無傳感器電動車窗防夾控制模塊的研制

　　為了增加汽車的舒適性，很多汽車都安裝了電動車窗，司機按下按鈕就可以控制門窗玻璃的升降，非常方便。但是車窗沒有智能，如果司機沒有注意成員的手或物體伸出窗口，就容易被上升的玻璃夾傷。為了安全起見，現(xiàn)在很多乘用車都采用了電動防夾車窗(Anti-Pinch WindowLifter，APWL)。歐洲和美國已先后立法，確定了APWL為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，以提升行車安全和人性化程度。我國政府對APWL的立法也在研討過程中?，F(xiàn)有的APWL都是在玻璃升降器的電機上安裝了霍爾元件來感應(yīng)電機是否受到了阻力，或者安裝了其他的光學(xué)類的傳感器。這種電動車窗需要在現(xiàn)有的普通玻璃升降器安裝額外的傳感器。在本文中介紹了一種在現(xiàn)有的無傳感器電動車窗的基礎(chǔ)上就能實現(xiàn)車窗防夾功能的車窗控制模塊。

　　1 電動防夾車窗的原理

　　在本系統(tǒng)中設(shè)計的電動防夾車窗由電動玻璃升降器和車窗控制模塊組成。

　　電動玻璃升降器由升降機部分和電機部分組成。升降機部分一般采用繩輪式、齒輪臂式或是軟軸式。電動玻璃升降器的關(guān)鍵是電機部分，一般都采用內(nèi)置減速器的可逆性永磁直流電機，電機內(nèi)有磁場線圈，通過控制加在線圈上的電壓的方向就可以控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)車窗玻璃的上升和下降。

　　在基礎(chǔ)車型的電動車窗控制電路中，控制車窗電機采用的是開關(guān)和繼電器，比較容易發(fā)生粘連等問題。而在本系統(tǒng)中采用智能功率驅(qū)動器件控制車窗電機，通過控制加在直流電機上的電壓方向來控制電機的轉(zhuǎn)動方向。升降器電機通過的電流的變化完全反映玻璃上升或下降過程中遇到的阻力變換情況，通過采樣玻璃升降器電機通過的電流，監(jiān)測電流就可以監(jiān)測玻璃升降過程中阻力的變化情況從而執(zhí)行相應(yīng)的操作。智能功率驅(qū)動器件可以實現(xiàn)對電機的過流、過壓及過熱保護，而且通過監(jiān)測電流自動識別玻璃上升途中遇到障礙的狀況，進而進行反轉(zhuǎn)，防止夾傷?？刂颇K可以實現(xiàn)的功能：

　　(1)點按車門控制鍵(按鍵時間小于300 ms)，車窗自動上升到頂或下降到底，點按同一開關(guān)任意鍵，車窗停止上升或下降；

　　(2)延時按控窗鍵(按鍵時間大于300 ms)，車窗上升或下降，上升或下降過程中釋放按鍵車窗即停；

　　(3)車窗運行到頂位或底位時自動停止，車窗電機斷電；

　　(4)車窗玻璃在自動上升的過程中如果遇到一定的阻力會自動停下來，下降一段距離，能有效地防止人或物品的意外夾傷。

　　2 車窗控制模塊的硬件設(shè)計原理

　　通過對電動玻璃升降器國家標(biāo)準(zhǔn)的分析，電動車窗控制模塊的控制對象就是一個供電電壓11～15 V，工作電流不大于15 A，堵轉(zhuǎn)電流不大于28 A的永磁直流電機。車門控制模塊的電路主要由以下幾部分組成：電源電路、微控制器部分、電動車窗驅(qū)動電路、總線接口電路等，車窗控制模塊的框圖見圖1。

　　其中微控制器采用單片機PIC18F2480，該單片機片內(nèi)集成了A／D，PWM，CAN控制器，URAT，SPI等很多非常實用的功能。采用單片機PIC18F2480控制功率器件的開關(guān)動作，同時對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)控，接收故障反饋信號，并通過車載網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與中央車身控制器及其他車門控制器的故障信息和按鍵控制信息的交換，從而及時在用戶界面上顯示故障內(nèi)容并對車門進行實時控制，確保了行車安全。

　　2.1 電機驅(qū)動電路的設(shè)計

　　車窗電機主要由飛思卡爾的智能功率模塊MC33486外加兩個MOSFET組成一個H橋來驅(qū)動實現(xiàn)電機的雙方向控制，兩個MOSFET的內(nèi)阻、溫升、電壓都和MC33486相匹配，在本設(shè)計中采用STB55NF06T4，D2PAK封裝。其正常輸出連續(xù)電流最大達到為10 A，最大峰值電流可達35 A，直流輸入電壓范圍較寬，達8～28 V，當(dāng)電壓高于28 V時具有過壓保護功能，對高端及低端均能過流保護，斬波控制下頻率可達30 kHz，對檢測到的高端輸出電流具有鏡像特點。這些器件已提供了完善的故障檢測及保護功能，因而避免了采用過多的分立元件，大大減小了模塊體積，并提高了模塊的EMC(電磁兼容)特性。

　　2.2 電流采樣電路的設(shè)計

　　防夾功能主要通過監(jiān)測玻璃升降器電機的電流變化來實現(xiàn)，其框圖如圖2所示。

　　飛思卡爾的功率芯片MC33486有負載電流的線性復(fù)制功能，CurR輸出和負載電流成比例的電流，其中ILoad為玻璃升降器的電機電流：

　　這個電流通過采樣電阻R7和限流電阻R8把電流轉(zhuǎn)化為電壓輸入到單片機ADC的采樣端。輸入到單片機端的電壓為：

　　電壓進行A／D轉(zhuǎn)換和一些計算后就可以得到負載的真實電流。因此，監(jiān)測輸入到單片機端口的電壓就等同于監(jiān)測車窗運動中電機的電流。車窗上升過程、下降過程，上升過程中遇到阻力時經(jīng)過電機的電流都呈規(guī)律性的變化，而這些電流變化都通過電流采樣實時地反映到單片機中。

　　3 車窗控制模塊的軟件設(shè)計

　　3.1 車窗的啟動和停止

　　啟動是指直流電動機由靜止達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程。若直接啟動(即直接合閘)，給電動機加上U額，則啟動電流Ia=(U-0)／Ra=U／Ra很大，會帶來強烈的火花現(xiàn)象，電流正比于轉(zhuǎn)矩，過大的轉(zhuǎn)矩帶來很大的沖擊，電壓波動影響供電的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)設(shè)計的時候，電機啟動采取PWM的方式進行。采用2 kHz的頻率，分為10段，占空比從0％逐步上升到100％。每段10個脈沖，共5 ms，10段啟動時間一共50 ms。在實驗中證實，采取這種啟動方式，啟動比較平穩(wěn)，啟動快速性較好。在車窗啟動的這段時間里，電機的電流變化比較大，無法通過監(jiān)測電流的變化來實現(xiàn)防夾功能，同時這段時間很短，因此在啟動的這段時間內(nèi)應(yīng)避免實現(xiàn)防夾功能。

　　而在停止的時候，不是監(jiān)測到電機堵轉(zhuǎn)才停止，而是監(jiān)測到電機的電流超過了其正常工作電流的一定幅度就停止電機，在本系統(tǒng)實驗中，這個界限電流定義為11 A。上升過程電機的電流變化見圖3，電機的電流呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，連續(xù)變化，下降過程電機電流的變化見圖4所示，電流呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，連續(xù)變化。

　　3.2 防夾算法的實現(xiàn)

　　為了實現(xiàn)電動玻璃的防夾功能，設(shè)計研制的車窗控制模塊必須包括兩種功能：

　　(1)必須能夠判斷是否遇到障礙物；

　　(2)判斷遇到障礙后必須能夠判斷玻璃是在上升還是已經(jīng)上升到頂部。

　　如果車窗控制模塊判斷玻璃在上升過程中遇到障礙物，則控制模塊發(fā)出指令，電機反轉(zhuǎn)，車窗下降一段距離后停止；如果車窗控制模塊判斷玻璃已經(jīng)上升到最頂端，則控制模塊發(fā)出指令令電機停止，車窗關(guān)閉。

　　車窗上升到頂部和車窗上升過程中遇到阻力直流電機的電流變化情況見圖3，圖5。

　　通過對比圖3，圖5發(fā)現(xiàn)，在上升到最頂部和上升過程中遇到阻力兩種情況下，電機的電流都從正常工作電流急劇增大，因此可以通過監(jiān)測電機的電流幅值來判斷是否遇到障礙。但是電機的瞬時電流變化可能會出現(xiàn)峰值，因此幅值必須是一段時間內(nèi)的電流平均值。當(dāng)電流平均值A(chǔ)≥A障礙(A正常<A障礙<A堵轉(zhuǎn))時，認為玻璃上升過程中遇到障礙或是上升到最頂端?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)A障礙的大小來調(diào)節(jié)上升防夾力的大小。

　　僅僅通過幅值這一個判據(jù)無法區(qū)分車窗遇到障礙是在上升過程還是到了最頂端，通過對比圖3，圖5發(fā)現(xiàn)，在車窗上升過程中遇到阻力和車窗上升到最頂端兩種情況下電機電流增大的快慢是不一樣的，車窗上升過程中遇到阻力情況下要比車窗上升到最頂端情況下電流變大要快。因此可以通過求得電流變化的斜率來區(qū)分兩種情況。當(dāng)f≥f阻力時，車窗上升過程中遇到阻力；當(dāng)0<f<f阻力時，車窗上升到最頂端。

　　此外，還可以增加一個輔助的判據(jù)來區(qū)分車窗遇到障礙是在上升過程還是到了最頂端。通過對比圖3，圖5發(fā)現(xiàn)，從車窗開始運行在車窗上升過程中遇到阻力和車窗上升到最頂端兩種情況下，牟窗的運行時間是不一樣的。當(dāng)T>T頂端時，車窗上升到最頂端；當(dāng)T≤T頂端時，車窗上升過程中遇到阻力。但是相同車型的不同車窗，由于安裝的不能完全相同，因此T頂端會有細微的差別，可以通過實驗測出一個初始T頂端，把每次車窗上升到最頂端的時間記錄下來，存儲到E2PROM中，這些數(shù)據(jù)作為調(diào)整T頂端的依據(jù)，這樣參數(shù)T頂端具有了自適應(yīng)性。

　　這樣通過三組判據(jù)來判斷區(qū)分兩種情況。當(dāng)(A≥A障礙)＆＆(f≥f阻力)＆＆(T≤T頂端)時，車窗上升過程中遇到阻力；當(dāng)(A≥A障礙)＆＆(0<f<f阻力)＆＆(T>T頂端)時，車窗上升到最頂端。采用三組判據(jù)增加了判斷的準(zhǔn)確性，降低了誤判率。采用這三種判據(jù)，在實車實驗中良好地實現(xiàn)了電動車窗的防夾功能，在上升過程中遇到阻力車窗則下降一段，電流變化如圖5所示。

　　4 結(jié) 語

　　PTC單片機PIC18F2480片內(nèi)集成了很多功能，支持CAN通信和串行通信，可以在線編程。智能功率驅(qū)動器MC33486不但具有寬范圍電壓輸入，大容量，而且還有電流鏡像功能。這兩種元器件結(jié)合起來，通過監(jiān)測車窗電機的電流來監(jiān)測車窗遇到的障礙情況，在現(xiàn)有的不具有防夾功能的電動車窗的基礎(chǔ)上，不需要添加任何傳感器，很容易就可以實現(xiàn)電動車窗的防夾功能。