无传感器电动车窗防夹控制模块的研制

作者：刘广敏 王知学 马建辉

欢迎访问e展厅 展厅 2 汽车电子展厅 车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ... 为了增加汽车的舒适性，很多汽车都安装了电动车窗，司机按下按钮就可以控制门窗玻璃的升降，非常方便。但是车窗没有智能，如果司机没有注意成员的手或物体伸出窗口，就容易被上升的玻璃夹伤。为了安全起见，现在很多乘用车都采用了电动防夹车窗（Anti-Pinch WindowLifter，APWL）。欧洲和美国已先后立法，确定了APWL为汽车的标准配置，以提升行车安全和人性化程度。我国政府对APWL的立法也在研讨过程中。现有的APWL都是在玻璃升降器的电机上安装了霍尔元件来感应电机是否受到了阻力，或者安装了其他的光学类的传感器。这种电动车窗需要在现有的普通玻璃升降器安装额外的传感器。在本文中介绍了一种在现有的无传感器电动车窗的基础上就能实现车窗防夹功能的车窗控制模块。 1 电动防夹车窗的原理 在本系统中设计的电动防夹车窗由电动玻璃升降器和车窗控制模块组成。 电动玻璃升降器由升降机部分和电机部分组成。升降机部分一般采用绳轮式、齿轮臂式或是软轴式。电动玻璃升降器的关键是电机部分，一般都采用内置减速器的可逆性永磁直流电机，电机内有磁场线圈，通过控制加在线圈上的电压的方向就可以控制电机的正转和反转，就可以实现车窗玻璃的上升和下降。 在基础车型的电动车窗控制电路中，控制车窗电机采用的是开关和继电器，比较容易发生粘连等问题。而在本系统中采用智能功率驱动器件控制车窗电机，通过控制加在直流电机上的电压方向来控制电机的转动方向。升降器电机通过的电流的变化完全反映玻璃上升或下降过程中遇到的阻力变换情况，通过采样玻璃升降器电机通过的电流，监测电流就可以监测玻璃升降过程中阻力的变化情况从而执行相应的操作。智能功率驱动器件可以实现对电机的过流、过压及过热保护，而且通过监测电流自动识别玻璃上升途中遇到障碍的状况，进而进行反转，防止夹伤。控制模块可以实现的功能： （1）点按车门控制键（按键时间小于300 ms），车窗自动上升到顶或下降到底，点按同一开关任意键，车窗停止上升或下降； （2）延时按控窗键（按键时间大于300 ms），车窗上升或下降，上升或下降过程中释放按键车窗即停； （3）车窗运行到顶位或底位时自动停止，车窗电机断电； （4）车窗玻璃在自动上升的过程中如果遇到一定的阻力会自动停下来，下降一段距离，能有效地防止人或物品的意外夹伤。 2 车窗控制模块的硬件设计原理 通过对电动玻璃升降器国家标准的分析，电动车窗控制模块的控制对象就是一个供电电压11～15 V，工作电流不大于15 A，堵转电流不大于28 A的永磁直流电机。车门控制模块的电路主要由以下几部分组成：电源电路、微控制器部分、电动车窗驱动电路、总线接口电路等，车窗控制模块的框图见图1。 其中微控制器采用单片机PIC18F2480，该单片机片内集成了A／D，PWM，CAN控制器，URAT，SPI等很多非常实用的功能。采用单片机PIC18F2480控制功率器件的开关动作，同时对系统状态进行实时监控，接收故障反馈信号，并通过车载网络实现与中央车身控制器及其他车门控制器的故障信息和按键控制信息的交换，从而及时在用户界面上显示故障内容并对车门进行实时控制，确保了行车安全。 2.1 电机驱动电路的设计 车窗电机主要由飞思卡尔的智能功率模块MC33486外加两个MOSFET组成一个H桥来驱动实现电机的双方向控制，两个MOSFET的内阻、温升、电压都和MC33486相匹配，在本设计中采用STB55NF06T4，D2PAK封装。其正常输出连续电流最大达到为10 A，最大峰值电流可达35 A，直流输入电压范围较宽，达8～28 V，当电压高于28 V时具有过压保护功能，对高端及低端均能过流保护，斩波控制下频率可达30 kHz，对检测到的高端输出电流具有镜像特点。这些器件已提供了完善的故障检测及保护功能，因而避免了采用过多的分立元件，大大减小了模块体积，并提高了模块的EMC（电磁兼容）特性。 2.2 电流采样电路的设计 防夹功能主要通过监测玻璃升降器电机的电流变化来实现，其框图如图2所示。 飞思卡尔的功率芯片MC33486有负载电流的线性复制功能，CurR输出和负载电流成比例的电流，其中ILoad为玻璃升降器的电机电流： 这个电流通过采样电阻R7和限流电阻R8把电流转化为电压输入到单片机ADC的采样端。输入到单片机端的电压为： 电压进行A／D转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。车窗上升过程、下降过程，上升过程中遇到阻力时经过电机的电流都呈规律性的变化，而这些电流变化都通过电流采样实时地反映到单片机中。 3 车窗控制模块的软件设计 3.1 车窗的启动和停止 启动是指直流电动机由静止达到稳定转速的过程。若直接启动（即直接合闸），给电动机加上U额，则启动电流Ia=（U-0）／Ra=U／Ra很大，会带来强烈的火花现象，电流正比于转矩，过大的转矩带来很大的冲击，电压波动影响供电的稳定性。在本系统设计的时候，电机启动采取PWM的方式进行。采用2 kHz的频率，分为10段，占空比从0％逐步上升到100％。每段10个脉冲，共5 ms，10段启动时间一共50 ms。在实验中证实，采取这种启动方式，启动比较平稳，启动快速性较好。在车窗启动的这段时间里，电机的电流变化比较大，无法通过监测电流的变化来实现防夹功能，同时这段时间很短，因此在启动的这段时间内应避免实现防夹功能。 而在停止的时候，不是监测到电机堵转才停止，而是监测到电机的电流超过了其正常工作电流的一定幅度就停止电机，在本系统实验中，这个界限电流定义为11 A。上升过程电机的电流变化见图3，电机的电流呈现逐步增大的趋势，连续变化，下降过程电机电流的变化见图4所示，电流呈现逐步下降的趋势，连续变化。 3.2 防夹算法的实现 为了实现电动玻璃的防夹功能，设计研制的车窗控制模块必须包括两种功能： （1）必须能够判断是否遇到障碍物； （2）判断遇到障碍后必须能够判断玻璃是在上升还是已经上升到顶部。 如果车窗控制模块判断玻璃在上升过程中遇到障碍物，则控制模块发出指令，电机反转，车窗下降一段距离后停止；如果车窗控制模块判断玻璃已经上升到最顶端，则控制模块发出指令令电机停止，车窗关闭。 车窗上升到顶部和车窗上升过程中遇到阻力直流电机的电流变化情况见图3，图5。 通过对比图3，图5发现，在上升到最顶部和上升过程中遇到阻力两种情况下，电机的电流都从正常工作电流急剧增大，因此可以通过监测电机的电流幅值来判断是否遇到障碍。但是电机的瞬时电流变化可能会出现峰值，因此幅值必须是一段时间内的电流平均值。当电流平均值A≥A障碍（A正常 仅仅通过幅值这一个判据无法区分车窗遇到障碍是在上升过程还是到了最顶端，通过对比图3，图5发现，在车窗上升过程中遇到阻力和车窗上升到最顶端两种情况下电机电流增大的快慢是不一样的，车窗上升过程中遇到阻力情况下要比车窗上升到最顶端情况下电流变大要快。因此可以通过求得电流变化的斜率来区分两种情况。当f≥f阻力时，车窗上升过程中遇到阻力；当0 此外，还可以增加一个辅助的判据来区分车窗遇到障碍是在上升过程还是到了最顶端。通过对比图3，图5发现，从车窗开始运行在车窗上升过程中遇到阻力和车窗上升到最顶端两种情况下，牟窗的运行时间是不一样的。当T>T顶端时，车窗上升到最顶端；当T≤T顶端时，车窗上升过程中遇到阻力。但是相同车型的不同车窗，由于安装的不能完全相同，因此T顶端会有细微的差别，可以通过实验测出一个初始T顶端，把每次车窗上升到最顶端的时间记录下来，存储到E2PROM中，这些数据作为调整T顶端的依据，这样参数T顶端具有了自适应性。 这样通过三组判据来判断区分两种情况。当（A≥A障碍）＆＆（f≥f阻力）＆＆（T≤T顶端）时，车窗上升过程中遇到阻力；当（A≥A障碍）＆＆（0T顶端）时，车窗上升到最顶端。采用三组判据增加了判断的准确性，降低了误判率。采用这三种判据，在实车实验中良好地实现了电动车窗的防夹功能，在上升过程中遇到阻力车窗则下降一段，电流变化如图5所示。 4 结 语 PTC单片机PIC18F2480片内集成了很多功能，支持CAN通信和串行通信，可以在线编程。智能功率驱动器MC33486不但具有宽范围电压输入，大容量，而且还有电流镜像功能。这两种元器件结合起来，通过监测车窗电机的电流来监测车窗遇到的障碍情况，在现有的不具有防夹功能的电动车窗的基础上，不需要添加任何传感器，很容易就可以实现电动车窗的防夹功能。(end)

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