CN111098808B - 基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法及其*** - Google Patents

基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法及其*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法及其***，该方法包括：采集车身闭合部件的电机在运动过程中产生的电流信号；计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期；根据电流纹波的个数及各电流纹波的周期得到电机当前时刻的运行位置和运行速度；对电流信号进行滤波处理得到电机在当前时刻的电流直流量；根据运行速度和运行位置进行闭环调速控制；根据运行位置和电流直流量进行防夹检测控制。本发明技术方案仅通过采集电机实际运行中产生的电流信号进行分析计算实现闭环调速和防夹检测控制，与传统技术相比，减少了硬件投入，同时保证控制的可靠性，利于降低生产成本，适于推广。

Description

基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法及其***
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，涉及车身闭合部件闭环及防夹控制方法，具体而言，为一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法及其***。
背景技术
针对车身闭合部件，美标FMVSS118(S5)、欧标2000/4/EC、ECE R21(2003)及国标GB11552-2009等相关法规在保护人身安全方面提出了设计约束，即车身闭合部件闭合的过程中，在法规规定的4mm-200mm范围内如果遇到物体或人体阻碍时，电机必须能够检测出障碍物并反转运行，其被称为防夹功能。其中，车身闭合部件包括汽车电动门窗、天窗、后背门及侧滑门等。
这里以汽车电动门窗为例进行说明：控制门窗电机运动的方案有两种，开环控制和闭环控制。其中闭环控制能够通过控制占空比实现电机在不同电压及负载下均按设定的速度运行，从而可控制电机在较低速度运行，降低噪声，同时能更好地满足美标S5的高灵敏检测要求。
而以往的防夹及闭环调速方案通常采用独立的霍尔传感器安装在电机内部，得到与电机运动相关的脉冲信号，进而提取出门窗运动速度和位置，根据速度进行闭环控制。四个门窗各需要一个霍尔传感器和相应的控制电路，同时除电机电源线外需要额外连接线束和接插件与BCM(boay control Module，车身控制模块)连接，无益于整车厂降低成本。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法以及实施该方法的***，以利于降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明提供的一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，应用于控制器，包括步骤：
采集所述车身闭合部件的电机在运动过程中产生的电流信号；
根据所述电流信号计算所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期；
根据计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行位置和运行速度；
对所述电流信号进行滤波处理，得到所述电机在当前时刻的电流直流量；
根据所述运行速度和所述运行位置进行闭环调速控制；
根据所述运行位置和所述电流直流量进行防夹检测控制。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法中，根据所述电流信号计算所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，包括：
利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号；
将统计出的所述方波信号下降沿的个数作为所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数；
将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期；
其中，所述电流参考线为自适应参考线。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法中，利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号，包括：
设定周期为预设时长Ts的定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序以对所述电流信号进行采样得到采样值，并把采样值和采样次数存储于数据缓冲区内，其中，预设时长Ts满足香农采样定理；
毫秒级批处理纹波提取程序定期读取数据缓冲区内的数据，利用所述自适应参考线对读取的数据进行批处理，将纹波信号转换成方波信号；
相应地，将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期，包括：
读取所述方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q；
利用公式Twave＝Q*Ts计算出所述方波信号相邻下降沿之间的时间。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法中，采用一阶滞后滤波得到所述自适应参考线，计算公式为：
Ref_Value(k)＝K1*Ref_Value(k-1)+K2*AD_Value(k)，
其中，Ref_Value(k)为计算得到的当前时刻参考值，Ref_Value(k-1)为上一时刻参考值，AD_Value(k)为当前时刻采样值；K1、K2为加权系数；
则，令Pin_Level表示电流信号转换得到的方波信号的电平，有：
AD_Value(k)>Ref_Value(k),Pin_Level＝1，
AD_Value(k)≤Ref_Value(k),Pin_Level＝0。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法中，根据计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行位置和运行速度，包括：
根据计算出的电流纹波的个数计算所述运行位置；
计算所述运行速度的方式为：
当k≤M时，
ω(k)＝(2πk/M)/Tsum(k)
Tsum(k)＝T1+,…,+Tk
当k>M时，
ω(k)＝2π/Tsum(k)
Tsum(k)＝Tk-M+1+Tk-M+2,…,+Tk＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk，
其中，k为当前时刻的电流波纹个数，M为所述电机旋转一周产生的电流波纹个数；ω(k)为所述电机当前时刻的运行速度，Ti表示第i个纹波周期；i＝1，...，k；当k≤M时，Tsum(k)为累加的k个纹波周期；当k>M时，Tsum(k)为累加的M个纹波周期。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法中，根据所述运行位置和所述电流直流量进行防夹检测控制，包括：
确定与所述运行位置对应的防夹阈值和参考电流值；
计算所述电流直流量与所述参考电流值之间的电流差值，当所述电流差值超过所述防夹阈值时，控制电机反转。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法中，还包括：在所述车身闭合部件完全关闭或完全打开时，将所述运行位置重置为默认值。
另一方面，本发明还提供了一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***，包括电机、采样电路、控制器以及驱动电路；所述电机通过所述采样电路连接所述控制器的输入端；所述控制器输出端通过所述驱动电路连接所述电机；其中，所述控制器包括：
采样模块，用于通过所述采样电路采集所述电机在运动过程中产生的电流信号；并根据所述电流信号计算所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期；
速度计算模块，用于根据所述采样模块计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行速度；
位置提取模块，用于根据所述采样模块计算出的电流纹波的个数计算所述电机当前时刻的运行位置；
低通滤波模块，用于对所述电流信号进行滤波处理，得到所述电机在当前时刻的电流直流量；
闭环控制模块，用于获取所述运行速度和所述运行位置并计算处理，输出闭环调速控制信号至所述驱动电路；
防夹检测模块，用于获取所述运行位置和所述电流直流量并计算处理，输出防夹控制信号至所述驱动电路。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***中，所述采样模块包括：
转换子模块，用于利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号；
纹波统计子模块，用于将统计出的所述方波信号下降沿的个数作为所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数；
周期计算子模块，用于将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期；
其中，所述电流参考线为自适应参考线。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***中，
所述转换子模块利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号，包括：
设定周期为预设时长Ts的定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序以对所述电流信号进行采样得到采样值，并把采样值和采样次数存储于数据缓冲区内，其中，预设时长Ts满足香农采样定理；
毫秒级批处理纹波提取程序定期读取数据缓冲区内的数据，利用所述自适应参考线对读取的数据进行批处理，将纹波信号转换成方波信号；
相应地，所述周期计算子模块将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期，包括：
读取所述方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q；
利用公式Twave＝Q*Ts计算出所述方波信号相邻下降沿之间的时间。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***中，采用一阶滞后滤波得到所述自适应参考线，计算公式为：
Ref_Value(k)＝K1*Ref_Value(k-1)+K2*AD_Value(k)，
其中，Ref_Value(k)为计算得到的当前时刻参考值，Ref_Value(k-1)为上一时刻参考值，AD_Value(k)为当前时刻采样值；K1、K2为加权系数；
则，令Pin_Level表示电流信号转换得到的方波信号的电平，有：
AD_Value(k)>Ref_Value(k),Pin_Level＝1，
AD_Value(k)≤Ref_Value(k),Pin_Level＝0。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***中，所述速度计算模块计算所述运行速度，包括：
当k≤M时，
ω(k)＝(2πk/M)/Tsum(k)
Tsum(k)＝T1+,…,+Tk
当k>M时，
ω(k)＝2π/Tsum(k)
Tsum(k)＝Tk-M+1+Tk-M+2,…,+Tk＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk，
其中，k为当前时刻的电流波纹个数，M为所述电机旋转一周产生的电流波纹个数；ω(k)为所述电机当前时刻的运行速度，Ti表示第i个纹波周期；i＝1，...，k；当k≤M时，Tsum(k)为累加的k个纹波周期；当k>M时，Tsum(k)为累加的M个纹波周期。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***中，所述防夹检测模块获取所述运行位置和所述电流直流量并计算处理，输出防夹控制信号至所述驱动电路，包括：
确定与所述运行位置对应的防夹阈值和参考电流值；
计算所述电流直流量与所述参考电流值之间的电流差值，当所述电流差值超过所述防夹阈值时，输出防夹控制信号至所述驱动电路控制电机反转。
进一步的，上述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***中，所述防夹检测模块还用于：在所述车身闭合部件完全关闭或完全打开时，将所述运行位置重置为默认值。
本发明技术方案与传统技术相比，具有如下有益效果：
本发明提供的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法及***仅通过采集电机实际运行中产生的电流信号进行分析计算实现闭环调速和防夹检测控制，与传统技术相比，无需布置霍尔传感器和相应的控制电路、连接线束、接插件等，减少了硬件投入，同时保证控制的可靠性，利于降低生产成本，适于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法一个具体实施例的流程图；
图2为本发明基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法应用于闭环控制***中的一个具体实施例示意图；
图3(a)和图3(b)为批处理纹波计数提取程序框图；
图4为纹波信号转换成方波信号后，纹波周期Twave获取示意图；
图5为本发明***进行闭环控制的示意图；
图6为本发明基于基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***一个具体实施例的逻辑框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，应用于控制器上，包括步骤：
S11，采集车身闭合部件的电机在运动过程中产生的电流信号。
电流信号为电流纹波信号和电流直流量叠加后的信号；其中，车身闭合部件可以包括汽车电动门窗、天窗、后背门及侧滑门等。以下以汽车电动门窗为例对本发明进行说明。
S12，根据电流信号计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期。
S13，根据计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到电机当前时刻的运行位置和运行速度。
S14，对电流信号进行滤波处理，得到电机在当前时刻的电流直流量。
S15，根据运行速度和运行位置进行闭环调速控制。
S16，根据运行位置和电流直流量进行防夹检测控制。
本发明方法采用基于电机电流的纹波信号、直流量等进行闭环及防夹控制，应用于闭环控制***中，仅通过采集电机实际运行中产生的电流信号进行分析计算，得出电机运行速度和位置信息继而进行实现闭环调速和防夹检测控制，与传统技术相比，无需在电机上加装霍尔传感器和相应的控制电路、连接线束、接插件等，还可以去掉电机上的磁环，减少了硬件投入，同时保证控制的可靠性，利于降低生产成本，适于推广。
结合图2所示，本发明方法应用于闭环控制***中，可以实现单个控制器20控制多个(N个)电机运动，以其中一路控制***为例对上述方法进行说明。
S11，采集车身闭合部件的电机在运动过程中产生的电流信号。
通过采集单元(如采样电阻)将电机运动过程中产生的电流纹波和直流量叠加后的交流信号转换成电压信号，并放大处理得到采集的电流信号，传输至控制器以进行计算分析方便后续进行闭环调速、防夹控制等流程。
S12，根据电流信号计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期。
在该步骤中，在采集单元获取的交流信号经过转换、放大处理后得到电流信号后，利用电流信号计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期。在一种可能的具体实施方式中，步骤S12可以包括步骤S121、S122和S123，下面具体说明：
S121，利用电流参考线将电流信号转换为方波信号。
实际应用中，由于经过AD转换得到的电流信号叠加了直流量和交流量，因此在电机启动、堵转或阻力变化时电流峰谷值会随着直流量上下浮动。为此，在一个实施方式中，可将电流参考线设置为自适应参考线，具体可将电流参考线设置为一条随着直流量幅值起伏变化的参考线。实际实施中，采用一阶滞后滤波得到自适应参考线，公式如下：
Ref_Value(k)＝K1*Ref_Value(k-1)+K2*AD_Value(k)
其中，Ref_Value(k)为计算得到的当前时刻参考值，Ref_Value(k-1)为上一时刻参考值，AD_Value(k)为当前时刻采样值；K1、K2为加权系数，根据实际纹波波动情况进行标定获得。
当然，可以理解的是，在其他实施方式中，电流参考线也可以表现为其他形式，例如，为电机的不同运行阶段预先配置不同的电流参考线。
由于步骤S11采集的电流信号同时包括直流量和交流量，因此本质上电流信号为纹波信号。参考图4，由纹波信号的特点可知波峰和波谷交替出现。在设立电流参考线后，可根据纹波信号的幅值与电流参考线的大小将纹波信号转换为方波信号，具体地，若纹波幅值大于该电流参考线则设置为高电平，若纹波幅值小于电流参考线则设置为低电平，设Pin_Level表示电流信号提取得到的方波信号的电平，则有：
AD_Value(k)>Ref_Value(k),Pin_Level＝1
AD_Value(k)≤Ref_Value(k),Pin_Level＝0
其中，AD_Value(k)为当前时刻采样值，Ref_Value(k)为当前时刻参考线。这样就将接近正弦的纹波信号通过Pin_Level转换成同周期的方波信号。
另外，步骤S11采集的电流信号是通过采样得到的。一方面，通常门窗负载电机上的纹波最高频率小于2kHz，在满足香农采样定理前提下，控制器中的采样频率最少4kHz，这样要求控制器的采样时间间隔应小于250μs。但另一方面，作为控制器的MCU(MicroControl Unit，微控制单元)，其***软件需要处理开关逻辑、防夹算法、热保护、闭环调速等多个任务，受限于MCU主频限制，MCU最小任务周期为ms量级，无法实现μs级采样。也就是说，受限于控制器运算能力和其他应用程序的负载率，如果在转换方波信号的同时进行采样，实际采样频率将不能满足采样频率需求。为此，实际应用中，需采用MCU中断进行电流采样，即设定一个定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序，中断服务程序内进行采样，并把采样得到的AD值存储于数据缓冲区内。后续毫秒级批处理纹波提取程序定期读取Buffer值，进行批处理，将纹波信号转换成方波信号。同时可以读取相邻下降沿间AD值采样点个数Q。下面结合图3(a)和图3(b)对前述采样和方波转换过程进行说明。
如图3(a)所示，在采集电机电流信号的过程中，当在S311处启动定时器之后，设定周期为预设时长Ts的定时中断，在S312处时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序以对所述电流信号进行采样得到采样值，并在S313处把采样值和采样次数存储于数据缓冲区Buffer内，其中，图3(a)中Buffer(n)＝U_AD表示采样值，n表示采样次数，预设时长Ts满足香农采样定理。
在图3(b)中，毫秒级批处理纹波提取程序定期读取数据缓冲区内存储的Buffer值和n值，利用自适应参考线对读取的数据进行批处理，将纹波信号转换成方波信号，然后清除Buffer值，n归零。
S122，将统计出的方波信号下降沿的个数作为电机在运动过程中产生的电流纹波的个数。
该步骤中，方波信号下降沿的个数即为电机在运动过程中产生的电流纹波的个数；计算方波相邻下降沿之间的时间即为纹波周期Twave。
S123，将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期。
如图4所示，方波信号相邻下降沿之间的时间即为各电流纹波的周期Twave，
则读取所述方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q，则此时有：
Twave＝Q*Ts
上述纹波信号转换成方波信号过程中，毫秒级批处理纹波提取程序框图如图3(b)所示。采用微妙级中断服务程序进行AD采集，将采集到的电流信号存储到Buffer(n)中。在S321处读取当前Buffer值及n值，在S322处通过查询方式的主任务函数进行批处理纹波提取程序，将纹波信号转换成方波信号，从而得到位置信息和纹波脉宽Twave(即纹波周期)。其中，批处理查询的周期为毫秒级。
S13，根据计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到电机当前时刻的运行位置和运行速度。
在一种实施方式中，步骤S13可以包括：
(1)电机运行速度计算公式为：
ω＝(2π/M)/Twave，
其中，ω为电机转速，M为电机旋转一周产生的纹波信号个数，Twave为单个纹波信号周期。
电机在换向过程中由于电刷与换向器接触电阻变化，因此会产生纹波信号，电机运转一周产生的纹波数与换向片个数有关。
为消除换向器安装误差及纹波周期计算误差的影响，本发明方法中，进一步的，进行消除误差计算，提高计算的精确度，保证闭环控制的准确性和可靠性：
本步骤中，可将每M个纹波周期相加后计算运行速度，并对纹波周期进行滑动加和，另外由于电机刚启动时，实际电机旋转一周产生的总纹波数量会小于电机启动以后稳定运动时旋转一周产生的纹波信号个数M，因此本实施例中计算所述电机运行速度的方式为：
当k≤M时，
ω(k)＝(2πk/M)/Tsum(k)
Tsum(k)＝T1+,…,+Tk
当k>M时，
ω(k)＝2π/Tsum(k)
Tsum(k)＝Tk-M+1+Tk-M+2,…,+Tk＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk，
其中，k为当前时刻的电流波纹个数，M为电机旋转一周产生的电流波纹个数；ω(k)为电机当前时刻的运行速度，Ti表示第i个纹波周期；i＝1，...，k；当k≤M时，Tsum(k)为累加的k个纹波周期；当k>M时，Tsum(k)为累加的M个纹波周期。实际计算时，采用公式“Tsum(k)＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk”，以减小计算量。
(2)运行位置计算时，通过计算出的电流纹波的个数计算运行位置。
具体的，通过上述获得的方波信号，计算方波下降沿个数即可得到电机运行位置信息。
S14，对电流信号进行滤波处理，得到电机在当前时刻的电流直流量。
采用一阶滞后滤波从交流的电流信号提取出电流直流量，公式如下：
Filter_Value(k)＝K3*Filter_Value(k-1)+K4*AD_Value(k)
其中，Filter_Value(k)为计算得到的当前时刻的电流直流量，Filter_Value(k-1)为上一时刻参考值，K3、K4为加权系数，AD_Value(k)为当前时刻采样值；其中K3、K4为经验值，可以根据实际情况确定。
S15，根据运行速度和运行位置进行闭环调速控制。
实际控制时，采用增量式PI调节进行速度控制，控制框图参考图5所示的一个具体实施例。闭环控制过程中可根据车身闭合部件的运行位置可以确定电机的目标速度V0，根据目标速度V0和当前运行速度V之间的差值进行闭环调速控制，即将电机运行目标速度V0和纹波速度计算模块通过纹波信号计算出的电机运行实际速度V的差值输入到PI调节模块，得到占空比信号用于PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)控制，采用MOS FET全桥驱动电路构成PWM控制模块，根据占空比输出相应比例的高低电平控制电机转动，实现电机运动的闭环调速控制。
S16，根据运行位置和电流直流量进行防夹检测控制。
具体地，首选确定与所述运行位置对应的防夹阈值和参考电流值；然后，计算所述电流直流量与所述参考电流值之间的电流差值，当所述电流差值超过所述防夹阈值时，控制电机反转。
当根据运行位置判断车窗关闭过程遇到障碍物时电流增加，对比参考电流与实际电流(电流直流量)的差值，即获取当前时刻直流量Filter_Value(k)，对比Filter_Value(k)与预设的参考电流值，当差值超过设定的防夹阈值时，控制电机反转。
由于车身闭合部件当前的运行位置与设定的防夹阈值是相对固定的，因此根据获取的运行位置信息，在车身闭合部件完全关闭或完全打开时，将运行位置重置为默认值；即，车辆门窗上止点设置为0点，降窗时位置增加，升窗时位置减少。考虑到纹波计数的偏移问题，在门窗每次上堵时均将重新置为0点，下堵时位置置为最大位置。
由本发明方法仅通过采集电机实际运行参数进行分析计算实现闭环调速和防夹检测控制，与传统技术相比，减少了硬件投入，同时保证控制的可靠性，利于降低生产成本，适于推广。
另一方面，本发明还提供了基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***，可以实施本发明上述方法。
具体的，如图6所示，本发明提供的***包括：电机、采样电路、控制器(即图6中标识的“MCU”)以及驱动电路(即图6中标识的“PWM电机驱动模块”)；电机驱动端通过采样电路连接控制器的输入端；控制器输出端通过驱动电路连接电机驱动端；其中控制器中包括：
采样模块(即图6中标识的“AD采集模块”)，用于通过采样电路采集车身闭合部件的电机在运动过程中产生的电流信号；并根据电流信号计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期；
速度计算模块，用于根据所述采样模块计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到电机当前时刻的运行速度；
位置提取模块，用于根据所述采样模块计算出的电流纹波的个数计算电机的运行位置；
低通滤波模块，用于对电流信号进行滤波处理，得到电机在当前时刻的电流直流量；
闭环控制模块，用于获取运行速度和运行位置信息并计算处理，输出闭环调速控制信号至驱动电路；
防夹检测模块，用于获取运行位置信息和电流直流量并计算处理，输出防夹控制信号至驱动电路。
本发明***可以实现对多个(N个)电机运动的控制，如图2所示，每一路电机只需将两根驱动线与控制器20的输入端相连，两根驱动线既作为控制器20的输入将电机电流输入给控制器20；又可作为电机的输入，将控制器20输出的PWM调制电压信号输入给电机。控制器20可以在车厢内任意位置摆放，不受距离的限制，***框图如6所示。
具体的，以其中一路控制为例说明。本发明给出的一个具体实施例中，如图6所示，采集电路包括采样电阻和放大器，通过采集电路的采样电阻将电机运动过程中产生的电流纹波和直流量叠加后的交流信号转换成电压信号，并通过放大器进行放大处理得到采集的电流信号，传输至MCU以进行计算分析方便后续进行闭环调速、防夹控制等流程。
AD采集模块根据电流信号计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期。其中，采样电路获取的交流信号经过转换和放大器放大处理后得到电流信号，以用于后续利用电流信号计算电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期。
在一种可能的具体实施方式中，AD采集模块可以包括转换子模块，转换子模块用于利用电流参考线将电流信号转换为方波信号。
实际应用中，由于经过AD转换得到的电流信号叠加了直流量和交流量，因此在电机启动、堵转或阻力变化时电流峰谷值会随着直流量上下浮动。为此，在一个实施方式中，可将电流参考线设置为自适应参考线，具体可将电流参考线设置为一条随着直流量幅值起伏变化的参考线。实际实施中，采用一阶滞后滤波得到自适应参考线，公式如下：
Ref_Value(k)＝K1*Ref_Value(k-1)+K2*AD_Value(k)
其中，Ref_Value(k)为计算得到的当前时刻参考值，Ref_Value(k-1)为上一时刻参考值，AD_Value(k)为当前时刻采样值；K1、K2为加权系数，根据实际纹波波动情况进行标定获得。
参考图4，由纹波信号的特点可知波峰和波谷交替出现。在设立电流参考线后，可根据纹波信号的幅值与电流参考线的大小将纹波信号转换为方波信号，具体地，若纹波幅值大于该电流参考线则设置为高电平，若纹波幅值小于电流参考线则设置为低电平，设Pin_Level表示电流信号提取得到的方波信号的电平，则有：
AD_Value(k)>Ref_Value(k),Pin_Level＝1
AD_Value(k)≤Ref_Value(k),Pin_Level＝0
其中，AD_Value(k)为当前时刻采样值，Ref_Value(k)为当前时刻参考线。这样就将接近正弦的纹波信号通过Pin_Level转换成同周期的方波信号。
另外，如上所述，受限于MCU主频限制，MCU最小任务周期为ms量级，无法实现μs级采样。也就是说，受限于控制器运算能力和其他应用程序的负载率，如果在转换方波信号的同时进行采样，实际采样频率将不能满足采样频率需求。为此，实际应用中，需采用MCU中断进行电流采样，即设定一个定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序，中断服务程序内进行采样，并把采样得到的AD值存储于数据缓冲区内。后续毫秒级批处理纹波提取程序定期读取Buffer值，进行批处理，将纹波信号转换成方波信号。同时周期计算子模块可以读取方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q。
参考图3(a)，在采集直流电机纹波信号的过程中，AD采集模块设定周期为预设时长Ts的定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序以对所述电流信号进行采样得到采样值，并把采样值和采样次数存储于数据缓冲区(Buffer)内。在图3(b)中，毫秒级批处理纹波提取程序定期读取数据缓冲区内存储的Buffer值和n值，利用自适应参考线对读取的数据进行批处理，将纹波信号转换成方波信号，然后清除Buffer值，n归零。
AD采集模块还可以包括纹波统计子模块，纹波统计子模块用于将统计出的方波信号下降沿的个数作为电机在运动过程中产生的电流纹波的个数。其中，方波信号下降沿的个数即为电机在运动过程中产生的电流纹波的个数；计算方波相邻下降沿之间的时间即为纹波周期Twave。
AD采集模块还可以包括周期计算子模块，周期计算子模块用于将计算出的方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期。
如图4所示，方波信号相邻下降沿之间的时间即为各电流纹波的周期Twave，
则读取方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q，则此时有：
Twave＝Q*Ts
上述纹波信号转换成方波信号过程中，毫秒级批处理纹波提取程序框图如图3(b)所示。采用微妙级中断服务程序进行AD采集，将采集到的电流信号存储到Buffer(n)中。在S321处读取当前Buffer值及n值，在S322处通过查询方式的主任务函数进行批处理纹波提取程序，将纹波信号转换成方波信号，从而得到位置信息和纹波脉宽Twave(即纹波周期)。其中，批处理查询的周期为毫秒级。
速度计算模块用于根据AD采集模块计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行速度。在一种实施方式中，电机运行速度计算公式为：
ω＝(2π/M)/Twave，
其中，ω为电机转速，M为电机旋转一周产生的纹波信号个数，Twave为单个纹波信号周期。
如本发明方法中提及的，电机在换向过程中由于电刷与换向器接触电阻变化，因此会产生纹波信号，电机运转一周产生的纹波数与换向片个数有关。
为消除换向器安装误差及纹波周期计算误差的影响，本发明中，进一步的，还进行消除误差计算，提高计算的精确度，保证闭环控制的准确性和可靠性。
此处，将每M个纹波周期相加后计算运行速度，并对纹波周期进行滑动加和，另外考虑到电机刚启动时，实际电机旋转一周产生的总纹波数量会小于电机启动以后稳定运动时旋转一周产生的纹波信号个数M，因此本实施例中计算电机运行速度的方式为：
当k≤M时，
ω(k)＝(2πk/M)/Tsum(k)
Tsum(k)＝T1+,…,+Tk
当k>M时，
ω(k)＝2π/Tsum(k)
Tsum(k)＝Tk-M+1+Tk-M+2,…,+Tk＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk，
其中，k为当前时刻的电流波纹个数，M为电机旋转一周产生的电流波纹个数；ω(k)为电机当前时刻的运行速度，Ti表示第i个纹波周期；i＝1，...，k；当k≤M时，Tsum(k)为累加的k个纹波周期；当k>M时，Tsum(k)为累加的M个纹波周期。实际计算时，采用公式“Tsum(k)＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk”，以减小计算量。
位置提取模块进行运行位置计算时，通过计算出的电流纹波的个数计算运行位置。具体的，通过上述获得的方波信号，计算方波下降沿个数即可得到电机运行位置信息。
低通滤波模块对电流信号进行滤波处理，得到电机在当前时刻的电流直流量。本实施例中，采用一阶滞后滤波从交流的电流信号提取出电流直流量，公式如下：
Filter_Value(k)＝K3*Filter_Value(k-1)+K4*AD_Value(k)
其中Filter_Value(k)为计算得到的当前时刻的电流直流量，Filter_Value(k-1)为上一时刻参考值，K3、K4为加权系数，AD_Value(k)为当前时刻采样值；其中K3、K 4为经验值，可以根据实际情况确定。
闭环控制模块根据运行速度和运行位置进行闭环调速控制。闭环控制模块获取运行速度和运行位置信息并计算处理，输出闭环调速控制信号至驱动电路时，采用增量式PI调节进行速度控制，控制框图参考图5所示的一个具体实施例。闭环控制模块将电机运行目标速度V0和纹波速度计算模块通过纹波信号计算出的电机运行实际速度V的差值输入到PI调节模块，得到占空比信号用于PWM控制，采用MOS FET全桥驱动电路构成PWM控制模块，根据占空比D输出相应比例的高低电平控制电机转动，实现电机运动的闭环调速控制。
防夹检测模块根据运行位置和电流直流量进行防夹检测控制。具体地，防夹检测模块首选确定与所述运行位置对应的防夹阈值和参考电流值；然后，计算所述电流直流量与所述参考电流值之间的电流差值，当所述电流差值超过所述防夹阈值时，输出反转命令控制电机反转。
当根据运行位置判断车窗关闭过程遇到障碍物时电流增加，对比参考电流与实际电流(电流直流量)的差值，即获取当前时刻直流量Filter_Value(k)，对比Filter_Value(k)与预设的参考电流值，当差值超过设定的防夹阈值时，控制电机反转。
由于车身闭合部件当前的运行位置与设定的防夹阈值是相对固定的，因此防夹检测模块获取运行位置信息，在车身闭合部件完全关闭或完全打开时，将运行位置重置为默认值；即，车辆门窗上止点设置为0点，降窗时位置增加，升窗时位置减少。考虑到纹波计数的偏移问题，在门窗每次上堵时均将重新置为0点，下堵时位置置为最大位置。
本发明提供的***仅通过采集电机实际运行参数进行分析计算实现闭环调速和防夹检测控制，与传统技术相比，减少了硬件投入，同时保证控制的可靠性，利于降低生产成本，适于推广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，其特征在于，应用于控制器，包括步骤：
采集所述车身闭合部件的电机在运动过程中产生的电流信号；
根据所述电流信号计算所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期；
根据计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行位置和运行速度；
对所述电流信号进行滤波处理，得到所述电机在当前时刻的电流直流量；
根据所述运行速度和所述运行位置进行闭环调速控制，其中，根据所述运行位置确定所述电机的目标速度，根据所述目标速度和当前运行速度之间的差值进行所述闭环调速控制；
根据所述运行位置和所述电流直流量进行防夹检测控制，
其中，确定与所述运行位置对应的防夹阈值和参考电流值；计算所述电流直流量与所述参考电流值之间的电流差值，当所述电流差值超过所述防夹阈值时，控制电机反转，
其中，根据计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行位置和运行速度，包括：
根据计算出的电流纹波的个数计算所述运行位置；
计算所述运行速度的方式为：
当k≤M时，
ω(k)＝(2πk/M)/Tsum(k)
Tsum(k)＝T1+,…,+Tk
当k>M时，
ω(k)＝2π/Tsum(k)
Tsum(k)＝Tk-M+1+Tk-M+2,…,+Tk＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk，
其中，k为当前时刻的电流波纹个数，M为所述电机旋转一周产生的电流波纹个数；ω(k)为所述电机当前时刻的运行速度，Ti表示第i个纹波周期；i＝1，...，k；当k≤M时，Tsum(k)为累加的k个纹波周期；当k>M时，Tsum(k)为累加的M个纹波周期。
2.根据权利要求1所述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，其特征在于，根据所述电流信号计算所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，包括：
利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号；
将统计出的所述方波信号下降沿的个数作为所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数；
将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期；
其中，所述电流参考线为自适应参考线。
3.根据权利要求2所述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，其特征在于，利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号，包括：
设定周期为预设时长Ts的定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序以对所述电流信号进行采样得到采样值，并把采样值和采样次数存储于数据缓冲区内，其中，预设时长Ts满足香农采样定理；
毫秒级批处理纹波提取程序定期读取数据缓冲区内的数据，利用所述自适应参考线对读取的数据进行批处理，将纹波信号转换成方波信号；
相应地，将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期，包括：
读取所述方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q；
利用公式Twave＝Q*Ts计算出所述方波信号相邻下降沿之间的时间。
4.根据权利要求2所述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，其特征在于，采用一阶滞后滤波得到所述自适应参考线，计算公式为：
Ref_Value(k)＝K1*Ref_Value(k-1)+K2*AD_Value(k)，
其中，Ref_Value(k)为计算得到的当前时刻参考值，Ref_Value(k-1)为上一时刻参考值，AD_Value(k)为当前时刻采样值；K1、K2为加权系数；
则，令Pin_Level表示电流信号转换得到的方波信号的电平，有：
AD_Value(k)>Ref_Value(k),Pin_Level＝1，
AD_Value(k)≤Ref_Value(k),Pin_Level＝0。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的方法，其特征在于，还包括：
在所述车身闭合部件完全关闭或完全打开时，将所述运行位置重置为默认值。
6.一种基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***，其特征在于，包括电机、采样电路、控制器以及驱动电路；所述电机通过所述采样电路连接所述控制器的输入端；所述控制器输出端通过所述驱动电路连接所述电机；其中，所述控制器包括：
采样模块，用于通过所述采样电路采集所述电机在运动过程中产生的电流信号；并根据所述电流信号计算所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数及各电流纹波的周期；
速度计算模块，用于根据所述采样模块计算出的电流纹波的个数及各电流纹波的周期，计算得到所述电机当前时刻的运行速度；
位置提取模块，用于根据所述采样模块计算出的电流纹波的个数计算所述电机当前时刻的运行位置；
低通滤波模块，用于对所述电流信号进行滤波处理，得到所述电机在当前时刻的电流直流量；
闭环控制模块，用于获取所述运行速度和所述运行位置并计算处理，输出闭环调速控制信号至所述驱动电路，其中，根据所述运行位置确定所述电机的目标速度，根据所述目标速度和当前运行速度之间的差值输出所述闭环调速控制信号；
防夹检测模块，用于获取所述运行位置和所述电流直流量并计算处理，输出防夹控制信号至所述驱动电路，
其中，确定与所述运行位置对应的防夹阈值和参考电流值；计算所述电流直流量与所述参考电流值之间的电流差值，当所述电流差值超过所述防夹阈值时，控制电机反转，
其中，速度计算模块计算所述运行速度的方式为：
当k≤M时，
ω(k)＝(2πk/M)/Tsum(k)
Tsum(k)＝T1+,…,+Tk
当k>M时，
ω(k)＝2π/Tsum(k)
Tsum(k)＝Tk-M+1+Tk-M+2,…,+Tk＝Tsum(k-1)–Tk-M+Tk，
其中，k为当前时刻的电流波纹个数，M为所述电机旋转一周产生的电流波纹个数；ω(k)为所述电机当前时刻的运行速度，Ti表示第i个纹波周期；i＝1，...，k；当k≤M时，Tsum(k)为累加的k个纹波周期；当k>M时，Tsum(k)为累加的M个纹波周期。
7.根据权利要求6所述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***，其特征在于，所述采样模块包括：
转换子模块，用于利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号；
纹波统计子模块，用于将统计出的所述方波信号下降沿的个数作为所述电机在运动过程中产生的电流纹波的个数；
周期计算子模块，用于将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期；
其中，所述电流参考线为自适应参考线。
8.根据权利要求7所述的基于直流电机纹波控制车身闭合部件的***，其特征在于，
所述转换子模块利用电流参考线将所述电流信号转换为方波信号，包括：
设定周期为预设时长Ts的定时中断，时钟每计时达到预设时长Ts跳转进入一次中断，执行中断服务程序以对所述电流信号进行采样得到采样值，并把采样值和采样次数存储于数据缓冲区内，其中，预设时长Ts满足香农采样定理；
毫秒级批处理纹波提取程序定期读取数据缓冲区内的数据，利用所述自适应参考线对读取的数据进行批处理，将纹波信号转换成方波信号；
相应地，所述周期计算子模块将计算出的所述方波信号相邻下降沿之间的时间作为各电流纹波的周期，包括：
读取所述方波信号相邻下降沿之间的采样次数Q；
利用公式Twave＝Q*Ts计算出所述方波信号相邻下降沿之间的时间。
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