汽車電動尾門電機控制裝置及方法與流程

本發明涉及汽車電子控制技術領域，特別涉及一種汽車電動尾門電機控制裝置及方法。

背景技術：

現有的汽車電動尾門采用直流電機進行驅動，控制器根據電機所需的驅動能力輸出脈沖寬度調制(pwm)信號，來控制電機電流的大小，通常采用比例-積分(pi)反饋控制方法來使電機運行過程穩定。

通常采用的比例-積分(pi)反饋控制，是通過調節相應的比例系數和積分系數等參數，獲取最優的控制性能。通用pi控制計算式為：

其中：kp為比例系數，ki為積分系數，u(t)是輸出控制量。在單片機中要實現pi控制算法，還需要將pi控制參數離散化。pwm脈寬調制的電機，在轉速控制過程中，采用了比例-積分控制方法后，可以使系統在擾動的作用下，通過比例和積分的算法調節作用使電動機的轉速達到靜態無差。但實際使用時，常規pi控制算法的ki和kp參數會在標定調試后固定。使用kp參數固定的pi控制算法，電機的運行平穩度仍不完美：運行中遇到外部短促干擾會出現抖動，尤其在啟動和停止階段等易出現干擾的情況下未設置kp參數調節功能時，電機運行很容易出現抖動。

因此，需要設計一種可調節pi控制算法參數的汽車電動尾門電機控制裝置及方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種汽車電動尾門電機控制裝置及方法，以解決現有的汽車電動尾門電機控制中的pi算法參數無法調節的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種汽車電動尾門電機控制裝置，所述汽車電動尾門電機控制裝置包括控制器、驅動模塊、測量單元和電機，其中：

所述電機轉動帶動所述汽車電動尾門進行升降運動；

所述測量單元測量所述電機實際轉速，并將所述電機實際轉速提供給所述控制器；

所述控制器根據比例-積分算法計算所述驅動模塊的占空比；

所述控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例-積分算法中的比例系數的值；

所述驅動模塊根據所述占空比驅動所述電機轉動。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制裝置中，所述占空比為：

其中：kp為所述控制器設置的比例系數，ki為所述控制器設置的積分時間常數，e(k)為所述占空比的偏移量，u(k)為所述占空比的輸出值。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制裝置中，所述控制器根據所述電機目標轉速設置若干個速度閾值范圍，所述控制器根據所述電機實際轉速判斷所述電機當前所處的速度閾值范圍。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制裝置中，所述控制器根據所述電機當前所處的速度閾值范圍設置所述比例-積分算法中的比例系數的值。

本發明還提供一種汽車電動尾門電機控制方法，所述汽車電動尾門電機控制方法包括：

通過電機轉動帶動所述汽車電動尾門進行升降運動；

通過測量單元測量所述電機實際轉速，并將所述電機實際轉速提供給所述控制器；

控制器根據比例-積分算法計算所述驅動模塊的占空比；

控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例-積分算法中的比例系數的值；

驅動模塊根據所述占空比驅動所述電機轉動。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，所述控制器根據比例-積分算法計算占空比包括：

其中：kp為所述控制器設置的比例系數，ki為所述控制器設置的積分時間常數，e(k)為所述占空比的偏移量，u(k)為所述占空比的輸出值；

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，所述控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例-積分算法中的比例系數的值包括：

所述控制器根據所述電機目標轉速設置若干個速度閾值范圍；

所述控制器根據所述電機實際轉速判斷所述電機當前所處的速度閾值范圍；

所述控制器根據所述電機當前所處的速度閾值范圍設置所述比例-積分算法中的比例系數的值。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，所述速度閾值范圍包括正速度閾值范圍和負速度閾值范圍，其中：

當電機實際轉速大于電機目標轉速，則電機當前所處的速度閾值范圍為所述正速度閾值范圍，所述正速度閾值范圍對應系數為正的比例系數；

當電機實際轉速小于電機目標轉速，則電機當前所處的速度閾值范圍為所述負速度閾值范圍，所述負速度閾值范圍對應系數為負的比例系數。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，所述正速度閾值范圍均處于電機目標轉速與電機最高轉速之間速度值的前10％～50％范圍內，所述負速度閾值范圍均處于零轉速與所述電機目標轉速之間速度值的后10％～50％范圍內。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，所述系數相同的比例系數的值之間為倍數關系，電機實際轉速與電機目標轉速差值越大，對應的比例系數的絕對值越大。

可選的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，若所述電機實際轉速大于電機目標轉速，且位于所有速度閾值范圍之外時，則所述控制器將所述比例系數設置為系數為正的絕對值最大的比例系數，若所述電機實際轉速小于電機目標轉速，且位于所有速度閾值范圍之外時，則所述控制器將所述比例系數設置為系數為負的絕對值最大的比例系數。

在本發明提供的汽車電動尾門電機控制裝置及方法中，通過所述控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值大小來設置所述比例系數的值，對pi算法進行優化，通過根據電機實際轉速和電機目標轉速之間差值不同的情況，設置不同的pi的控制參數，使得電機實際轉速和電機目標轉速之間差值回調的能力得到實時調整和加強，實時調整和加強了回調控制能力后，在實際使用情況下，電機運行的平穩度有一定的提高，使得電動尾門在運行的過程中更加平穩。

附圖說明

圖1是本發明汽車電動尾門電機控制裝置原理示意圖；

圖2是本發明汽車電動尾門電機控制方法流程圖；

圖3是現有的汽車電動尾門電機控制電流波形圖；

圖4是本發明汽車電動尾門電機控制電流波形圖；

1-控制器；2-驅動模塊；3-電機；4-測量單元。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的汽車電動尾門電機控制裝置及方法作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

本發明的核心思想在于提供一種可調節pi控制算法參數的汽車電動尾門電機控制裝置及方法，以解決現有的汽車電動尾門電機控制中的pi算法參數無法調節的問題。

為實現上述思想，本發明提供了一種汽車電動尾門電機控制裝置，所述汽車電動尾門電機控制裝置包括控制器、驅動模塊、測量單元和電機，其中：通過電機轉動帶動所述汽車電動尾門進行升降運動；通過測量單元測量所述電機實際轉速，并將所述電機實際轉速提供給所述控制器；控制器根據比例-積分算法計算所述驅動模塊的占空比；控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例-積分算法中的比例系數的值；驅動模塊根據所述占空比驅動所述電機轉動。

<實施例一>

本實施例提供一種汽車電動尾門電機控制裝置，如圖1所示，所述汽車電動尾門電機控制裝置包括控制器1、驅動模塊2、測量單元4和電機3，其中：所述電機3轉動帶動所述汽車電動尾門進行升降運動；所述測量單元4測量所述電機實際轉速，并將所述電機實際轉速提供給所述控制器1；所述控制器1根據比例-積分算法計算所述驅動模塊2的占空比；所述控制器1根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例-積分算法中的比例系數的值；所述驅動模塊2根據所述占空比驅動所述電機3轉動。

具體的，計算所述占空比所使用的比例-積分算法如下：

其中：kp為所述控制器1設置的比例系數，ki為所述控制器1設置的積分時間常數，e(k)為所述占空比的偏移量，u(k)為所述占空比的輸出值；所述控制器1根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例系數的值。

在本實施例提供的汽車電動尾門電機控制裝置中，通過所述控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值大小來設置所述比例系數的值，對pi算法進行優化，通過根據電機實際轉速和電機目標轉速之間差值不同的情況，設置不同的pi的控制參數，使得電機實際轉速和電機目標轉速之間差值回調的能力得到實時調整和加強，實時調整和加強了回調控制能力后，在實際使用情況下，電機運行的平穩度有一定的提高，使得電動尾門在運行的過程中更加平穩。

具體的，在所述的汽車電動尾門電機控制裝置中，所述控制器1根據所述電機目標轉速設置若干的速度閾值范圍，并根據所述電機實際轉速判斷所述電機3當前所處的速度閾值范圍。所述控制器1根據所述電機3當前所處的速度閾值范圍設置所述比例-積分算法中的比例系數的值。

進一步的，當電機實際轉速大于電機目標轉速，則電機當前所處的速度閾值范圍為所述正速度閾值范圍，所述正速度閾值范圍對應系數為正的比例系數；當電機實際轉速小于電機目標轉速，則電機當前所處的速度閾值范圍為所述負速度閾值范圍，所述負速度閾值范圍對應系數為負的比例系數。所述正速度閾值范圍均處于電機目標轉速與電機最高轉速之間速度值的前10％～50％范圍內，所述負速度閾值范圍均處于零轉速與所述電機目標轉速之間速度值的后10％～50％范圍內，是指在電機目標轉速值附近的正負10％～50％的速度值區域內進行速度閾值范圍的劃分，即-10％到-50％之間的一個數值，到10％到50％之間的一個數值，兩個數值之間的范圍內，例如-20％～25％之間。

所述電機實際轉速位于所有速度閾值范圍之外時，控制器將電機當前所處的速度閾值范圍設置為離所述電機實際轉速的值最接近的速度閾值范圍，例如控制器設置的速度閾值范圍在-20％～25％之間，而電機當前速度為-30％，則控制器判定電機當前處于-20％的速度閾值范圍內，當前的kp值的即是-20％的速度閾值范圍對應的kp值。所述速度閾值范圍的數量由所述電機目標轉速決定。所述速度閾值范圍對應的所述比例系數的值為其接近所述電機目標轉速一端的鄰近的所述速度閾值范圍對應的所述比例系數的值的倍數，即kp-n的值是kp-n-1的值的倍數，而kp-n-1對應的速度閾值范圍比kp-n更靠近目標轉速，例如，kp-n的值是kp-n-1的值的兩倍。

本實施例中的汽車電動尾門電機控制裝置，通過所述控制器根據所述電機目標轉速設置若干個速度閾值范圍，所述控制器根據所述電機實際轉速判斷所述電機當前所處的速度閾值范圍，具體的，對應pi算法中的kp參數進行了速度閾值范圍的劃分，賦予不同速度閾值范圍下不同的控制權重，所述控制器根據所述電機當前所處的速度閾值范圍設置所述比例系數的值。

具體實現上，技術方案可以依照上述方式，根據實際調試情況，靈活選擇速度閾值范圍的數量和速度閾值范圍的邊界。首先，所述控制器根據所述電機目標轉速設置若干的速度閾值范圍，速度閾值范圍的數量是指將電機目標轉速值附近的速度劃分為多少個速度閾值范圍，速度閾值范圍的數量可以根據需要設置n個，n的最低值為1，最高可以是n＝(正負差值的最大值之和)/(差值識別精度)；速度閾值范圍的邊界是指pi控制目標速度值為中心，向正負偏移值移動時，不再進行kp值區分的邊界，即在此邊界中，kp值保持不變。速度閾值范圍的邊界的選取可以根據實際情況調節，本實施例中設置為正負20％，若電機實際轉速剛好等于電機目標轉速，則kp＝0。

以控制電機目標轉速穩定到1000轉/分鐘為例，系統轉速控制精度0.1轉/分鐘，系統最高轉速max＝2500轉/分鐘。設置速度閾值范圍的邊界時，最低邊界可以到0轉/分鐘，最高邊界可以是電機系統達到的最高轉速。而速度閾值范圍的個數的設置最低是1(等于未分段)；低于1000轉時的速度閾值范圍的個數最高可以是1000/0.1＝10000段，而大于1000轉時的速度閾值范圍的個數設置可以是(max－1000)/0.1＝(2500-1000)/0.1＝15000段。速度閾值范圍太多對于單片機而言存儲負荷太重，實際操作中速度閾值范圍的個數可以根據系統的控制效果來取舍。

具體的，以速度閾值范圍的個數設置為8段，分段邊界為最高邊界和最低邊界以目標值+/-200轉/分鐘為例：控制目標速度為1000轉/分鐘，設置8個kp值，即將速度1000轉/分鐘周圍，偏移+/-200轉/分鐘的范圍進行區段劃分。具體分段設置可以是：1000－1050，1050－1100，1100－1150，1150－1200；1000－950，950－900，900－850，850－800。此例中800轉/分鐘為最低邊界，1200轉/分鐘為最高邊界。在不同的速度區間內，將采用不同的kp-n值，具體每段的kp-n值的大小，根據實際標定情況進行調整。總體的原則是偏移值越大的區段，kp-n值越大。例如我們可以設置1000－1050為kp-1＝x，1050－1100為kp-2＝2*x，1100－1150為kp-3＝4*x，1150－1200為kp-4＝8*x，依照分段邊界的概念，大于1200時采用的是kp-4值；目標值小于1000的分段方法類似950－1000為kp-5＝y，900－950為kp-6＝2*y，850－900為kp-7＝4*y，800－850為kp-8＝8*y，小于800時采用的是kp-8值。

總之，為了解決比例調節的這個自身缺陷，我們采取對不同速度閾值范圍使用不同kp值的方法。即比例調節的參數kp不再是同一個值，而是以pi控制的目標值為中心，對分別位于目標轉速正負兩側10％～50％的區域內的速度值進行分區設置。在實際轉速和目標轉速的差值較大時，kp參數設置較大，可以使回調的速度加快，在實際轉速和目標轉速的差值較小時，kp參數較小，調節時超調的量不會過大。

<實施例二>

本發明還提供一種汽車電動尾門電機控制方法，如圖2所示，首先，進行步驟s11：所述控制器根據所述電機目標轉速設置若干個速度閾值范圍；然后進行步驟s12：通過測量單元4測量所述電機實際轉速，并將所述電機實際轉速提供給所述控制器1；步驟s13：所述控制器根據所述電機實際轉速判斷所述電機當前所處的速度閾值范圍；步驟s14：所述控制器根據所述電機當前所處的速度閾值范圍設置所述比例-積分算法中的比例系數的值；步驟s15：在設置好比例系數的值后，控制器1根據比例-積分算法計算占空比；最后進行步驟s16：驅動模塊2根據計算得到的所述占空比驅動所述電機3轉動，電機轉速與占空比成正比例關系；電機3轉動帶動所述汽車電動尾門進行升降運動。

具體的，步驟s15中所述控制器根據比例-積分算法計算占空比包括：

其中：kp為所述控制器設置的比例系數，ki為所述控制器設置的積分時間常數，e(k)為所述占空比的偏移量，u(k)為所述占空比的輸出值；所述控制器1根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例系數的值。

為了解決比例調節容易超調的自身缺陷，我們采取對不同速度閾值范圍使用不同kp值的方法。即比例調節的參數kp不再是同一個值，而是以pi控制的目標值為中心，對分別位于目標轉速正負兩側10％～50％區域內的速度值進行分區設置。在實際轉速和目標轉速的差值較大時，kp參數設置較大，可以使回調的速度加快，在實際轉速和目標轉速的差值較小時，kp參數較小，調節時超調的量不會過大。

進一步的，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，步驟s11、步驟s13和步驟s14，都是“所述控制器根據電機實際轉速和電機目標轉速之間的差值的大小來設置所述比例-積分算法中的比例系數的值”這一步驟的一部分。

本實施例通過所述控制器根據所述電機目標轉速設置若干個速度閾值范圍，所述控制器根據所述電機實際轉速判斷所述電機當前所處的速度閾值范圍，具體的，對應pi算法中的kp參數進行了速度閾值范圍的劃分，賦予不同速度閾值范圍下不同的控制權重，所述控制器根據所述電機當前所處的速度閾值范圍設置所述比例系數的值。

如圖3～4所示，由本實施例中的汽車電動尾門電機控制方法優化后的電機轉速曲線明顯比現有技術中的電機轉速曲線穩定，進行kp分區段控制之后，當電機實際轉速和目標轉速差值較小時，不必使kp參數過大就具有快速回調的能力，同時超調量與較小的kp值時保持一致，也比較小且恢復快，反之，差值越大，kp值越大，調節能力相對越高，實際工程應用中，可以使電動尾門的運行更加平穩。根據這樣的方法進行調整后的kp參數，將作用于不同速度閾值范圍，最終表現出來的效果是在不同速度閾值范圍下的pi算法中的比例調節能力的變化，這一變化使得整個由pi控制的運行過程更加平穩。

具體的，所述速度閾值范圍包括正速度閾值范圍和負速度閾值范圍，其中：當電機實際轉速大于電機目標轉速，則電機當前所處的速度閾值范圍為所述正速度閾值范圍，所述正速度閾值范圍對應系數為正的比例系數；當電機實際轉速小于電機目標轉速，則電機當前所處的速度閾值范圍為所述負速度閾值范圍，所述負速度閾值范圍對應系數為負的比例系數。所述正速度閾值范圍均處于電機目標轉速與電機最高轉速之間速度值的前10％～50％范圍內，所述負速度閾值范圍均處于零轉速與所述電機目標轉速之間速度值的后10％～50％范圍內，是指在電機目標轉速值附近的正負10％～50％的速度值區域內進行速度閾值范圍的劃分，即-10％到-50％之間的一個數值，到10％到50％之間的一個數值，兩個數值之間的范圍內，例如-20％～25％之間。

所述系數相同的比例系數的值之間為倍數關系，電機實際轉速與電機目標轉速差值越大，對應的比例系數的絕對值越大。所述速度閾值范圍對應的所述比例系數的值為其接近所述電機目標轉速一端的鄰近的所述速度閾值范圍對應的所述比例系數的值的倍數，即kp-n的值是kp-n-1的值的倍數，而kp-n-1對應的速度閾值范圍比kp-n更靠近目標轉速，例如，kp-n的值是kp-n-1的值的兩倍，優選的，為偶數倍，可使控制器的計算速率更快。

若所述電機實際轉速大于電機目標轉速，且位于所有速度閾值范圍之外時，則所述控制器將所述比例系數設置為系數為正的絕對值最大的比例系數，若所述電機實際轉速小于電機目標轉速，且位于所有速度閾值范圍之外時，則所述控制器將所述比例系數設置為系數為負的絕對值最大的比例系數。具體的，所述電機實際轉速位于所有速度閾值范圍之外時，控制器將電機當前所處的速度閾值范圍設置為離所述電機實際轉速的值最接近的速度閾值范圍，例如控制器設置的速度閾值范圍在-20％～25％之間，而電機當前速度為-30％，則控制器判定電機當前處于-20％的速度閾值范圍內，當前的kp值的即是-20％的速度閾值范圍對應的kp值。

本實施例通過將速度閾值范圍設置為電機目標轉速周圍的某一范圍內，縮小了控制器需要存儲的信息量，當電機實際轉速不處于所有速度閾值范圍時，控制器可直接設置系數相同的絕對值最大的比例系數，以免速度閾值范圍數量太多而增加控制器的計算量。更進一步，所述系數相同的比例系數的值之間為倍數關系，只需存儲一個基數即可，其他比例系數在基數的基礎上進行倍數相乘即可，可以使控制器計算更加簡便和快捷。

另外，在所述的汽車電動尾門電機控制方法中，所述速度閾值范圍的數量由所述電機目標轉速和/或所述控制器的運行能力決定。

本實施例中的汽車電動尾門電機控制裝置及方法使kp值的設置更加靈活，差值大的速度閾值范圍可以設置較大的kp值，使比例調節具備更強的調節能力和穩定性。實際效果上看，會使運行過程中的電機穩定性更高，減弱發生超調時的影響。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統而言，由于與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，并非對本發明范圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬于權利要求書的保護范圍。