CN112039404B - 一种可检测角度的汽车电机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种可检测角度的汽车电机控制系统，汽车电机控制系统包括：控制器、防反接单元、角度检测单元、升压稳压单元、电压保护单元、状态检测单元、防夹单元和电机驱动单元，防反接单元、角度检测单元、升压稳压单元、电压保护单元、状态检测单元和防夹单元同时与控制器连接。上述汽车电机控制系统采用角度传感器检测汽车的倾角，通过控制器推算出开启及关闭天窗、滑门及卷帘门所需要的力矩，输出实时可调占空比的PWM，使电机匀速运转。

Description

一种可检测角度的汽车电机控制系统

技术领域

本发明涉及汽车电机控制系统，尤其是涉及一种可检测角度的汽车电机控制系统。

背景技术

随着我国的经济的快速发展，人民对美好生活的日益向往，小型汽车消费快速增加。加之近年智能化产品的技术突破，使得汽车生产厂商及汽车配件生产厂商也越来越多的将智能化电控类产品用应在小汽车上。

目前，汽车的天窗、滑门和卷帘门大多都通过电机实现电动控制。尤其是电动滑门，与传统的机械控制电动滑门相比，其不仅自动化程度高、速度相对稳定，而且开启宽度大、方便乘员进出。

中国发明申请公布号CN105579322A公开了一种车辆用门开闭控制装置，该控制装置具有：基准控制模式存储部、控制模式生成部和PWM控制部，基准控制模式存储部用于存储基准控制模式，该基准控制模式表示传给电动马达的电压指令值或速度指令值；控制模式生成部基于检测值来生成校正后控制模式；PWM控制部其基于校正后控制模式来对电动马达进行控制。从而能够使门按照期望的速度模式进行动作。

然而，上述控制装置是专用于轨道车辆(如轨道列车)的，其停靠后一般处于水平状态。而对于一般的小汽车来说，其停放位置并非一定是水平的，即汽车可能是存在一定的倾斜角度的。在开启或关闭电动天窗、滑门或者卷帘门时，由于地球重力的影响，在不同情况下所需要的电机转子力矩会不一样，有时需要的力矩是水平正常力矩的1倍或者2倍，有时需要的力矩是水平正常力矩的1/2或者1/4，因此传统的汽车电机控制系统常常会出现开启或关闭电动天窗、滑门或者卷帘门速度不稳定的情况。

发明内容

本发明技术方案是针对上述情况的，为了解决上述问题而提供一种可检测角度的汽车电机控制系统，所述汽车电机控制系统包括：控制器、角度传感器、状态检测单元和电机驱动单元，所述角度传感器和所述状态检测单元同时与所述控制器连接，所述控制器用于控制电机驱动单元的启停，并设定所述电机驱动单元的开启、关闭速度；所述角度检测单元用于检测汽车的倾角，并且将倾角的角度信息转换成电信号传输至控制器；所述状态检测单元用于接收用户指令，并根据检测到电瓶电压状态、雨水状态和行车状态来判断指令的有效性，然后将有效的指令传输至控制器；所述电机驱动单元用于驱动电机正或反向转动、停止和刹停，当驱动电机正或反向转动时，电机驱动单元根据设定的开启、关闭速度进行驱动，并根据角度信息，通过软件算法，输出实时可调的PWM信号，稳定电机转速。

进一步，所述汽车电机控制系统包括还：升压稳压单元，所述升压稳压单元与所述控制器连接，所述升压稳压单元用于将输出给电机驱动单元的电压稳定在15V；电机驱动单元实时计算出电机内置霍尔模块发出的脉冲数量，根据有效脉冲数量和角度信息，通过软件算法，输出实时可调的PWM信号，稳定电机转速。

进一步，所述汽车电机控制系统包括还：防反接单元，所述防反接单元与所述控制器连接，当汽车电机控制系统的正、负极性接反时，或者当检测到25V异常电瓶电压时，所述防反接单元用于关闭汽车电机控制系统。

进一步，所述汽车电机控制系统包括还：电压保护单元，所述电压保护单元与所述控制器连接，所述电压保护单元用于实现电瓶电流的单向流动。

进一步所述汽车电机控制系统包括还：防夹单元，所述防夹单元与所述控制器连接，所述防夹单元用于接收电机的转速信息，当电机转速急速下降时，防夹单元反馈信号至控制器。

进一步，所述电机驱动单元具有全桥驱动电路。

进一步，所述电机驱动单元具有电机过流检测电路。

进一步，所述升压稳压单元具有半桥电路结构。

进一步，所述控制器为32位微单片机。

采用上述技术方案后，本发明的效果是：上述汽车电机控制系统采用角度传感器检测汽车的倾角，通过控制器推算出开启及关闭天窗、滑门及卷帘门所需要的力矩，输出实时可调占空比的PWM，使电机匀速运转。

附图说明

图1为本发明涉及的汽车电机控制系统的原理框图；

图2为本发明涉及的滑门控制方法的流程图；

图3为本发明涉及的卷帘门控制方法的流程图；

图4为本发明涉及的天窗控制方法的流程图。

具体实施方式

特别指出的是，本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

下面通过实施例对本发明技术方案作进一步的描述：

本发明提供一种可检测角度的汽车电机控制系统，如图1所示，汽车电机控制系统包括：控制器、防反接单元、角度检测单元、升压稳压单元、电压保护单元、状态检测单元、防夹单元和电机驱动单元。

防反接单元、角度检测单元、升压稳压单元、电压保护单元、状态检测单元和防夹单元同时与控制器连接，控制器用于控制电机驱动单元的启停，并设定电机驱动单元的开启、关闭速度。当控制器没有收到解锁讯号时，整个汽车电机控制系统不工作，控制器处于睡眠状态，只需要极低静态功耗，从而能够防止长期驻车时电瓶会因控制器的静态损耗馈电。

防反接单元与电瓶连接，当汽车电机控制系统的正、负极性接反时(即与电瓶的正、负极性接反时)，或者当检测到25V异常电瓶电压时，防反接单元用于关闭汽车电机控制系统。防反接单元可防止在组装、测试过程中将汽车电机控制系统的正、负极性接反，造成汽车保险管损坏或者控制器损坏；此外，防反接单元还整合了电源过电压保护器，当控制器检测到25V异常电瓶电压时，直接关闭整个控制系统，以达到保护目的。

角度检测单元与角度传感器连接，角度检测单元用于检测汽车的倾角(即车头方向与水平方向的夹角)，并且将倾角的角度信息转换成电信号传输至控制器。角度传感器的本体中有一个孔，可以配合RCX(乐高，即可编程积木)的轴。当角度传感器连接在RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时(如：顺时针)，计数增加，转动方向改变时(如：逆时针)，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，计数值被设置为0。

升压稳压单元与电瓶连接，升压稳压单元用于将输出给电机驱动单元的电压稳定在15V。这样，电机在进行定速控制时可以不受电瓶输出电压的影响，精确控制转速。

电压保护单元与电瓶连接，电压保护单元用于实现电瓶电流的单向流动。由于升压稳压单元的功率较大，因此通过电压保护单元可以防止出现无效内循环给汽车电瓶充电的情况，造成电能浪费，延长电瓶的使用寿命。

状态检测单元分别与电压表、雨水探头、转速表和指令接收器连接，状态检测单元用于接收用户指令，并根据检测到电瓶电压状态、雨水状态和行车状态来判断指令的有效性，然后将有效的指令传输至控制器。电压表可检测电瓶电压状态；雨水探头可检测是否有雨水；转速表可检测汽车处于行驶状态还是停止状态；通过状态检测单元的限定可以避免用户错误操作而导致危险情况的出现。

防夹单元与霍尔传感器连接，防夹单元用于接收电机的转速信息，当电机转速急速下降时，防夹单元反馈信号至控制器。防夹单元可以防止人员被滑门、卷帘门和天窗夹伤。

电机驱动单元与电机连接，电机驱动单元用于驱动电机正或反向转动、停止和刹停，当驱动电机正或反向转动时，电机驱动单元根据设定的开启、关闭速度进行驱动。

当驱动电机转动时，电瓶的输出电压通常在10V～16V区间范围内，电压表检测电瓶的实时输出电压，角度传感器检测汽车的角度信息(即力矩)，霍尔传感器实时计算出电机内置霍尔模块发出的脉冲数量，根据输出电压、角度信息和脉冲数量计算误差值，并通过控制器的软件算法，控制升压稳压单元输出实时可调的PWM信号(脉冲宽度调制信号)，稳定电机转速。软件算法公式如下：

Ph＝Pn/T，(单位：n/sec)；

err(t)＝(Ph-Pt)/Pt，(％)；

Dt＝(err(t)+Dm)×(Da/Db)；

其中，U(t)为当前的输出电压，err(t)为误差值，kp为比例系数，Ph为脉冲数量，Pt为设定的脉冲数量(即目标脉冲数量)，T为时间；Dt(即Duty percentage)为PWM信号占空比，Dm(即Duty minimum)为最小占空比，Da(即Duty angle)为倾角的角度信息，范围一般为-15°～15°，Db(即Duty base)为角度补偿比例系数。

通过电机驱动单元可驱动电机实现开启、关闭、上锁和解锁的操作。因为有了升压系统，电机转速不再受电瓶电压波动的影响，从而可以利用一次元方程式算法，精确输出控制PWM信号。此外，由于汽车配件对体积的要求非常高，元器件需要设计成非常小的体积，这种情况下，控制器的体积十分有限，无法集成具有角度检测功能的电路，导致升压稳压单元只能小范围地调整电机转速(即只适合在水平路面上的调整)。当汽车处于倾斜状态时，由于电机力矩的调整范围较大，单靠小范围调整是无法满足的，因此通过角度信息配合来调整电机力矩可以实现汽车倾斜情况下的电机转速控制。电机转速的调制原理如下：脉冲宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压越大，电机转速就高；反之脉冲宽度越小，则占空比越小，提供给电机的平均电压越小，电机转速就低。当遇到人员被夹的情况，电机驱动单元可控制电机刹停，避免人员受伤。

作为一种优选的方案，电机驱动单元具有全桥驱动电路，在驱动MOS管开通及关闭时，输出高速的驱动脉冲，极大的减少了金氧半场效晶体管(即MOSFET管)的开关损耗，从而达到较高的能效节约。优选地，金氧半场效晶体管为超大功率低内阻的Cool-MOS，其导通等效电阻只有0.0026Ω。

作为一种优选的方案，电机驱动单元还具有电机过流检测电路，电机过流检测电路对电机电流进行实时监控，每千个时钟周期采样一次，每秒钟可以对电阻进行高达30万次的电流采样比对。当电机卡死时，电机内的平衡电磁场被破坏，电机线圈和磁场形成的等效电阻会变化成为只剩下电机线圈自身的电阻，而电机线圈的电阻是非常小的(即相当于电源对地短路)，此时电流会突然成倍增加，流过电机过流检测电路的电流也转换成电压信号，通过比对实时监测到的异常电压信号，进行电机的关闭操作，从而防止电机卡死造成的过流现象。

作为一种优选的方案，升压稳压单元具有半桥电路。半桥电路具有下端金氧半场效晶体管、上端金氧半场效晶体管和电感，当半桥的下端金氧半场效晶体管开通时，电感将电能转化成磁场能，储存在电感的铁氧体中，当电流达到设定的电流值时，下端金氧半场效晶体管关闭，电能与磁场能转换完成；然后，上端金氧半场效晶体管开通，存储在电感中的能量快速释放，转换成电能，通过上端金氧半场效晶体管给电机供电，从而完成一个升压周期。升压稳压单元由半桥电路结构和控制器共同控制，电流可达30A，具有体积小、效率高、周期限流保护等特点。

作为一种优选的方案，控制器为32位微单片机。其具有高性能，实时性强，低功耗，便于低电压操作等优点。具体地，本发明的控制器采用上海灵动微电子股份有限公司的MM32单片机作为核心计算处理中心，在品质性能可以对标意法半导体STM32，完美兼容替换意法半导体STM32，以满足市场多领域、多层次的丰富应用场景需求。

由于电瓶的电源经过升压稳压单元处理后，再对电机进行供电，这种电机供电方式的工作特性是：当电池电压为10V时，电机不会因为电压低于额定的电机电枢最低要求电压，而出现扭矩不足、顿挫现象；当电压在15V时，也不会因为电压过高而产生瞬间电磁力风暴现象，而突然响应的现象。

可见，上述汽车电机控制系统采用角度传感器检测汽车的倾角，通过控制器推算出开启及关闭天窗、滑门及卷帘门所需要的力矩，输出实时可调占空比的PWM，使电机匀速运转。例如：当汽车停放在20°上坡时，天窗、滑门或卷帘门不会出现扭矩不足、顿挫现象；当汽车停放在-20°下坡路时，天窗、滑门或卷帘门也不会由于重力而产生瞬间关闭现象。因此上述汽车电机控制系统对电机进行定速控制时可以不受停车角度的影响，精确控制转速。

如图2所示，上述汽车电机控制系统对于滑门的控制方法包括以下步骤：

步骤A、行车状态检测，状态检测单元通过转速表对汽车的行车状态进行检测；

步骤B、判断行车状态，若处于行驶状态，则进行步骤C，若处于停止状态，则进行步骤D；

步骤C、拒绝开启指令，状态检测单元拒绝接收开启指令，禁止滑门的开启；

步骤D、判断锁定状态，若处于上锁状态，则进行步骤E，若处于解锁状态则进行步骤J；

步骤E、接收解锁指令，状态检测单元解锁指令，解除滑门的锁定；

步骤F、接收开启指令，状态检测单元开启指令；

步骤G、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤H、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤I、驱动电机，驱动电机实现滑门开启，并结束操作；

步骤J、判断开关状态，若处于关闭状态，则进行步骤K，若处于开启状态则进行步骤O；

步骤K、接收开启指令，状态检测单元开启指令；

步骤L、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤M、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤N、驱动电机，驱动电机实现滑门开启，并结束操作；

步骤O、接收关闭指令，状态检测单元关闭指令；

步骤P、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤Q、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤R、驱动电机，驱动电机实现滑门关闭，并结束操作。

上述控制方法可以实现滑门的上锁、解锁、开启和关闭操作。此外上述控制方法可以避免在汽车行驶过程中错误打开滑门。

如图3所示，上述汽车电机控制系统对于卷帘门的控制方法包括以下步骤：

步骤A、电压状态检测，状态检测单元通过电压表对电瓶的电压状态进行检测；

步骤B、判断电压状态，若电瓶的电压＜10V，则进行步骤C，若电瓶的电压≥10V，则进行步骤D；

步骤C、连通半速开关，判断锁定状态，若处于上锁状态，则进行步骤E，若处于解锁状态则进行步骤J；

步骤D、连通全速开关，判断锁定状态，若处于上锁状态，则进行步骤E，若处于解锁状态则进行步骤J；

步骤E、接收解锁指令，状态检测单元解锁指令，解除卷帘门的锁定；

步骤F、接收开启指令，状态检测单元开启指令；

步骤G、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤H、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤I、驱动电机，驱动电机实现卷帘门开启，并结束操作；

步骤J、判断开关状态，若处于关闭状态，则进行步骤K，若处于开启状态则进行步骤O；

步骤K、接收开启指令，状态检测单元开启指令；

步骤L、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤M、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤N、驱动电机，驱动电机实现卷帘门开启，并结束操作；

步骤O、接收关闭指令，状态检测单元关闭指令；

步骤P、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤Q、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤R、驱动电机，驱动电机实现卷帘门关闭，并结束操作。

上述控制方法可以实现卷帘门的上锁、解锁、开启和关闭操作。当电瓶电压低于9V时，提示车主电压过低，避免低压状态下控制卷帘门；当电瓶电压为9V～10V时，卷帘门为半速启动(可通过连通半速开关实现)；当电瓶电压大于或等于10V时，卷帘门为全速启动(可通过连通全速开关实现)。其中，当卷帘门为半速启动时，没有缓起和缓闭的过程，直接定速完成；当卷帘门为全速启动时，会经历：缓起、加速、定速、减速和缓闭的过程。

如图4所示，上述汽车电机控制系统对于天窗的控制方法包括以下步骤：

步骤A、雨水状态检测，状态检测单元通过雨水探头对电瓶的电压状态进行检测；

步骤B、判断雨水状态，若处于有雨状态，则进行步骤C，若处于无雨状态，则进行步骤D；

步骤C、拒绝开启闭指令，状态检测单元拒绝接收开启指令，禁止天窗的开启；

步骤D、判断判断开关状态，若处于关闭状态，则进行步骤E，若处于开启状态则进行步骤I；

步骤E、接收开启指令，状态检测单元开启指令；

步骤F、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤G、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤H、驱动电机，驱动电机实现天窗开启，并结束操作。

步骤I、接收关闭指令，状态检测单元关闭指令；

步骤J、检测角度，检测汽车倾角的角度；

步骤K、升压稳压，升压稳压单元根据角度力矩调整输出给电机驱动单元的电压；

步骤L、驱动电机，驱动电机实现天窗关闭，并结束操作。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种可检测角度的汽车电机控制系统，所述汽车电机控制系统包括：控制器、角度传感器、状态检测单元、升压稳压单元和电机驱动单元，所述角度传感器和所述状态检测单元同时与所述控制器连接，其特征在于：所述控制器用于控制电机驱动单元的启停，并设定所述电机驱动单元的开启、关闭速度；所述角度检测单元用于检测汽车的倾角，并且将倾角的角度信息转换成电信号传输至控制器；所述状态检测单元用于接收用户指令，并根据检测到电瓶电压状态、雨水状态和行车状态来判断指令的有效性，然后将有效的指令传输至控制器；所述升压稳压单元与所述控制器连接，所述升压稳压单元用于将输出给电机驱动单元的电压稳定在15V；所述电机驱动单元用于驱动电机正或反向转动、停止和刹停，当驱动电机正或反向转动时，电机驱动单元根据设定的开启、关闭速度进行驱动，并根据角度信息，通过软件算法，输出实时可调的PWM信号，稳定电机转速，软件算法公式如下：

；

Ph=Pn/T；

err(t)=(Ph-Pt)/Pt；

Dt=（err(t)+Dm）×（Da/Db）；

其中，U(t)为当前的输出电压，err(t)为误差值，kp为比例系数，Ph为脉冲数量，Pt为设定的脉冲数量，T为时间，Dt为PWM信号占空比，Dm为最小占空比，Da为倾角的角度信息，Db为角度补偿比例系数。

2.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述汽车电机控制系统包括还：防反接单元，所述防反接单元与所述控制器连接，当汽车电机控制系统的正、负极性接反时，或者当检测到25V异常电瓶电压时，所述防反接单元用于关闭汽车电机控制系统。

3.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述汽车电机控制系统包括还：电压保护单元，所述电压保护单元与所述控制器连接，所述电压保护单元用于实现电瓶电流的单向流动。

4.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述汽车电机控制系统包括还：防夹单元，所述防夹单元与所述控制器连接，所述防夹单元用于接收电机的转速信息，当电机转速急速下降时，防夹单元反馈信号至控制器。

5.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述电机驱动单元具有全桥驱动电路。

6.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述电机驱动单元具有电机过流检测电路。

7.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述升压稳压单元具有半桥电路结构。

8.根据权利要求1所述的可检测角度的汽车电机控制系统，其特征在于：所述控制器为32位微单片机。

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