基于全橋馬達(dá)驅(qū)動的電動車窗防夾設(shè)計(jì)

近幾年來，汽車電子市場的增長非常顯著，這主要?dú)w功于一些新的應(yīng)用，如增強(qiáng)整車性能、安全性和舒適性等。為此，就必須在汽車的不同位置安裝大量的電子模塊，以及電子線束。

基于節(jié)省空間和減少重量的原則，汽車的電氣系統(tǒng)架構(gòu)正在從單一電子控制模組和集中控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向分散控制技術(shù)。另外，裝配成本的降低和整車系統(tǒng)可靠性的提高，需要將以前使用的機(jī)電操作功能轉(zhuǎn)移到電子模組里，其結(jié)果是產(chǎn)生了一系列有關(guān)分散電子模組的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括越來越多的基于標(biāo)準(zhǔn)的汽車協(xié)議（如LIN和CAN）及其特性（如自主安全操作、診斷、保護(hù)和通信能力）。

1、窗戶升降器原理

目前，很多自動控制裝置都具有觸發(fā)關(guān)閉系統(tǒng)的功能，如窗戶和車門。這也同時(shí)暗示著發(fā)生意外事故的危險(xiǎn)，如人身體或動物的某一部分被這些自動裝置夾住和壓住。一個(gè)具體實(shí)例就是汽車的自動窗戶升降器。由于窗戶玻璃施加于障礙物上的力量足夠大，因此足以壓碎人體的某一部份器官。

按照相關(guān)安全規(guī)范的建議，自動窗戶升降裝置必須裝備所謂的“防夾傷”功能。該防夾傷功能是指∶

■在關(guān)閉窗戶的時(shí)候檢測障礙物的存在。

■限制施加于障礙物的力量的大小。

■向相反方向移動窗戶，以釋放障礙物。

現(xiàn)有的解決方案不是機(jī)械式的，就是機(jī)電一體化的。在機(jī)械機(jī)構(gòu)中，防夾檢測是通過固定于窗戶支柱上的環(huán)境感應(yīng)片內(nèi)的開關(guān)進(jìn)行的。該開關(guān)一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，在環(huán)境感應(yīng)片上施加有壓力的時(shí)候開啟。該方案很簡單，但是感應(yīng)片很貴，并且潛在的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜。在某些情況，該方法無法滿足某些安全標(biāo)準(zhǔn)，舉例來說，如果窗戶形狀呈現(xiàn)為銳角，力量就不是以直角方向施加于感應(yīng)片表面(見圖1)，用以激勵(lì)開關(guān)所必需的力量不是接觸不到感應(yīng)片，就是比規(guī)范所要求的力量大很多。

有一種基于馬達(dá)速度監(jiān)視的替代方案，通過傳感器(霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器等)完成有關(guān)功能。其防夾環(huán)境檢測是通過檢查馬達(dá)速度的變化實(shí)現(xiàn)的。馬達(dá)由繼電器控制，繼電器以整個(gè)電池為動力啟動馬達(dá)。當(dāng)以最大力矩啟動馬達(dá)時(shí)，施加于障礙物上的力在啟動時(shí)可以達(dá)到最大值。本文使用VNH2SP30監(jiān)視由于馬達(dá)負(fù)載變化所導(dǎo)致的功率變化。

圖1. 汽車窗戶原理圖

對窗戶升降系統(tǒng)的具體要求是在啟動階段，檢測已經(jīng)存在的障礙狀態(tài)。事實(shí)再一次表明，在汽車窗戶升降器升起時(shí)，有幾種情況可能發(fā)生夾傷事故。兩種最常見的可能情形是∶

■窗戶玻璃的位置非?？拷皯糁е易枞矬w正好位于玻璃和窗戶支柱之間。

■如果窗戶模胚的形狀為一個(gè)銳角，這樣大部份情況下都容易發(fā)生夾傷現(xiàn)象(見圖1)。

窗戶升降器的動力來自一個(gè)直流馬達(dá)。它直接提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并通過與轉(zhuǎn)子和磁鼓的耦合來提供變速運(yùn)動。電樞電路和轉(zhuǎn)子外形如圖2所示。

圖2. 直流馬達(dá)

正常情況（軟啟動）下，在開始啟動階段，馬達(dá)功率的增加與其角速度成正比，稍後就以一定常數(shù)增加。軟啟動開始期間的夾傷可能性比進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的可能性大。因此，在具體實(shí)施時(shí)有必要定義兩個(gè)在不同時(shí)期運(yùn)行的馬達(dá)功率閾值。如果檢測到的防夾狀況達(dá)到了夾傷閾值，窗戶玻璃就在下降的過程中停下來以免事故發(fā)生；如果是在上升過程中，它將會下降一個(gè)固定的長度。

2、硬件實(shí)施

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理見圖3，具體實(shí)施方案見圖8。采用的元器件介紹如下:

■ ST72F324微控制器∶內(nèi)部頻率為8MHz，32k字節(jié)HDFlash，1k字節(jié)RAM，10bit ADC。

■ L4979穩(wěn)壓器∶用于軟件失效時(shí)微控制器中數(shù)據(jù)的自動恢復(fù)，器件中還嵌入了一個(gè)可編程看門狗定時(shí)器。

■ 用于PC串行端口的ST232通信接口。

■ VNH2SP30全橋馬達(dá)驅(qū)動器，適合各種汽車電子應(yīng)用。

圖3窗戶升降器原理圖

其中，穩(wěn)壓器啟用（Voltage Regulator Enable）連接器（圖4中的第5項(xiàng)）上安裝一個(gè)跳線，以便啟用穩(wěn)壓器，提供系統(tǒng)所需的5V電壓。

上升按鈕(Up key，圖4中的第8項(xiàng))和下降按鈕（Down key，圖4中的第7項(xiàng))管腳配置為輸入上拉模式，使其通常處于高電平(5V)；如果按下UP或DOWN按鈕，將顯示兩種不同情況:

■ Short Touch: 如果按下按鈕的時(shí)間少于100ms，窗戶玻璃將一直上升或下降（取決于按下的按鈕屬性），直到窗戶的上邊沿或下邊沿接觸到位為止。

■ Long Touch∶如果按鈕按下的時(shí)間超過100ms，窗戶將按照具體接觸狀況上升或下降，具體依賴于按鈕的屬性。

Window Up switch管腳(圖4中的第6項(xiàng))也配置為輸入上拉模式，且必須連接到一個(gè)用來指示窗戶運(yùn)行結(jié)束的機(jī)械開關(guān)，以便了解是否接觸到了門窗的上方極限位置。

微控制器可以通過ICP連接器(圖4中的第4項(xiàng))進(jìn)行重新編程。PC7連接器（見圖4中的第9項(xiàng)）上的跳線通過一個(gè)具有固定占空比（50%）和頻率（20kHz）的PWM信號驅(qū)動VNH2SP30，此時(shí)沒有防夾傷功能。在驅(qū)動有防夾傷功能的窗戶升降器時(shí)，必須斷開PC7跳線。具有防夾傷功能情況下的操作流程如圖5所示。

在打開電源或重啟後，微控制器對所有使用過的外設(shè) (輸入/輸出、定時(shí)器、ADC和SCI)進(jìn)行初初始化，并啟動一個(gè)只能執(zhí)行停止重新設(shè)定或關(guān)掉線路等指令的無限環(huán)路（infinite loop）。

重設(shè)防夾標(biāo)志符，微控制器將輪詢訪問各個(gè)key管腳。在這一階段，微處理器工作于SLOWMODE模式，以降低功耗。

圖4. PCB布局

圖5. 防夾傷功能流程圖

一旦按下按鈕，選擇的將是常規(guī)操作模式，并設(shè)置或重置VNH2SP30的INA和INB管腳，具體取?于被按按鈕是上升鍵或下降鍵，Timer B Out Compare管腳用來為VNH2SP30提供一個(gè)頻率為20kHz、占空比為30%的PWM信號，而Timer A Output Compare管腳用來隨機(jī)應(yīng)變地執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行時(shí)間為1ms。在1ms的任務(wù)執(zhí)行期間，通過ST7 ADC采集電流感應(yīng)，平均采集時(shí)間為10ms。

要知道是否會發(fā)生夾傷，必須將功率和平均功率與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較。所考慮閾值的大小取決于上升啟動階段是否已經(jīng)完成，或者軟啟動依然在進(jìn)行中。除非按下了某一按鍵或發(fā)生了夾傷現(xiàn)象，占空比均以線性增加到100%為止，而PWM則變成一個(gè)常數(shù)(圖6)。

在這一點(diǎn)系統(tǒng)等待下一事件∶按下某一按鈕或夾傷現(xiàn)象發(fā)生。如果按下了某一按鈕，馬達(dá)將停止運(yùn)行——重置VNH2SP30的PWM管腳，并設(shè)定INA和INB使馬達(dá)立即?住，使車窗玻璃停止。萬一發(fā)生夾傷現(xiàn)象，首先應(yīng)該檢查Window Up開關(guān)。

如果玻璃到達(dá)了窗戶上方極限，將驅(qū)動馬達(dá)運(yùn)行800ms，將窗戶玻璃鎖定。否則，如果玻璃處于上行過程中，馬達(dá)將下行800ms，以釋放被夾物體；如果玻璃處于下行過程中，馬達(dá)就停止運(yùn)行。

圖6. VNH2SP30的PWM信號

3、PC接口

在接通線路板電源後，VNH2SP30按照有關(guān)參數(shù)的默認(rèn)值（PWM、軟啟動持續(xù)時(shí)間、兩個(gè)閾值，或固定PWM頻率和占空比）進(jìn)行編程。借助串行端口，使用PC接口與VNH2SP30之間交換數(shù)據(jù)，可對上述參數(shù)進(jìn)行修改或采集數(shù)據(jù)。使用PC接口時(shí)，必須保證馬達(dá)已經(jīng)停止。

從圖7可以看出程序掩碼，使用掩碼上方的滑塊可進(jìn)行如下改動∶

■PWM頻率∶可能值為5、10、15或20kHz，默認(rèn)值為20kHz。降低頻率可以聽到某些噪聲，具體取?于所使用的馬達(dá)。

■軟啟動持續(xù)時(shí)間∶大概范圍為800ms至2.5s之間，默認(rèn)值為800ms 。

■閾值1∶在軟啟動期間使用，具體取?于車窗特徵，默認(rèn)值為55。增加該閾值，就增加了啟動防夾措施之前施加于障礙物上的力量。

■閾值2∶用于軟啟動開始之後。默認(rèn)值為20。同上相同，如果增加該閾值，就增加了啟動防夾措施之前施加于障礙物上的力量。

如果安裝PC7跳線，微控制器就產(chǎn)生一個(gè)具有固定頻率和固定占空比的PWM信號，其中，頻率和占空比的大小可以通過調(diào)整圖7所示的掩碼中部的數(shù)據(jù)框中的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)定好所有數(shù)值後按“Send”按鈕，這樣在下一次驅(qū)動汽車窗戶時(shí)就可以使用這些新的數(shù)據(jù)了。

也可以每毫秒采集一些信號:

■瞬時(shí)電流∶它是從VNH2SP30的CS管腳讀取的電流，平均持續(xù)時(shí)間約10ms，僅僅用來忽略噪聲。

■完整電流∶它也是從VNH2SP30的CS管腳讀取的電流，但是平均持續(xù)時(shí)間約100ms。它與瞬時(shí)電流波形相似，只是有延遲。

■差分電流∶它是上述兩個(gè)電流的差值，且是根據(jù)閾值進(jìn)行比較的結(jié)果。

在選擇了上述任一選項(xiàng)之後，按“Send”按鈕，這同時(shí)也改變了PWM頻率和軟啟動等。

信號采集只有按下線路板上的“UP”和“DOWN”鍵之後才能開始，在按下軟件上的“Acquis.Stop”按鈕之後才停止。一旦停止信號采集，將在安裝軟件的目錄下生成一個(gè)“.csv”文件。所生成的每個(gè)文件由兩欄組成∶第一個(gè)帶有時(shí)間(ms)信息，第二個(gè)是信號的數(shù)值。

圖7. PC軟件

圖8 基于VNH2SP30的汽車窗戶防夾傷實(shí)施方案