計(jì)算包括ECU控制單元檢測拓展艙在運(yùn)行時(shí)相鄰位置的電機(jī)轉(zhuǎn)速差值，將相鄰位置的電機(jī)轉(zhuǎn)速差值根據(jù)公式轉(zhuǎn)換為阻力差值，阻力差值作為拓展艙在運(yùn)行時(shí)的防夾力。

步驟3：ECU控制單元將計(jì)算獲得的阻力差值與設(shè)定的防夾力閾值進(jìn)行比較，判斷是否防夾。

為了提高防夾的可靠性，防夾方法由多種判斷條件綜合來判斷拓展艙是否防夾。

防夾力校正，所述防夾力校正包括ECU控制單元根據(jù)電機(jī)工作電壓和/或電機(jī)工作溫度對阻力差值進(jìn)行校正，校正后的阻力差值作為拓展艙在運(yùn)行時(shí)的防夾力。

拓展艙電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)工作電壓成正比關(guān)系，防夾力計(jì)算使用電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測拓展艙阻力變化，電機(jī)工作電壓變化會(huì)影響到電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電源電壓檢測來檢測電機(jī)工作電壓的變化。

由于電機(jī)工作溫度變化影響電機(jī)常數(shù)C，所以防夾力計(jì)算需要電機(jī)溫度參與計(jì)算，消除或減少電機(jī)溫度對防夾力的影響。電機(jī)工作溫度數(shù)據(jù)是基于電機(jī)溫升模型的軟件計(jì)算方法得到。電機(jī)工作溫度是指實(shí)際工作過程中實(shí)時(shí)的電機(jī)線圈溫度。

所述電機(jī)工作溫度指電機(jī)的實(shí)時(shí)溫度，由電機(jī)環(huán)境溫度傳感器檢測電機(jī)工作環(huán)境溫度，ECU控制單元根據(jù)電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作電流計(jì)算電機(jī)的實(shí)時(shí)溫度。

防夾力校正還包括ECU控制單元，根據(jù)車輛振動(dòng)對阻力差值進(jìn)行校正。根據(jù)車輛速度與拓展艙速度來檢測車輛是否有較大振動(dòng)，作為防夾力計(jì)算的一個(gè)附加參數(shù)，減少由于振動(dòng)路面對防夾力的影響。

電機(jī)溫度保護(hù)功能，當(dāng)ECU控制單元檢測到電機(jī)工作溫度高于一定溫度值T1時(shí)，ECU控制單元禁止拓展艙操作以保護(hù)電機(jī)；當(dāng)ECU控制單元檢測到電機(jī)工作溫度降到一定溫度值T2時(shí)，重新允許電機(jī)操作。電機(jī)溫度保護(hù)功能可以防止電機(jī)過熱損壞，以及對防夾力的影響。

防夾力閥值由防夾力計(jì)算模塊計(jì)算產(chǎn)生，防夾力閥值根據(jù)拓展艙阻力閥值、電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作溫度、車輛振動(dòng)數(shù)據(jù)綜合計(jì)算產(chǎn)生，消除或減少拓展艙阻力變化、電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作溫度、車輛振動(dòng)等因素對防夾力的影響。

拓展艙運(yùn)行阻力閥值指ECU控制單元在拓展艙運(yùn)行中檢測到拓展艙相鄰位置的阻力變化差值，差值大于一定阻力值則認(rèn)為防夾，這個(gè)阻力值簡稱為阻力閥值。

ECU控制單元通過學(xué)習(xí)或標(biāo)定的方法將拓展艙防夾區(qū)域阻力閥值及其位置保存在EEPROM內(nèi)，學(xué)習(xí)或標(biāo)定只記錄大于阻力閥值的數(shù)據(jù)及位置作為防夾力計(jì)算的一部份，防夾力更為穩(wěn)定，減少誤防夾。上述方法不需記錄所有拓展艙位置的阻力差值，可以節(jié)省MCU的RAM及EEPROM，降低對MCU的要求，降低控制器成本。

ECU控制單元判斷電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，如果轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置則結(jié)束，如果沒有轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置則重復(fù)步驟直至電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。

結(jié)合圖3和圖4，基于上述方法的一種防夾控制系統(tǒng)，包括拓展艙電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繼電器，繼電器與電機(jī)控制系統(tǒng)連接，繼電器還用于控制電源與電機(jī)的通斷，Hall傳感器用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速信號輸入到ECU，通過ECU內(nèi)部的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號處理模塊進(jìn)行處理，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號處理指程序?qū)all信號數(shù)據(jù)變換處理，將兩路脈沖寬度信號轉(zhuǎn)換為速度數(shù)據(jù)、方向數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)，處理后的轉(zhuǎn)速信號分為3路：一路用于拓展艙位置處理模塊，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號處理模塊的處理結(jié)果判斷拓展艙的位置及方向，反饋至電機(jī)控制系統(tǒng)；一路用于直接輸入到防夾力計(jì)算模塊；一路提供給歷史數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行保存，歷史數(shù)據(jù)是一個(gè)先進(jìn)先出數(shù)組，保存一段距離的Hall N個(gè)數(shù)據(jù)信息，最新一個(gè)數(shù)據(jù)保存在頂端，舊的數(shù)據(jù)順序保存在下端。

歷史數(shù)據(jù)模塊輸出的信號分為3路：一路直接提供給防夾力計(jì)算模塊，一路提給拓展艙振動(dòng)檢測模塊，一路提供給自適應(yīng)防夾算法模塊。拓展艙振動(dòng)檢測模塊將數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，結(jié)果提供給防夾力計(jì)算模塊減少由于振動(dòng)路面對防夾力的影響。拓展艙電機(jī)環(huán)境溫度傳感器將檢測到的電機(jī)環(huán)境溫度提供給ECU控制單元的電機(jī)線圈溫度計(jì)算模塊，其根據(jù)電機(jī)工作電壓、電流計(jì)算電機(jī)線圈的實(shí)時(shí)溫度，即電機(jī)工作溫度；電機(jī)工作溫度一路提供給防夾力計(jì)算模塊，一路提供給電機(jī)溫度保護(hù)模塊，電機(jī)溫度保護(hù)模塊根據(jù)溫度值提供給電機(jī)控制系統(tǒng)過熱保護(hù)或正常溫度工作的信號；防夾力計(jì)算模塊根據(jù)各個(gè)模塊提供的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號、電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作溫度、歷史數(shù)據(jù)以及拓展艙振動(dòng)檢測信號進(jìn)行防夾力計(jì)算。用于存儲(chǔ)拓展艙所需數(shù)據(jù)的EEPROM(非易失性存儲(chǔ)器)及學(xué)習(xí)和標(biāo)定模塊，在ECU學(xué)習(xí)或標(biāo)定數(shù)據(jù)時(shí)將拓展艙阻力數(shù)據(jù)和標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入EEPROM，在拓展艙運(yùn)行時(shí)讀取EEPROM數(shù)據(jù)參與拓展艙控制及防夾力計(jì)算，同時(shí)，按照一定規(guī)則將EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，以便下次判斷時(shí)使用，使防夾力更加穩(wěn)定。自適應(yīng)防夾算法模塊根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和防夾力計(jì)算模塊提供的防夾力計(jì)算相鄰位置防夾力閾值和防夾力，通過比較其大小判斷是否防夾，以提供給電機(jī)控制系統(tǒng)信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

3 結(jié)束語

本方案提供的一種基于速度檢測的電動(dòng)拓展艙自適應(yīng)防夾方法，采用相鄰位置阻力差值來計(jì)算防夾力適應(yīng)各種不同的情況，防夾力比較穩(wěn)定。防夾力計(jì)算采用自適應(yīng)算法與學(xué)習(xí)和標(biāo)定算法相結(jié)合，對拓展艙機(jī)構(gòu)的精度要求較低，提高防夾力的精度和準(zhǔn)確度，而且只記錄防夾區(qū)域阻力突變的位置信息，能節(jié)省存儲(chǔ)空間，計(jì)算量較小，對MCU要求較低，且使用電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作溫度、阻力閾值以及速度和振動(dòng)檢測等多種附加條件綜合共同判斷防夾力，抗干擾能力強(qiáng)，提高了可靠性。