CN112874392B - 一种用于电动座椅的速度调控方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动座椅的速度调控方法与系统,涉及电机调节领域,其将电动座椅调节过程的速度调控分为三个阶段,分别为柔性递增阶段、匀速保持阶段和柔性递减阶段,并通过三阶扩张状态观测以及比例控制,使得观测器的总干扰能够作为回返参数返回到观测器中,进而降低了稳态误差,从而使得驾乘人员能够获得更好的驾驶体验,电动座椅的调节更加符合位置规划曲线。同时,通过电动座椅回退机制的设定,保障了座椅碰到障碍时的及时回退,避免夹持到物体,在避免驾乘人员误伤的同时也能避免座椅的损坏。
Description
技术领域
本发明涉及电机调节领域,具体涉及一种用于电动座椅的速度调控方法与系统。
背景技术
汽车座椅是汽车内饰件的重要组成部分,其关系到驾驶员的驾乘的舒适性。当今社会,对汽车驾乘舒适度的要求日益提高,而电动座椅可以方便于驾乘人员在驾驶前、驾驶时准确调整座椅位置,起到舒缓身体状态、提高安全舒适性的作用。电动座椅调节可以实现不同位置调整的要求,如前后、高度或角度的调节,以满足不同驾驶员对座椅的位置要求,且调节更加便捷、安全、位置精度更加准确。
汽车电动座椅前后调节电机是调整座椅在水平方向的前后位置,不用像传统手动座椅一样手工拖动粗略调节座椅前后位置,驾驶员只需要使用按钮就可以调节座椅的前后位置,并找到最合适的驾驶位置,同时具有位置记忆功能。目前高端汽车电动座椅前后调节电机以带减速器装置的无刷电机为主,主要存在的问题是电动座椅调节时速度变化不柔和,停止时存在惯性过冲,降低了驾驶员使用体验,且位置调节精度不足,与记忆位置偏差大、对减速齿轮有冲击,前后移动防堵防夹上不够智能化,整体性能需要提升。
现有技术中,如公开号为CN103818272A的中国专利,其公开了一种电动座椅调节方法、调节系统及车辆,其根据当前调节模式和车辆状态的当前状态值获取修正值,并修正电动座椅姿态,调节后的座椅能够使驾驶员恰当地处在更加舒适与安全的坐姿,解决了因道路交通状况复杂引起驾驶员疲劳不适进而造成误操作的问题。其虽然指出了根据车辆状态对电动座椅进行调节,但是其对于调节过程中的速度调节并没有加以约束,使得调节过程惯性冲量仍然存在,大大降低驾乘人员的驾驶舒适度。
发明内容
为了解决传统电动座椅调节过程中缺乏对调节速度的柔性控制,使得惯性冲量的存在降低了驾乘舒适度的问题,本发明提出了一种用于电动座椅的速度调控方法,通过无刷电机调节座椅的前后位置,其特征在于,包括步骤:
S1:通过霍尔磁编码器获取电动座椅的初始位置信号以及调节过程中的实时位置信号,并获取无刷电机的实时转速信号;
S2:根据初始位置信号和目标位置信号获取电动座椅的位置规划曲线和无刷电机的转速规划曲线、目标转速;
S3:根据实时位置信号获取其在位置规划曲线上的当前位置期望值,根据实时转速信号获取其在转速规划曲线上的当前转速期望值;
S4:根据实时位置信号、当前位置期望值和当前转速期望值利用三阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰;
S5:根据实际位置期望值、实际转速期望值利用比例控制器获得无扰动输出,并根据总干扰获取补偿后的总输出电流;
S6:根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅,并在实际转速期望值未达到目标转速时,返回步骤S3。
进一步地,所述步骤S4中,三阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰,所述第一公式组为:
z1(k+1)=z1(k)+h×(z2(k)+3×w0×(SH(k)-z1(k)));
z2(k+1)=z2(k)+h×(z3(k)+b0×Ipd(k)+3×w0 2×(SH(k)-z1(k)));
z3(k+1)=z3(k)+h×w0 3×(SH(k)-z1(k));
b0=KT/J;
式中,k为当前计算周期,k+1为下一计算周期,h为霍尔磁编码器的信号周期也即是计算周期,z1为实际位置期望值,z2为实际转速期望值,z3为总干扰,Ipd为比例控制器的无扰动输出,KT为无刷电机的转矩系统,J为无刷电机的转动惯量,w0为观测器带宽,SH(k)为实时位置信号。
进一步地,所述步骤S5中,比例控制器通过第二公式组获得补偿后电流,所述第二公式组为:
Ipd(k)=wc 2×(Std(k)-z1(k))+2×wc×(ntd(k)-z2(k));
Ia(k)=Ipd(k)-z3(k)/b0;
w0=10wc;
式中,Std(k)为位置规划曲线在k时的值,ntd(k)为转速规划曲线在k时的值,z3(k)/b0为总干扰补偿,Ia(k)为总输出电流。
进一步地,所述步骤S3后还包括步骤:
S31:根据实时位置信号判断当前的转速nH(k)与上一计算周期的转速之间的差值是否小于转速突减极限值na,若是进入步骤S32,若否,进入步骤S4;
S32:控制电动座椅回退预设距离;
其中,nH(k)=(SH(k)-SH(k-1))/h。
进一步地,所述步骤S6中,若实际转速期望值达到目标转速,且实时位置与目标位置之间小于预设距离,则步骤S6之后还包括步骤:
S7:根据第三公式调节总输出电流,并根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅。
进一步地,所述第三公式为:
Ir(k)=min{Ia(k),Ia0-(Ia0-IaL)×Std(k)/L};
式中,Ia0为无刷电机初始位置设置的最大转矩时对应的电流,IaL为目标位置设置的最大转矩对应的电流,L为初始位置到目标位置之间的距离。
进一步地,所述步骤S6之后还包括步骤:
S61:通过PI调节器对总输出电流进行积分饱和,并限制总输出电流小于预设值。
本发明还提出了一种用于电动座椅的速度调控系统,通过无刷电机调节座椅的前后位置,包括:
霍尔磁编码器,用于获取电动座椅的初始位置信号以及调节过程中的实时位置信号,并获取无刷电机的实时转速信号;
绘制单元,用于根据初始位置信号和目标位置信号获取电动座椅的位置规划曲线和无刷电机的转速规划曲线、目标转速;
控制单元,并根据实时位置信号获取其在位置规划曲线上的当前位置期望值,根据实时转速信号获取其在转速规划曲线上的当前转速期望值;
三阶扩张状态观测器,用于根据实时位置信号、当前位置期望值和当前转速期望值获取下一计算周期的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰;
比例控制器,用于根据实际位置期望值、实际转速期望值获得无扰动输出,并根据总干扰获取补偿后的总输出电流;
输出模块,用于在实际转速期望值未达到目标转速时根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅,并在达到目标转速后保持总电流输出。
进一步地,所述三阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰,所述第一公式组为:
z1(k+1)=z1(k)+h×(z2(k)+3×w0×(SH(k)-z1(k)));
z2(k+1)=z2(k)+h×(z3(k)+b0×Ipd(k)+3×w0 2×(SH(k)-z1(k)));
z3(k+1)=z3(k)+h×w0 3×(SH(k)-z1(k));
b0=KT/J;
式中,k为当前计算周期,k+1为下一计算周期,h为霍尔磁编码器的信号周期也即是计算周期,z1为实际位置期望值,z2为实际转速期望值,z3为总干扰,Ipd为比例控制器的无扰动输出,KT为无刷电机的转矩系统,J为无刷电机的转动惯量,w0为观测器带宽,SH(k)为实时位置信号。
进一步地,所述比例控制器通过第二公式组获得补偿后电流,所述第二公式组为:
Ipd(k)=wc 2×(Std(k)-z1(k))+2×wc×(ntd(k)-z2(k));
Ia(k)=Ipd(k)-z3(k)/b0;
w0=10wc;
式中,Std(k)为位置规划曲线在k时的值,ntd(k)为转速规划曲线在k时的值,z3(k)/b0为总干扰补偿,Ia(k)为总输出电流。
与现有技术相比,本发明至少含有以下有益效果:
(1)本发明所述的一种用于电动座椅的速度调控方法与系统,其将电动座椅调节过程的速度调控分为三个阶段,分别为柔性递增阶段、匀速保持阶段和柔性递减阶段,通过柔性化电动座椅的调节速度使得驾乘人员能够获得更好的驾驶体验;
(2)通过三阶扩张状态观测以及比例控制,使得观测器的总干扰能够作为回返参数返回到观测器中,进而降低了稳态误差,使得电动座椅的调节更加符合位置规划曲线;
(3)通过电动座椅回退机制的设定,保障了座椅碰到障碍时的及时回退,避免夹持到物体,在避免驾乘人员误伤的同时也能避免座椅的损坏;
(4)通过在电动座椅接近目标位置后对无刷电机的最大转矩输出进行控制,限制了座椅前后移动的最大动力,进一步确保调节过程中对驾乘人员和座椅的保护;
(5)通过PI调节器对总输出电流的控制,保证了无刷电机不会超负荷运转,提高了其使用寿命。
附图说明
图1为一种用于电动座椅的速度调控方法与系统的方法步骤图;
图2为一种用于电动座椅的速度调控方法与系统的系统结构图;
图3为目标位置信号进行位置规划、转速规划的变化示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了解决现有技术中汽车电动座椅的调节惯性力较大,降低了驾乘人员的驾驶体验的问题,同时为了使速度的调节更加精确,如图1所示,本发明提出了一种用于电动座椅的速度调控方法,其通过无刷电机调节座椅的前后位置,包括步骤:
S1:通过霍尔磁编码器获取电动座椅的初始位置信号以及调节过程中的实时位置信号,并获取无刷电机的实时转速信号;
S2:根据初始位置信号和目标位置信号获取电动座椅的位置规划曲线和无刷电机的转速规划曲线、目标转速。
其中,对于电动座椅的目标位置(由目标位置信号表示),可以为已有记忆位置(如根据驾驶员习惯进行记录的位置)或未知待定位置。已有记忆位置具有具体的位置数据信息,可以直接进行读取。而未知待定位置是不确定的,是驾驶员调节位置时感知舒适瞬间松开位置调整开关停下的位置,在本实施例中,将位置待定位置设置为移动方向的最大值,电动座椅在当前位置至最大位置之间都可以停止。
起初,目标位置信号Sr(如图3中左侧)为阶跃信号,是一种随着座椅的移动不会发生改变的信号,而这种信号的阶跃式突变就导致了传统PID控制的控制量过大,容易引起超调,因此使得无刷电机的转速突变、抖动剧烈。为了避免信号突变导致的电机抖动,本发明对目标位置信号Sr进行了规划,使得信号规划后能够符合电动座椅的使用习惯,得到能够与电动座椅前后移动时间相关的位置规划曲线Std和转速规划曲线ntd(如图3中右侧)。结合实际使用情况,位置规划曲线和转速规划曲线大致可分为三段,其中(如图3,图中O’为电动座椅的初始位置,其值可视为0):
0—t1段,速度由初始的0以匀速递增的形式缓慢加速,加速时间为t1,相对应的座椅的位置规划曲线在该段呈二次曲线形状;
t1—t2段,此时无刷电机已达到目标转速,此时转速保持不变(在图中表现为一段斜率为0的直线),而相对应的座椅的位置规划曲线在该段呈一段斜率为正的直线;
t2—t3段,此时已经接近目标位置,需要对转速进行匀速下调(在图中的表现为一段斜率为负的直线)。
通过将电动座椅调节过程的速度调控分为三个阶段,分别为柔性递增阶段(0—t1)、匀速保持阶段(t1—t2)和柔性递减阶段(t2—t3),通过柔性化电动座椅的调节速度,使得驾乘人员能够获得更好的驾乘体验。
S3:根据实时位置信号获取其在位置规划曲线上的当前位置期望值,根据实时转速信号获取其在转速规划曲线上的当前转速期望值;
S4:根据实时位置信号、当前位置期望值和当前转速期望值利用三阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰;
S5:根据实际位置期望值、实际转速期望值利用比例控制器获得无扰动输出,并根据总干扰获取补偿后的总输出电流。
步骤S3至步骤S5,本发明考虑到仅凭位置规划曲线或转速规划曲线对无刷电机进行调节的话,其对突发情况的能动性较差,极易产生误差。因此本发明中引入了三阶扩张状态观测器来根据实时位置信号和实时转速对无刷电机的转速进行修正,获得需要的实际位置期望值和实际转速期望值,并获取总干扰。
其中三阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰,所述第一公式组为:
z1(k+1)=z1(k)+h×(z2(k)+3×w0×(SH(k)-z1(k)));
z2(k+1)=z2(k)+h×(z3(k)+b0×Ipd(k)+3×w0 2×(SH(k)-z1(k)));
z3(k+1)=z3(k)+h×w0 3×(SH(k)-z1(k));
b0=KT/J;
式中,k为当前计算周期,k+1为下一计算周期,h为霍尔磁编码器的信号周期也即是计算周期,z1为实际位置期望值,z2为实际转速期望值,z3为总干扰,Ipd为比例控制器的无扰动输出,KT为无刷电机的转矩系统,J为无刷电机的转动惯量,w0为观测器带宽,SH(k)为实时位置信号。
在获取到实际位置期望值和实际转速期望值后,本发明选用比例控制器进行无扰动输出的计算。同时,本发明考虑到总干扰的存在会导致稳态误差的存在,因此本发明还计算出总干扰补偿并对无扰动输出进行补偿,获取补偿后的总输出电流。其中,比例控制器通过第二公式组获得补偿后电流,所述第二公式组为:
Ipd(k)=wc 2×(Std(k)-z1(k))+2×wc×(ntd(k)-z2(k));
Ia(k)=Ipd(k)-z3(k)/b0;
w0=10wc;
式中,Std(k)为位置规划曲线在k时的值,ntd(k)为转速规划曲线在k时的值,z3(k)/b0为总干扰补偿,Ia(k)为总输出电流,wc为比例控制器的带宽。
S6:根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅,并在实际转速期望值未达到目标转速时,返回步骤S3。
因为无刷电机的转速调节是阶段持续性的,因此在转速未达到目标转速前,会返回步骤S3中,根据当前实时位置信号和实时转速信号再次进行转速修正,保证了电动座椅的调节能够更加符合移动规划曲线,转速的调节也能更加符合转速规划曲线。
而若实际转速期望值达到目标转速,且实时位置与目标位置之间小于预设距离(可根据实际需求进行设定),则步骤S6之后还包括步骤:
S7:根据第三公式调节总输出电流,并根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅。
其中所述第三公式为:
Ir(k)=min{Ia(k),Ia0-(Ia0-IaL)×Std(k)/L};
式中,Ia0为无刷电机初始位置设置的最大转矩时对应的电流,IaL为目标位置设置的最大转矩对应的电流,L为初始位置到目标位置之间的距离。
利用第三公式,通过在电动座椅接近目标位置后对无刷电机的最大转矩输出进行控制,限制了座椅前后移动的最大动力,确保调节过程中对驾乘人员和座椅的保护。
同时,考虑到某些特殊情况,如座椅下方有障碍物(可能为驾乘人员的肢体)阻碍座椅的调节,使得无刷电机的转速下降,此时为了避免对驾乘人员造成误伤,以及避免对电动座椅造成损坏,在步骤S3后还包括步骤:
S31:根据实时位置信号判断当前的转速nH(k)与上一计算周期的转速之间的差值是否小于转速突减极限值na,若是进入步骤S32,若否,进入步骤S4;
S32:控制电动座椅回退预设距离;
其中,nH(k)=(SH(k)-SH(k-1))/h。
进一步地,为了延长无刷电机的使用寿命,同时保障其使用安全性,需要对输入无刷电机电流的峰值进行限定,因此步骤S6之后还包括步骤:
S61:通过PI调节器对总输出电流进行积分饱和,并限制总输出电流小于预设值。
实施例二
为了更好的对本发明的技术内容进行理解,本实施例通过系统结构组成的形式来对本发明进行阐述,如图2所示,一种用于电动座椅的速度调控系统,通过无刷电机调节座椅的前后位置,包括:
霍尔磁编码器,用于获取电动座椅的初始位置信号以及调节过程中的实时位置信号,并获取无刷电机的实时转速信号;
绘制单元,用于根据初始位置信号和目标位置信号获取电动座椅的位置规划曲线和无刷电机的转速规划曲线、目标转速;
控制单元,并根据实时位置信号获取其在位置规划曲线上的当前位置期望值,根据实时转速信号获取其在转速规划曲线上的当前转速期望值;
三阶扩张状态观测器,用于根据实时位置信号、当前位置期望值和当前转速期望值获取下一计算周期的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰;
比例控制器,用于根据实际位置期望值、实际转速期望值获得无扰动输出,并根据总干扰获取补偿后的总输出电流;
输出模块,用于在实际转速期望值未达到目标转速时根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅,并在达到目标转速后保持总电流输出。
进一步地,控制单元还用于根据实时位置信号判断当前的转速nH(k)与上一计算周期的转速之间的差值是否小于转速突减极限值na,并在差值小于转速突减极限值时控制电动座椅回退预设距离。
进一步地,控制单元还用于实际转速期望值达到目标转速,且实时位置与目标位置之间小于预设距离时,根据第三公式调节总输出电流,并根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅。
进一步地,还包括PI调节器,用于对总输出电流进行积分饱和,并限制总输出电流小于预设值。
综上所述,本发明所述的一种用于电动座椅的速度调控方法与系统,其将电动座椅调节过程的速度调控分为三个阶段,分别为柔性递增阶段、匀速保持阶段和柔性递减阶段,通过柔性化电动座椅的调节速度使得驾乘人员能够获得更好的驾驶体验。
通过三阶扩张状态观测以及比例控制,使得观测器的总干扰能够作为回返参数返回到观测器中,进而降低了稳态误差,使得电动座椅的调节更加符合位置规划曲线。通过电动座椅回退机制的设定,保障了座椅碰到障碍时的及时回退,避免夹持到物体,在避免驾乘人员误伤的同时也能避免座椅的损坏。
通过在电动座椅接近目标位置后对无刷电机的最大转矩输出进行控制,限制了座椅前后移动的最大动力,进一步确保调节过程中对驾乘人员和座椅的保护。通过PI调节器对总输出电流的控制,保证了无刷电机不会超负荷运转,提高了其使用寿命。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种用于电动座椅的速度调控方法,通过无刷电机调节座椅的前后位置,其特征在于,包括步骤:
S1:通过霍尔磁编码器获取电动座椅的初始位置信号以及调节过程中的实时位置信号,并获取无刷电机的实时转速信号;
S2:根据初始位置信号和目标位置信号获取电动座椅的位置规划曲线和无刷电机的转速规划曲线、目标转速;
S3:根据实时位置信号获取其在位置规划曲线上的当前位置期望值,根据实时转速信号获取其在转速规划曲线上的当前转速期望值;
S4:根据实时位置信号、当前位置期望值和当前转速期望值利用三阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰;
S5:根据实际位置期望值、实际转速期望值利用比例控制器获得无扰动输出,并根据总干扰获取补偿后的总输出电流;
S6:根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅,并在实际转速期望值未达到目标转速时,返回步骤S3;
所述位置规划曲线和转速规划曲线分为第一阶段至第三阶段,其中:
第一阶段,转速规划曲线为匀速递增曲线,位置规划曲线为与转速对应移动距离的二次函数曲线;
第二阶段,转速规划曲线为平直线,位置规划曲线为转速对应移动距离的正斜率直线;
第三阶段,转速规划曲线为匀速递减曲线,位置规划曲线为与转速对应移动距离的二次函数曲线。
5.如权利要求3所述的一种用于电动座椅的速度调控方法,其特征在于,所述步骤S6中,若实际转速期望值达到目标转速,且实时位置与目标位置之间小于预设距离,则步骤S6之后还包括步骤:
S7:根据第三公式调节总输出电流,并根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅。
7.如权利要求1所述的一种用于电动座椅的速度调控方法,其特征在于,所述步骤S6之后还包括步骤:
S61:通过PI调节器对总输出电流进行积分饱和,并限制总输出电流小于预设值。
8.一种用于电动座椅的速度调控系统,通过无刷电机调节座椅的前后位置,其特征在于,包括:
霍尔磁编码器,用于获取电动座椅的初始位置信号以及调节过程中的实时位置信号,并获取无刷电机的实时转速信号;
绘制单元,用于根据初始位置信号和目标位置信号获取电动座椅的位置规划曲线和无刷电机的转速规划曲线、目标转速;
控制单元,并根据实时位置信号获取其在位置规划曲线上的当前位置期望值,根据实时转速信号获取其在转速规划曲线上的当前转速期望值;
三阶扩张状态观测器,用于根据实时位置信号、当前位置期望值和当前转速期望值获取下一计算周期的实际位置期望值、实际转速期望值和总干扰;
比例控制器,用于根据实际位置期望值、实际转速期望值获得无扰动输出,并根据总干扰获取补偿后的总输出电流;
输出模块,用于在实际转速期望值未达到目标转速时根据总输出电流控制无刷电机驱动座椅,并在达到目标转速后保持总电流输出;
所述位置规划曲线和转速规划曲线分为第一阶段至第三阶段,其中:
第一阶段,转速规划曲线为匀速递增曲线,位置规划曲线为与转速对应移动距离的二次函数曲线;
第二阶段,转速规划曲线为平直线,位置规划曲线为转速对应移动距离的正斜率直线;
第三阶段,转速规划曲线为匀速递减曲线,位置规划曲线为与转速对应移动距离的二次函数曲线。
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