汽车电动尾门电机控制装置及方法与流程

本发明涉及汽车电子控制技术领域，特别涉及一种汽车电动尾门电机控制装置及方法。

背景技术：

现有的汽车电动尾门采用直流电机进行驱动，控制器根据电机所需的驱动能力输出脉冲宽度调制(pwm)信号，来控制电机电流的大小，通常采用比例-积分(pi)反馈控制方法来使电机运行过程稳定。

通常采用的比例-积分(pi)反馈控制，是通过调节相应的比例系数和积分系数等参数，获取最优的控制性能。通用pi控制计算式为：

其中：kp为比例系数，ki为积分系数，u(t)是输出控制量。在单片机中要实现pi控制算法，还需要将pi控制参数离散化。pwm脉宽调制的电机，在转速控制过程中，采用了比例-积分控制方法后，可以使系统在扰动的作用下，通过比例和积分的算法调节作用使电动机的转速达到静态无差。但实际使用时，常规pi控制算法的ki和kp参数会在标定调试后固定。使用kp参数固定的pi控制算法，电机的运行平稳度仍不完美：运行中遇到外部短促干扰会出现抖动，尤其在启动和停止阶段等易出现干扰的情况下未设置kp参数调节功能时，电机运行很容易出现抖动。

因此，需要设计一种可调节pi控制算法参数的汽车电动尾门电机控制装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽车电动尾门电机控制装置及方法，以解决现有的汽车电动尾门电机控制中的pi算法参数无法调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种汽车电动尾门电机控制装置，所述汽车电动尾门电机控制装置包括控制器、驱动模块、测量单元和电机，其中：

所述电机转动带动所述汽车电动尾门进行升降运动；

所述测量单元测量所述电机实际转速，并将所述电机实际转速提供给所述控制器；

所述控制器根据比例-积分算法计算所述驱动模块的占空比；

所述控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例-积分算法中的比例系数的值；

所述驱动模块根据所述占空比驱动所述电机转动。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制装置中，所述占空比为：

其中：kp为所述控制器设置的比例系数，ki为所述控制器设置的积分时间常数，e(k)为所述占空比的偏移量，u(k)为所述占空比的输出值。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制装置中，所述控制器根据所述电机目标转速设置若干个速度阈值范围，所述控制器根据所述电机实际转速判断所述电机当前所处的速度阈值范围。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制装置中，所述控制器根据所述电机当前所处的速度阈值范围设置所述比例-积分算法中的比例系数的值。

本发明还提供一种汽车电动尾门电机控制方法，所述汽车电动尾门电机控制方法包括：

通过电机转动带动所述汽车电动尾门进行升降运动；

通过测量单元测量所述电机实际转速，并将所述电机实际转速提供给所述控制器；

控制器根据比例-积分算法计算所述驱动模块的占空比；

控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例-积分算法中的比例系数的值；

驱动模块根据所述占空比驱动所述电机转动。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，所述控制器根据比例-积分算法计算占空比包括：

其中：kp为所述控制器设置的比例系数，ki为所述控制器设置的积分时间常数，e(k)为所述占空比的偏移量，u(k)为所述占空比的输出值；

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，所述控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例-积分算法中的比例系数的值包括：

所述控制器根据所述电机目标转速设置若干个速度阈值范围；

所述控制器根据所述电机实际转速判断所述电机当前所处的速度阈值范围；

所述控制器根据所述电机当前所处的速度阈值范围设置所述比例-积分算法中的比例系数的值。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，所述速度阈值范围包括正速度阈值范围和负速度阈值范围，其中：

当电机实际转速大于电机目标转速，则电机当前所处的速度阈值范围为所述正速度阈值范围，所述正速度阈值范围对应系数为正的比例系数；

当电机实际转速小于电机目标转速，则电机当前所处的速度阈值范围为所述负速度阈值范围，所述负速度阈值范围对应系数为负的比例系数。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，所述正速度阈值范围均处于电机目标转速与电机最高转速之间速度值的前10％～50％范围内，所述负速度阈值范围均处于零转速与所述电机目标转速之间速度值的后10％～50％范围内。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，所述系数相同的比例系数的值之间为倍数关系，电机实际转速与电机目标转速差值越大，对应的比例系数的绝对值越大。

可选的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，若所述电机实际转速大于电机目标转速，且位于所有速度阈值范围之外时，则所述控制器将所述比例系数设置为系数为正的绝对值最大的比例系数，若所述电机实际转速小于电机目标转速，且位于所有速度阈值范围之外时，则所述控制器将所述比例系数设置为系数为负的绝对值最大的比例系数。

在本发明提供的汽车电动尾门电机控制装置及方法中，通过所述控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值大小来设置所述比例系数的值，对pi算法进行优化，通过根据电机实际转速和电机目标转速之间差值不同的情况，设置不同的pi的控制参数，使得电机实际转速和电机目标转速之间差值回调的能力得到实时调整和加强，实时调整和加强了回调控制能力后，在实际使用情况下，电机运行的平稳度有一定的提高，使得电动尾门在运行的过程中更加平稳。

附图说明

图1是本发明汽车电动尾门电机控制装置原理示意图；

图2是本发明汽车电动尾门电机控制方法流程图；

图3是现有的汽车电动尾门电机控制电流波形图；

图4是本发明汽车电动尾门电机控制电流波形图；

1-控制器；2-驱动模块；3-电机；4-测量单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的汽车电动尾门电机控制装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种可调节pi控制算法参数的汽车电动尾门电机控制装置及方法，以解决现有的汽车电动尾门电机控制中的pi算法参数无法调节的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种汽车电动尾门电机控制装置，所述汽车电动尾门电机控制装置包括控制器、驱动模块、测量单元和电机，其中：通过电机转动带动所述汽车电动尾门进行升降运动；通过测量单元测量所述电机实际转速，并将所述电机实际转速提供给所述控制器；控制器根据比例-积分算法计算所述驱动模块的占空比；控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例-积分算法中的比例系数的值；驱动模块根据所述占空比驱动所述电机转动。

<实施例一>

本实施例提供一种汽车电动尾门电机控制装置，如图1所示，所述汽车电动尾门电机控制装置包括控制器1、驱动模块2、测量单元4和电机3，其中：所述电机3转动带动所述汽车电动尾门进行升降运动；所述测量单元4测量所述电机实际转速，并将所述电机实际转速提供给所述控制器1；所述控制器1根据比例-积分算法计算所述驱动模块2的占空比；所述控制器1根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例-积分算法中的比例系数的值；所述驱动模块2根据所述占空比驱动所述电机3转动。

具体的，计算所述占空比所使用的比例-积分算法如下：

其中：kp为所述控制器1设置的比例系数，ki为所述控制器1设置的积分时间常数，e(k)为所述占空比的偏移量，u(k)为所述占空比的输出值；所述控制器1根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例系数的值。

在本实施例提供的汽车电动尾门电机控制装置中，通过所述控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值大小来设置所述比例系数的值，对pi算法进行优化，通过根据电机实际转速和电机目标转速之间差值不同的情况，设置不同的pi的控制参数，使得电机实际转速和电机目标转速之间差值回调的能力得到实时调整和加强，实时调整和加强了回调控制能力后，在实际使用情况下，电机运行的平稳度有一定的提高，使得电动尾门在运行的过程中更加平稳。

具体的，在所述的汽车电动尾门电机控制装置中，所述控制器1根据所述电机目标转速设置若干的速度阈值范围，并根据所述电机实际转速判断所述电机3当前所处的速度阈值范围。所述控制器1根据所述电机3当前所处的速度阈值范围设置所述比例-积分算法中的比例系数的值。

进一步的，当电机实际转速大于电机目标转速，则电机当前所处的速度阈值范围为所述正速度阈值范围，所述正速度阈值范围对应系数为正的比例系数；当电机实际转速小于电机目标转速，则电机当前所处的速度阈值范围为所述负速度阈值范围，所述负速度阈值范围对应系数为负的比例系数。所述正速度阈值范围均处于电机目标转速与电机最高转速之间速度值的前10％～50％范围内，所述负速度阈值范围均处于零转速与所述电机目标转速之间速度值的后10％～50％范围内，是指在电机目标转速值附近的正负10％～50％的速度值区域内进行速度阈值范围的划分，即-10％到-50％之间的一个数值，到10％到50％之间的一个数值，两个数值之间的范围内，例如-20％～25％之间。

所述电机实际转速位于所有速度阈值范围之外时，控制器将电机当前所处的速度阈值范围设置为离所述电机实际转速的值最接近的速度阈值范围，例如控制器设置的速度阈值范围在-20％～25％之间，而电机当前速度为-30％，则控制器判定电机当前处于-20％的速度阈值范围内，当前的kp值的即是-20％的速度阈值范围对应的kp值。所述速度阈值范围的数量由所述电机目标转速决定。所述速度阈值范围对应的所述比例系数的值为其接近所述电机目标转速一端的邻近的所述速度阈值范围对应的所述比例系数的值的倍数，即kp-n的值是kp-n-1的值的倍数，而kp-n-1对应的速度阈值范围比kp-n更靠近目标转速，例如，kp-n的值是kp-n-1的值的两倍。

本实施例中的汽车电动尾门电机控制装置，通过所述控制器根据所述电机目标转速设置若干个速度阈值范围，所述控制器根据所述电机实际转速判断所述电机当前所处的速度阈值范围，具体的，对应pi算法中的kp参数进行了速度阈值范围的划分，赋予不同速度阈值范围下不同的控制权重，所述控制器根据所述电机当前所处的速度阈值范围设置所述比例系数的值。

具体实现上，技术方案可以依照上述方式，根据实际调试情况，灵活选择速度阈值范围的数量和速度阈值范围的边界。首先，所述控制器根据所述电机目标转速设置若干的速度阈值范围，速度阈值范围的数量是指将电机目标转速值附近的速度划分为多少个速度阈值范围，速度阈值范围的数量可以根据需要设置n个，n的最低值为1，最高可以是n＝(正负差值的最大值之和)/(差值识别精度)；速度阈值范围的边界是指pi控制目标速度值为中心，向正负偏移值移动时，不再进行kp值区分的边界，即在此边界中，kp值保持不变。速度阈值范围的边界的选取可以根据实际情况调节，本实施例中设置为正负20％，若电机实际转速刚好等于电机目标转速，则kp＝0。

以控制电机目标转速稳定到1000转/分钟为例，系统转速控制精度0.1转/分钟，系统最高转速max＝2500转/分钟。设置速度阈值范围的边界时，最低边界可以到0转/分钟，最高边界可以是电机系统达到的最高转速。而速度阈值范围的个数的设置最低是1(等于未分段)；低于1000转时的速度阈值范围的个数最高可以是1000/0.1＝10000段，而大于1000转时的速度阈值范围的个数设置可以是(max－1000)/0.1＝(2500-1000)/0.1＝15000段。速度阈值范围太多对于单片机而言存储负荷太重，实际操作中速度阈值范围的个数可以根据系统的控制效果来取舍。

具体的，以速度阈值范围的个数设置为8段，分段边界为最高边界和最低边界以目标值+/-200转/分钟为例：控制目标速度为1000转/分钟，设置8个kp值，即将速度1000转/分钟周围，偏移+/-200转/分钟的范围进行区段划分。具体分段设置可以是：1000－1050，1050－1100，1100－1150，1150－1200；1000－950，950－900，900－850，850－800。此例中800转/分钟为最低边界，1200转/分钟为最高边界。在不同的速度区间内，将采用不同的kp-n值，具体每段的kp-n值的大小，根据实际标定情况进行调整。总体的原则是偏移值越大的区段，kp-n值越大。例如我们可以设置1000－1050为kp-1＝x，1050－1100为kp-2＝2*x，1100－1150为kp-3＝4*x，1150－1200为kp-4＝8*x，依照分段边界的概念，大于1200时采用的是kp-4值；目标值小于1000的分段方法类似950－1000为kp-5＝y，900－950为kp-6＝2*y，850－900为kp-7＝4*y，800－850为kp-8＝8*y，小于800时采用的是kp-8值。

总之，为了解决比例调节的这个自身缺陷，我们采取对不同速度阈值范围使用不同kp值的方法。即比例调节的参数kp不再是同一个值，而是以pi控制的目标值为中心，对分别位于目标转速正负两侧10％～50％的区域内的速度值进行分区设置。在实际转速和目标转速的差值较大时，kp参数设置较大，可以使回调的速度加快，在实际转速和目标转速的差值较小时，kp参数较小，调节时超调的量不会过大。

<实施例二>

本发明还提供一种汽车电动尾门电机控制方法，如图2所示，首先，进行步骤s11：所述控制器根据所述电机目标转速设置若干个速度阈值范围；然后进行步骤s12：通过测量单元4测量所述电机实际转速，并将所述电机实际转速提供给所述控制器1；步骤s13：所述控制器根据所述电机实际转速判断所述电机当前所处的速度阈值范围；步骤s14：所述控制器根据所述电机当前所处的速度阈值范围设置所述比例-积分算法中的比例系数的值；步骤s15：在设置好比例系数的值后，控制器1根据比例-积分算法计算占空比；最后进行步骤s16：驱动模块2根据计算得到的所述占空比驱动所述电机3转动，电机转速与占空比成正比例关系；电机3转动带动所述汽车电动尾门进行升降运动。

具体的，步骤s15中所述控制器根据比例-积分算法计算占空比包括：

其中：kp为所述控制器设置的比例系数，ki为所述控制器设置的积分时间常数，e(k)为所述占空比的偏移量，u(k)为所述占空比的输出值；所述控制器1根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例系数的值。

为了解决比例调节容易超调的自身缺陷，我们采取对不同速度阈值范围使用不同kp值的方法。即比例调节的参数kp不再是同一个值，而是以pi控制的目标值为中心，对分别位于目标转速正负两侧10％～50％区域内的速度值进行分区设置。在实际转速和目标转速的差值较大时，kp参数设置较大，可以使回调的速度加快，在实际转速和目标转速的差值较小时，kp参数较小，调节时超调的量不会过大。

进一步的，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，步骤s11、步骤s13和步骤s14，都是“所述控制器根据电机实际转速和电机目标转速之间的差值的大小来设置所述比例-积分算法中的比例系数的值”这一步骤的一部分。

本实施例通过所述控制器根据所述电机目标转速设置若干个速度阈值范围，所述控制器根据所述电机实际转速判断所述电机当前所处的速度阈值范围，具体的，对应pi算法中的kp参数进行了速度阈值范围的划分，赋予不同速度阈值范围下不同的控制权重，所述控制器根据所述电机当前所处的速度阈值范围设置所述比例系数的值。

如图3～4所示，由本实施例中的汽车电动尾门电机控制方法优化后的电机转速曲线明显比现有技术中的电机转速曲线稳定，进行kp分区段控制之后，当电机实际转速和目标转速差值较小时，不必使kp参数过大就具有快速回调的能力，同时超调量与较小的kp值时保持一致，也比较小且恢复快，反之，差值越大，kp值越大，调节能力相对越高，实际工程应用中，可以使电动尾门的运行更加平稳。根据这样的方法进行调整后的kp参数，将作用于不同速度阈值范围，最终表现出来的效果是在不同速度阈值范围下的pi算法中的比例调节能力的变化，这一变化使得整个由pi控制的运行过程更加平稳。

具体的，所述速度阈值范围包括正速度阈值范围和负速度阈值范围，其中：当电机实际转速大于电机目标转速，则电机当前所处的速度阈值范围为所述正速度阈值范围，所述正速度阈值范围对应系数为正的比例系数；当电机实际转速小于电机目标转速，则电机当前所处的速度阈值范围为所述负速度阈值范围，所述负速度阈值范围对应系数为负的比例系数。所述正速度阈值范围均处于电机目标转速与电机最高转速之间速度值的前10％～50％范围内，所述负速度阈值范围均处于零转速与所述电机目标转速之间速度值的后10％～50％范围内，是指在电机目标转速值附近的正负10％～50％的速度值区域内进行速度阈值范围的划分，即-10％到-50％之间的一个数值，到10％到50％之间的一个数值，两个数值之间的范围内，例如-20％～25％之间。

所述系数相同的比例系数的值之间为倍数关系，电机实际转速与电机目标转速差值越大，对应的比例系数的绝对值越大。所述速度阈值范围对应的所述比例系数的值为其接近所述电机目标转速一端的邻近的所述速度阈值范围对应的所述比例系数的值的倍数，即kp-n的值是kp-n-1的值的倍数，而kp-n-1对应的速度阈值范围比kp-n更靠近目标转速，例如，kp-n的值是kp-n-1的值的两倍，优选的，为偶数倍，可使控制器的计算速率更快。

若所述电机实际转速大于电机目标转速，且位于所有速度阈值范围之外时，则所述控制器将所述比例系数设置为系数为正的绝对值最大的比例系数，若所述电机实际转速小于电机目标转速，且位于所有速度阈值范围之外时，则所述控制器将所述比例系数设置为系数为负的绝对值最大的比例系数。具体的，所述电机实际转速位于所有速度阈值范围之外时，控制器将电机当前所处的速度阈值范围设置为离所述电机实际转速的值最接近的速度阈值范围，例如控制器设置的速度阈值范围在-20％～25％之间，而电机当前速度为-30％，则控制器判定电机当前处于-20％的速度阈值范围内，当前的kp值的即是-20％的速度阈值范围对应的kp值。

本实施例通过将速度阈值范围设置为电机目标转速周围的某一范围内，缩小了控制器需要存储的信息量，当电机实际转速不处于所有速度阈值范围时，控制器可直接设置系数相同的绝对值最大的比例系数，以免速度阈值范围数量太多而增加控制器的计算量。更进一步，所述系数相同的比例系数的值之间为倍数关系，只需存储一个基数即可，其他比例系数在基数的基础上进行倍数相乘即可，可以使控制器计算更加简便和快捷。

另外，在所述的汽车电动尾门电机控制方法中，所述速度阈值范围的数量由所述电机目标转速和/或所述控制器的运行能力决定。

本实施例中的汽车电动尾门电机控制装置及方法使kp值的设置更加灵活，差值大的速度阈值范围可以设置较大的kp值，使比例调节具备更强的调节能力和稳定性。实际效果上看，会使运行过程中的电机稳定性更高，减弱发生超调时的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。