CN104553911B - 汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法，首先通过对座椅系统中有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的电流进行采样、放大、模数转换，得到有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的的数字化的电机电流波形，然后对电流纹波的周期特征用软件算法进行分析、识别、计数，用于实现电机的位置控制。通过识别有刷直流电机旋转时产生的电流波动个数来实现座椅记忆功能。当驾驶员再次驾驶该车时，只需按相应的记忆按键，控制有刷直流电机运转，驱动执行机构，使座椅自动调整到相应的记忆位置。本发明无需增加额外的线束和传感器，节省了成本，降低了应用中的复杂性和故障率，减少了不同的驾驶员手动调节座椅的时间，增加了乘用车的舒适度。

Description

汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法

技术领域

本发明涉及一种汽车可记忆电动座椅，尤其涉及一种可记忆电动座椅的控制系统及控制方法。

背景技术

随着电子控制技术在汽车领域的广泛应用，越来越多的汽车采用可记忆电动控制座椅系统。通过跟踪从电机来的反馈信号来控制座椅位置的调整，从而达到座椅控制系统的可记忆功能：如图1所示，把座位1调到舒适的位置后，按下控制面板2上记忆键(先按“Set”键，然后再按下“1”或“2”或“3”键)，此时当前座椅位置(所有方向：A、B、C、D、E、F位置的坐标)将被记忆。当下次需重新调整到此位置时，只需按下对应的记忆键(“1”或“2”或“3”)，座椅控制系统便根据之前的记忆信息，自动运行调整各个行程到达记忆的位置，无须手动调整各个方向。

如何准确获知座椅各个电机的当前位置将是整个控制系统的关键。传统上通常利用光电编码器或霍尔效应传感器，从电机轴或安装在轴上的负载获取脉冲信号反馈到控制单元，以获知电机的速度或位置信息。而为了降低成本、减少应用中的复杂性和故障率，不使用传感器而直接利用电机本身产生的纹波计数方法将成为直流电机精确控制的发展方向。

通常座椅系统中采用的是具有换向器的有刷直流电机，当电机旋转时，通过换向器线圈与电源进行切换。由于线圈是感性元件，每次在与电源进行切换时会有反向电动势产生，形成交流信号，叠加在电源两端，使原有的直流电源产生弯曲变化，每一次弯曲变化即是一个纹波(Ripple)，如图2a，b所示。座椅系统所选定的有刷直流电机有8个绕组，电机旋转一圈换向8次，产生8个纹波。对纹波进行计数，便可以判断出电机旋转的圈数。座椅各个方向的行程是固定的，因此就可以知道座椅当前所处的位置，从而达到对座椅进行精确控制的目的。

对于座椅控制系统来讲，采用无传感器的纹波计数方法进行电机控制，不需要增加额外的传感器和反馈线束，降低了系统中实现的复杂性和成本，必将成为座椅控制系统的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法，通过控制直流电机运转产生的反馈，驱动执行机构进行座椅位置的调节。根据所存储的位置信息，座椅自动调整到相应的记忆位置；在不增加传感器和线束的基础上，通过测量电机旋转时产生的电流波动，进行纹波计数实现座椅控制系统的记忆功能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法，首先通过对座椅系统中有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的电流进行采样、放大、模数转换，得到有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的的数字化的电机电流波形，然后对电流纹波的周期特征用软件算法进行分析、识别、计数，用于实现电机的位置控制。

软件算法采用如下方法实现捕获纹波个数：

1.将AD采样频率缩短至1ms或以下一次，保证所有纹波处于AD采样的窗口内，记录采样数据；

2.分析采样数据，软件算法分析数据中前后两次采样差值接近于0的次数，即曲线中的“波峰”或“波谷”(斜率为0，)出现的次数n_开始；其中，i为电机线圈电流；

3.将所有出现时的次数进行累加后并除以2(“波峰”与“波谷”斜率均为0)，得到在开始阶段的纹波个数N_开始；

4.将N_运行、N_开始与N_制动相加后得到电机在此行程上的纹波个数N_行程，即电机当前的位置：N_行程＝N_运行+N_开始+N_制动。

采用软件算法对于制动阶段纹波波形，需要先将电流整流成正向后再进行软件分析，得到制动阶段的电机纹波个数N_制动。

采用软件算法实现捕获纹波个数后还需要消除误差，其具体方法是：

1.开启电机，使电机在某行程上只有一次从开始至制动阶段运行，中间不停止；

2.软件算法采集和记录上述行程上的纹波个数N_行程；

3.重复步骤1、步骤2，使N_行程的数量达到的样本所需的采集量；

4.对以上得到的样本数量进行求平均值N_平均；

5.将单次软件算法计算出的纹波数量N_行程与N平均进行比较，如有差值，对N_行程进行修正，最后得到相对准确的单行程纹波数量为N_行程+N_修正。

本发明的有益效果：

本发明的方法，通过行业内通用测试标准测得座椅控制系统的精确度为：≤2mm，对应角度：≤3⁰，满足了汽车座椅控制系统的精度要求。

本发明无需增加额外的线束和传感器，节省了成本，降低了应用中的复杂性和故障率，减少了不同的驾驶员手动调节座椅的时间，增加了乘用车的舒适度。

附图说明

图1是座椅控制系统图；

图2a是有刷直流电机在运行时电流产生的波形图；

图2b是电机绕组及产生感应电流示意图；

图3是直流电机电阻变化波形图；

图4a是电机开始和运行阶段控制图；

图4b是电机制动阶段控制图；

图5是电机开始和运行阶段电流纹波波形及识别图；

图6是电机制动阶段电流纹波波形及识别图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

一种汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法，首先通过对座椅系统中有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的电流进行采样、放大、模数转换，得到有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的的数字化的电机电流波形，并对电流纹波的周期特征用软件算法进行分析、识别、计数，用于实现电机的位置控制。

电机的运转可以分为开始、运行、制动三个阶段，电机两端接通直流电源时，电机开始运转，加速直至运行平稳，在制动阶段，电机两端接地，由于电机仍在运转，将产生一个反向的感应电流。通过对正向电流与反向电流的纹波的波形、周期特征进行分析、识别、计数，判断出电机在三个阶段所得到纹波个数。座椅各个方向的行程是固定的，将开始阶段、平稳运行阶段与制动阶段的纹波个数三者相加起来就得到了电机在此行程运行的总圈数。依据电机各物理量关系式：

其中，u为电机两端的电压；R为电机电阻；i为电机线圈电流；L为电机线圈自感系数；E为常数。当L、E、u一定，i的波形给出时，电阻R的值即可确定，试验测得电机电阻R的波形近似于如图2所示。至此，可以得出结论：电机在运行过程中，由于其结构特点，最先变化的只是其自身电阻，转子转过的角度(θ)不同，其阻值跟着变化，其电流也会随着电阻的变化而变化。因此，电流的每一次高低变化就意味着电机电阻的一次从低到高的变化，也就是转子的一次换向。确定了电流的波峰个数也就确定了电阻的变化次数，从而也确定了电机换向的次数，即得到了电机在此行程的长度，从而获知了座椅所处的位置。

试验测得，运行阶段的电流波形较平稳，近似于周期性正弦波。开始阶段为正向峰值不同的非周期性电流，而制动阶段为负向不同峰值的非周期性电流。对开始阶段、运行阶段与制动阶段的波形进行过滤、放大、反相等电路处理后得到的波形如图5、图6所示。

将电流通过合适负载后引至处理器的AD端口进行采样分析：

对于运行阶段的电流波形，由于此阶段波形比较平稳，近似于正弦波，软件算法较简单。在AD采样的中断服务程序中，只要通过比较运算得出各个采样点的最大值、最小值，然后将最大值、最小值出现的次数依次累加起来就得到了运行阶段的纹波个数N_运行。

对于开始阶段纹波波形，此阶段的波形较不规则，分析略复杂。可以发现在每次电刷换向时总会有一个“波峰”出现，由前面分析得知，“波峰”的个数就是转子电阻变化的次数，也即是此阶段的纹波的数量。软件算法可采用如下方法实现捕获纹波个数：

1.将AD采样频率缩短至1ms或以下一次，保证所有纹波处于AD采样的窗口内，记录采样数据。

2.分析采样数据，软件算法分析数据中前后两次采样差值接近于0的次数，即曲线中的“波峰”或“波谷”(斜率为0，)出现的次数n_开始。

3.将所有出现时的次数进行累加后并除以2(“波峰”与“波谷”斜率均为0)，得到在开始阶段的纹波个数N_开始。

对于制动阶段纹波波形，由于制动阶段电流为负向，需要先将电流整流成正向后(如图6曲线所示)再进行软件分析。分析的过程与开始阶段类似，不再赘述。将得到制动阶段的电机纹波个数N_制动。

将N_运行、N_开始与N_制动相加后得到电机在此行程上的纹波个数N_行程，即电机当前的位置。N_行程＝N_运行+N_开始+N_制动。经过大量测试得到，软件算法得出的N_运行是比较准确的。但由于开始与制动阶段波形本身复杂、存在失真，又经过硬件电路过滤、整理，软件算法得出的N_开始、N_制动与实际值之间会存在一定的误差。特别是电机在经过多次“启动→制动”情况下。消除误差的方法是：

1.开启电机在某行程上运行至满行程(从开始运行至结尾，中间不停止，即保证电机只有一次开始与制动阶段)。

2.软件算法采集此行程上的纹波个数N_行程，并记录。

3.重复步骤1、步骤2，使N_行程的数量达到足够的样本量。

4.对以上得到的样本数量进行求平均值N_平均，N_平均是此行程的相对准确的纹波数量，应预先采集通过统计规律得出。

5.将单次软件算法计算出的纹波数量N_行程与N_平均进行比较，如有差值，可对N_行程进行修正，最后得到相对准确的单行程纹波数量N_行程+N_修正。

至此，单一行程的纹波检测已完成。对于座椅其它行程的纹波检测的方法是相同的。应用本方案，通过行业内通用测试标准测得座椅控制系统的精确度为：≤2mm，对应角度：≤3⁰，满足了汽车座椅控制系统的精度要求。

实施例：

如图2a，图2b所示，图2a为有刷直流电机在运行时电流产生的波形，图2b为电机绕组及产生感应电流示意图。

图3是电机转子在旋转时，电机的电阻变化波形图。由于电机在旋转时其自身结构的特点导致其电阻随着角度的不同而变化。

如图4a，图4b所示，启动及正常运行阶段时，SW1、SW4闭合，SW2、SW3断开，电机运转，其电流为I1，该工作模式下纹波检测可通过模数转换器AD1进行识别。

刹车阶段的过程如下：将SW1、SW3断开，SW2、SW4闭合，电机电流由I1逐渐转变为I2，此时AD1输出将由正常转为0V。

如图5所示，启动及正常运行阶段时时电流纹波波形及识别。电机两端接通直流电源时，电机开始运转，加速直至运行平稳，电流波形具有良好的峰值特性。在电机的启动和运行阶段，正向电流的纹波个数通过识别纹波波峰实现。

如图6所示，电机刹车阶段时电流纹波波形及识别。在刹车阶段，反向电流受纹波的影响，仍能看出明显的上升、下降的趋势。通过利用反向电流的趋势特征设计软件算法，对反向电流进行上升、下降的趋势进行识别。

Claims (2)

1.一种汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法，其特征在于：首先通过对座椅系统中有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的电流进行采样、放大、模数转换，得到有刷直流电机在起动、运行、制动三个阶段的的数字化的电机电流波形，然后对电流纹波的周期特征用软件算法进行分析、识别、计数，用于实现电机的位置控制；

所述软件算法采用如下方法实现捕获纹波个数：

1)将AD采样频率缩短至1ms或以下一次，保证所有纹波处于AD采样的窗口内，记录采样数据；

2)分析采样数据，软件算法分析数据中前后两次采样差值接近于0的次数，即曲线中的“波峰”或“波谷”(斜率为0，)出现的次数n_开始；其中，i为电机线圈电流；

3)将所有出现时的次数进行累加后并除以2(“波峰”与“波谷”斜率均为0)，得到在开始阶段的纹波个数N_开始；

4)对于运行阶段的电流波形，在AD采样的中断服务程序中，通过比较运算得出各个采样点的最大值、最小值，然后将最大值、最小值出现的次数依次累加起来就得到了运行阶段的纹波个数N_运行；

5)采用软件算法对于制动阶段纹波波形，需要先将电流整流成正向后再进行软件分析，得到制动阶段的电机纹波个数N_制动；

6)将N_运行、N_开始与N_制动相加后得到电机在此行程上的纹波个数N_行程，即电机当前的位置：N_行程＝N_运行+N_开始+N_制动。

2.根据权利要求1所述的汽车可记忆电动座椅的直流电机纹波检测方法，其特征在于：采用软件算法实现捕获纹波个数后还需要消除误差，其具体方法是：

1)开启电机，使电机在某行程上只有一次从开始至制动阶段运行，中间不停止；

2)软件算法采集和记录上述行程上的纹波个数N_行程；

3)重复步骤1、步骤2，使N_行程的数量达到的样本所需的采集量；

4)对以上得到的样本数量进行求平均值N_平均；

5)将单次软件算法计算出的纹波数量N_行程与N_平均进行比较，如有差值，对N_行程进行修正，最后得到相对准确的单行程纹波数量为N_行程+N_修正。