1、第 22 卷 第 1 期 厦门理工学院学报 Vol22 No12014 年 2 月 Journal of Xiamen University of Technology Feb 2014 收稿日 期 2014 01 08 修回日期 2014 02 23 作者简介 许师中 ( 1968 ), 男 , 工程师 , 研究方向为汽车电子 E-mail: 2010990803 xmut edu cn基于电流纹波纯硬件波形转化的车窗防夹设计许师 中( 厦门理工学院机械与汽车工程学院 , 福建 厦 门 361024) 摘 要 针对电动车窗系统的安全和快速响应的要求 , 设计了纯硬件电路的纹波 方波转化模块
2、, 可对车窗电机的电流纹波进行数字化波形转换 , 从而得到类似采用霍尔传感器方式的方波信号 此信号的频率数倍于霍尔传感器信号 , 可用于判断电机的转速 , 再结合检测电机的电流值的方法 , 可以作为电动车窗防夹控制的产品方案 试验使用情况表明 : 该防夹控制方案稳定 、可靠 , 防夹反应速度快 , 具有一定的实用性和推广价值 。 关键词 电动车窗 ; 防夹功能 ; 电流纹波 ; 纹波 方波转化模块 ; 霍尔传感器 中图分类号 U463, TP29 文献标志码 B 文章编号 1673 4432 ( 2014) 01 0011 06目前大量汽车采用电动车窗 , 不少电动车窗不具有防夹功能 , 或防
3、夹功能设计不完善 , 容易 造 成对乘员尤其是儿童的伤害 美国交通部颁布了针对电动车窗系统的法规 FMVSSll8, 对车窗防夹相关参数做出了明确规定 , 升窗过程在防夹区域遇到 100 N 阻力 , 应启用防夹功能 我国规定要求从2012 年开始使用自动玻璃升降器的新增车辆应该具有防夹功能 , 且防夹力小于 100 N 也就是说在防夹力达到 100 N 前 , 车窗玻璃开口在 4 200 mm 范围时 , 玻璃应停止上升并且反向下降 1 在实 际使 用中 , 防夹功能主要针对儿童的防护 , 车况正常情况下防夹力 100 N 已明显偏大 车窗防夹系统会受到不同环境的影响 , 如温度变化的影响
4、, 在北方年温差大 , 冬天车窗的胶条变硬 , 升窗阻力剧增 , 甚至出现了车窗玻璃关不上的情况 , 因此 , 采用固定参数或简单的防夹运算处理会导致车窗防夹功能在外界条件恶劣的情况下对障碍物误判 , 或者感受不到障碍物 , 造成防夹功能失效 , 并且目前主流防夹系统存在产品成本偏高等问题 基于以上原因 , 本文设计了低成本 、纯硬件的电流纹波 方波转换电路模块 , 经过多次实验 、调试 , 基本解决了电流纹波防夹检测功能需要克服的主要问题 , 把电流纹波检波整形为方波信号 , 与同时读取电机的电流值结合 , 应用于防夹判断 , 可方便地调整防夹参数 , 精简控制系统 , 简化安装工艺和降低产
5、品成本 1 研究 背 景综观 多 方资料 , 防夹功能使用的检测方法主要有无机械接触式防夹和接触式防夹 无机械接触式防夹不需外力作用在玻璃上 , 系统不受多种因素影响 , 因而这是最优的防夹保护方案 ; 但该方法因硬件成本偏高 、安装工艺复杂等因素 , 目前极少在实车使用 现在的车窗防夹系统基本采用接触式防夹 接触式防夹指当有异物放在上升的玻璃上 , 接触所产生的阻力传递给电动窗控制系统 , 控制系统可自动启用车窗防夹功能 防夹方案的依据是直流电机的运动模式理论 1. 1 车窗直流电机的运动模型永磁直流电机的电路和机械方程 :U( t) = e( t) + i( t) + Ldi/dt ( 1
6、)e( t) = k( t) ( 2)厦门理工学院学报 2014 年m( t) = ki( t) ( 3)Jd/dt = m( t) f( t) ( 4)式 ( 1) ( 4) 中 : U( t) 为 电枢 电压 ; e( t) 为反电动势 ; i( t) 为电机电流 ; 为电机等效电阻 ; L 为电机等效电感 ; J 为转动惯量 ; f 为电机转动中受到的阻力系数 ; 为电机角速度 ; k 为转矩系数 ; m( t)为电磁转矩 通过对上面 4 个式子进行拉普拉斯变换 , 并令全部初始条件为零 , 可得拉普拉斯表达式 :U( p) = E( p) + I( p) + pLI( p) ( 5)E
7、( p) = k( p) ( 6)pJ( p) = M( p) f( p) ( 7)M( p) = kI( p) ( 8)式 ( 5) ( 8) 中 : p 为拉普拉斯算子 1. 2 接触式防夹几种方法1. 2. 1 基于检测电机电流大小的防夹方法根据前文拉普拉斯式子 , 可得车窗电机的工作阻力系数 f 与电流关系式如下U( p) = k2/( pJ + f) + + pL I( p) ( 9)一个确定的电机系 统 , U、L、J、k、p 均 可视为不变 从式 ( 9) 可以看到 , 当阻力系数 f 增大时 , 关系式要维持成立 , I( p) 必随之增大 , 即当车窗玻璃在上升过程中遇到障碍
8、物时 , 导致阻力增大 , 电流随之增大 因此可以通过采集电机电流 , 间接地确定电机所受阻力大小 玻璃正常上升阶段 玻璃正常上升阶段电机通电瞬间第一次受阻第二次受阻玻璃正常到顶阶段图 1 电动车窗完整升窗过程的电流波形Fig.1 Current waveform of the rising process of window1 2 3 4停止500.00.050从图 1 观 察玻璃上升过程受到手的两次下压与玻璃到顶阶段的工作电流 波形 , 可以知道 :( a) 关窗电机的电流是在直流基础上叠加振幅较大的交流信号 , 即电流纹波 ; ( b) 玻璃自然到顶阶段的工作电流上升斜率远比其他状态大
9、;( c) 电机正常工作与遇阻时的工作电流比堵转电流小 ; ( d) 电机从正常工作电流达到堵转电流的时间很短 , 这段时间玻璃移动的距离短 。因此电流防夹方案存在电流测量精度不高 、容易受到外界因素干扰和防夹反应速度慢等缺点 1. 2. 2 基于霍尔传感器的防夹方法根据前文拉普拉斯表达式 , 可得车窗电机的阻力系数 f 与转速关系式如下kU( p) = ( pJ + f)( + pL) + k2 ( p) ( 10)从 式 ( 10) 可 以 看到 , 当阻力系数 f 增大时 , 关系式要维持成立 , ( p) 必随之增减小 。即当车窗在上升过程中遇到障碍物时 , 导致阻力增大 , 电机转速
10、变小 。因此可以通过采集电机转速 , 间接地确定电机所受阻力大小 此方案需在车窗电机轴上装有径向充磁的多极磁环 , 在靠近磁环附近装有固定的霍尔传感器 当电机转动时 , 磁环旋转产生交变磁场 , 使霍尔传感器输出方波脉冲信号 。电机转速变小会造成霍尔信号的脉宽增大 , 通过霍尔信号脉宽的变化来判断车窗是否遇到障碍物 , 从而判断阻力的大小 , 进而最终确定是否启用防夹功能 21. 2. 3 基于电流纹波的防夹方法车窗电机通常采用一对电刷 、绕阻并联支路对数为 1 的直流电机电路结构 。电流纹波由绕阻电 流换 向所造成 , 设电机换向器的换向片数为 k, 电机转速 n, 则电流纹波频率 fi=
11、kn 3; 因升 窗 电机体积较小 , 电机旋转一圈输出的霍尔脉冲信号个数较少 , 最多不超 4 个 , 因此 , 霍尔传感器信号的频率21第 1 期 许 师 中 : 基于电流纹波纯硬件波形转化的车窗防夹设计图 2 霍尔传感器信号与电流纹波信号周期比较4Fig.2 Cycle comparison of HS signal and current ripplefh= ( 1 4) n , 则两者 频率之比 N =fi/fh= k/( 1 4) 如图 2 所 示 , 方 波信号为霍尔传感器信号 , 交流信号为电流纹波信号 , N 等于 10 因此通过对电流纹波进行数字化处理 , 得到比霍尔脉冲信
12、号更为精细的方波信号 , 再根据方波周期变化快慢进行防夹处理 , 控制精度和反应速度大大提高 , 防夹性能得到显著的提升 采用电流纹波技术的方案 , 只用到了电机的一般特性 , 不需要额外增加元器件 , 成本较低 , 但是此方案检测难度较大 , 可靠性略差 5从目前资料的检索来看 , 尚未有 利用电流纹波方法进行防夹功能检测的成熟产品出现 , 最主要原因是 : 升窗过程遇到障碍物或接近上下端时 , 直流工作电流陡升 , 电机转速急剧下降导致纹波周期变大 , 无法采用一般交流耦合方式分离出电流纹波信号 , 通常电路无法实现纹波 方波的转化 , 而采用计算机的数字化处理技术较为复杂 另外电流纹波检
13、测需要电路具有较强的抗干扰能力 , 电流中存在干扰毛刺 , 这些毛刺与电机电刷与换向器之间的接触 、电腐蚀状况有关 , 并随着电机的使用而日趋严重 3 因此若想采用电流纹波防夹方案 , 就必须解决这些主要问题 1. 2. 4 基于霍尔传感器与检测电机电流大小的防夹方法目前在汽车车窗防夹领域 , 主流的解决方案一般采用霍尔传感器加上检测电机电流的方式 典 型设 计 方案是飞思卡尔与同济大学联合开发的防夹车窗升降系统参考设计 , 该参考设计基于 S12MagniV 混合信号微控制器 , 提供了真实车门 /车窗应用所需要的硬件设计 , 以及软件包括防夹算法和底层 S12V 驱动程序 , 算法中利用霍
14、尔传感器和电流检测来判断防夹 6 这种检测方法需要在每扇电动车窗安装一套控制系统 , 安 装 略 微复杂 , 成本也相应比较高 2 车窗防夹设计方案目前 , 主流防夹检测方案是检测车窗电机转速与工作电流 现阶段电机转速是利用霍尔传感器进行 检 测 , 通过霍尔传感器输出的脉冲信号判断电机工作状态 在前文指出 , 这种检测方法需要在每扇电动车窗上安装一套控制系统 , 安装略微复杂 , 成本也相应比较高 车厂批量使用防夹功能电动车窗 , 若去掉霍尔传感器相关检测部件 , 可以降低相应的材料和生产工艺成本 , 因此只要解决电流纹波防夹检测需要克服的主要问题 , 实现纹波 方波转化 , 利用电流波纹防
15、夹方案具有明显优势 , 整车只需要一套控制系统 , 即可具有与霍尔传感器相媲美的性能 2. 1 总体架构本防夹方案沿用主流的防夹设计思想 , 采用检测电机工作电流值 , 结合由电流纹波转化而成的方波信号作为防夹检测手段 此防夹方案需要实际测量车窗升窗过程的一些基本参数 , 作为防夹判断依据 , 为此 , 防夹系统通电后有两种状态 : 参数设定与学习状态 、电机工作状态检测与控制的正常使用状态 要使系统处于参数设定与学习状态时 , 可以利用外部按键 , 系统测量正常升窗过程 、在外加设定阻力下升窗过程 ( 可以用外挂重物方式自由设定 ) 两种工作状态下的工作电流 、电流纹波周期 , 以及正常升窗
16、时电机堵转前几个电流纹波周期和对应电流值 , 并保存在 MCU 内作为参考值 这样就可以根据外部使用条件变化 , 方便随时进行防夹参数调整设置 , 如车门变形 、每年不同季节温差变化 、主要防夹对象 ( 儿童或成年人 ) 等情况 正常使用状态下 , 车窗玻璃上升时 , 同时检测电流值和纹波脉冲周期 在电流达到防夹阈值后 ,31厦门理工学院学报 2014 年若纹波脉冲周期变化很快 , 且脉冲周期大于 50 ms 即可判断正常到顶 , 可快速使电机断电 ; 当脉冲周期变化相对缓慢时可以判断是遇阻 , 这时 MCU 需要控制电机反转 , 可用脉冲个数计算玻璃下降距离 ,最多 20 cm 左右 ( 小
17、孩的头可以移开 ) , 延迟一段时间后 , 再次进入关窗程序 , 最后完成关窗动作 2. 2 软 件控 制流程图 3 车窗防夹流程图Fig. 3 Flow diagram of anti pinch window根据 防 夹方案 , 应用程序主要由参数的设定与学习 、车窗电机工作状态检测与控制两个主要部分构成 , 并包含抗 1 kHz 以上干扰频率的处理功能 , 软件流程如图 3 所示 2. 3 纯硬件电流纹波 方波转化模块为较好实现电流纹波整形 , 设计一个纯硬件的电流纹波 方波转化电路最为理想 , 可避免使用单片机进行复杂数字化算法处理 , 并且可提高防夹反应速度 2. 3. 1 工作原理
18、与电流检测电路原理方框图电机的工作电流经过 10 m 的取样电阻 e转化为电压信号 , 利用差分放大电路对电压信号进行放大 放大后的信号分两路输出 , 第一路信号经过纹波平滑电路送到 PIC16F877 的 A/D( A0) 端口进行模数转换 , 通过简单运算 , 可得到电机的电流值 ; 第二路信号经过 1 kHz 低通滤波后 , 送到纹波 方波转化模块 , 把电流纹波信号转化成方波信号 , 再送到 PIC16F877 的 I/O( INT) 进行频率检测 其中的差分放大电路 、1 kHz 低通滤波电路 、纹波 方波转化模块为电流纹波检测方法需解决的主要问题而设计的 , 纹波 方波转化模块又是
19、本方案的核心电路 电流检测及电流纹波转化原理框图如图 4 所示 图 4 电流信号采集、转换电路Fig.4 Collection and transformation circuit of current signal纹波平滑电路VbatR201 R203ReR202R204R221R220R205R206R207C214C213C201C202 C20310 K 680 K680 K1 K2 K1 K10 K10 m赘321 5672 21D206LMP7708LMP7708去电机VCCL202110.1滋F10滋F 10滋F0.47滋F0.1滋F15 K1 kHz低通滤波电路纹波-方波转化模
20、块RA0 INTPIC16F877AU2B+-U2A+-42. 3. 2 系统硬件抗干扰设计1) 电流取样放大电路采用差分电路以 提高共模抑制比 , 放 大 器采用 LMP7708, 它的共模抑制比41第 1 期 许 师 中 : 基于电流纹波纯硬件波形转化的车窗防夹设计达到 130 dB 因取样电阻 e ( 10 m) 很小 , 很多干扰信号在取样电阻两端形成的影响基本等同于共模信号 ; e 两端也无需并联干扰滤除电容 , 根据电容阻抗 Z = 1/( 2fC) 计算 , Z 要达到 e ( 10m) 级别 , 在 f =1 kHz 时要求 C 0. 016 F, 并联电容不仅增加器件成本和电
21、路体积 , 实际效果也很有限 , 采用共模抑制比高的放大电路即可弥补这个缺陷 2) 从图 5 可以看出 , 正常的电流波纹频率小于 1 kHz, 因此低通滤波电路 、纹波 方波转化模块应设计滤除 1KHz 以上干扰信号 , 经过两级电路抗干扰处理 , 基本可以消除 1 kHz 以上干扰信号的影响 3) 设计 PCB 板时 , 由于取样电阻只有 10 m, 必须考虑 PCB 板线路走线的电阻影响 , 因此差分电路输入取样信号必须从 e 两端焊孔处引出走线 , 否则会造成较大误差和引入干扰 4) 选用合适的元器件 , 特别是重要器件要考虑它的参数 、精度和良好温度稳定特性 , 如取样电阻 、差分放
22、大电路使用的元器件等 硬件电路经过以上处理后 , 干扰毛刺可以得到明显滤除 , 测量精度有显著提高 , 再利用软件的抗干扰处理 , 基本可以取得完美的波形变换效果 3 应用 检 测利用 图 4 设 计的电路 , 测量某款日产车型的电动窗升窗过程 , 得到车窗玻璃正常升降过程 ( 见图 5) 、车窗玻璃到顶前后的电流纹波转化成方波的实际效果波形 ( 见图 6) 从图 5 6 中可以看出硬件电路设计方案达到预期的效果 : 1) 每个取样电流波纹周期可以很好地转化成类似霍尔传感器的脉冲信号 , 特别在冲顶阶段纹波周期快速变大 、直流电流剧增情况下 , 仍保持良好的波形转化效果 ;2) 经过抗干扰处理
23、 , 纹波上的干扰信号基本被抑制 , 干扰幅度很小 , 不会造成对波形转化电路的干扰 本例的差分放大电路的电压放大倍数为 68 倍 , 根据效果波形图分析 , 可以得到以下一些信息 :1) 从图 5 可知 : 正常工作电流 I02/ ( e 68) 3 A, 波纹的 周期 T01. 8 ms, 即频率 f0550 Hz, 波纹频 率 、工作电流比较稳定 2) 从图 6 可知 : 玻璃窗升到顶时最大电流 Imax7/ ( e 68) 10 A, 最后 3 个波纹的周期分别为 T1=5. 6 ms, T2=7. 6 ms, T312. 5 ms, 即 f1180 Hz, f2=132 Hz, f3
24、80 Hz, 这时的电流波纹频率 、工作电流变化很大 图 5 车窗玻璃正常升降电流纹波转化结果Fig.5 Current ripple transformation innormal rising window图 6 车窗玻璃到顶前后的电流纹波转化结果Fig.6 Current ripple transformation of risingwindow before and after its top这些相关的参数也是设计软硬件抗干扰 、防夹参数的的重要依据 51厦门理工学院学报 2014 年4 结 语利用纯硬件电路的纹波 方波 转 化模块 , 对数倍于霍尔信号频率的电流纹波信号进行数字化处理
25、 ,判断电机的工作状态 , 结合检测电机工作电流值的方法 , 作为电动车窗防夹控制的产品方案 相比目前流行的 “霍尔信号 + 电流检测 ”的防夹方案 , 本方法有如下 3 个明显优点 : 1) 被采样的信号频率明显高于霍尔信号 , MCU 能较快判定电机的工作状态 , 所以系统的防夹反应速度更快 ; 2) 由于使用普通车窗电机 , 不需额外安装与霍尔传感器相关的结构件 , 并且纹波 方波转化模块的成本较低 , 可以批量使用 , 明显降低产品成本 , 降低产品故障率 ; 3) 大大简化 MCU 的信息处理量 , 无需通过高速 A/D 转换及软件进行复杂运算 、处理得到电流纹波周期 利用此方案设计
26、出来的样机 , 经过一段时间在不同车型上的实际使用 , 显示其工作稳定可靠 , 低成本和简单的生产工艺使其具有一定的实用性和推广价值 参考文献 1 国 家 质 检总局 , 国家标准化管理委员会 GB 115522009 乘用车内部凸出物 S 北京 : 中国标准出版社出版 ,2010 2 马伟泽 , 张申科 , 汪宏杰 采用霍尔传感器的汽车电动车窗防夹设计 J 汽车工程 , 2008, 30( 12) : 1122-1124 3 王 晓明 , 韩 阳 , 任少义 , 等 车窗升降控制器的防夹测控算法 J 中国科技论文在线 , 2010, 5( 8): 615-618 4 吴志红 , 陈 雅莹 ,
27、 朱元 , 等 车窗防夹算法的探究和实现 J 电子产品世界 , 2009( 1): 88-90 5 付朝辉 电动防夹车窗技术探讨 J 汽 车电器 , 2012( 7): 15-18 6 Freescale Semiconductor, Inc Anti Pinch window lift reference design DB/OL http: / /cache freescale com/files/microcontrollers/doc/fact_ sheet/DS12VFS pdf? fpsp =1Design of the Power Windows Anti-pinch Based
28、 on the Current ippleWaveform Transformation with Pure HardwareXU Shi-zhong( School of Mechanical Automotive Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China)Abstract:A ripple square wave transformation module with pure hardware circuit was designed aiming atmeeting the requirements o
29、f fast response and security for power windows system The module could digitize thecurrent ripple of window motor to achieve the square signals similar to those by Hall sensors The square signalshad frequency many times that of the Hall sensor signals and can be used to determine the motor speed Whe
30、ncombined with the methods of motor current value detection,the signals could be a product solution to powerwindow pinch Tests show that this anti-pinch solution is stable, reliable and fast in response, worthy ofpractical use and market promotionKey words:power window; anti-pinch function; current ripple; ripple-square wave transformation module;Hall sensor( 责 任 编 辑 李 宁 )61