基于STM32的無傳感器車窗防夾系統設計

李澤宇 程禹 杜汶澤

摘 要 近年來，隨著我國汽車產銷量的增加與人們安全意識的上升，對于汽車車窗控制系統中防夾手功能的需求日益上升，而無傳感車窗防夾系統以其較低的成本與相對簡單的線束分布得到了越來越多的青睞。本文將提出一種無傳感車窗防夾系統的設計方案。通過STM32單片機對車窗電機電流進行采樣，采用快速傅里葉變換（FFT）的方法來判斷車窗是否遇到障礙物。

【關鍵詞】直流電動機 車窗防夾 無傳感器 快速傅氏變換

近年來，隨著我國汽車產銷量的增加與人們安全意識的上升，對于汽車車窗控制系統中防夾手功能的需求日益上升，如今的中高檔汽車已實現標配，這一配置也將以更低的成本與更高的性能普及開來，有效預防更多意外的產生。傳統上，人們常采用光電或霍爾傳感器來測量位置/速度信息、完成閉環控制的任務。但這些系統結構復雜、成本較高。而由于有刷直流電機的特殊結構，其電樞電流的紋波中包含有與電機位置/轉速相關的信息，這一紋波電流為實現無傳感位置/速度/負載力閉環控制提供了可能。

1 電動車窗整體設計思路

電動車窗主要由永磁直流電機、電機卷揚輪、轉速轉換器和電動車窗防夾控制器組成。機構的工作過程為控制器控制電機正反轉驅動蝸輪傳動，帶動鋼索線性運動，玻璃夾持裝置帶動玻璃沿導軌定向運動。電動機采用永磁有刷直流電機。

通過檢測電機運行過程中產生的周期性紋波實現測定電動機狀態與位置的功能，通過對紋波的分析可以得到紋波的周期，對波紋脈沖計數就可以計算出電機轉動過的角度，然后再結合減速器的減速比，就可以得到車窗的移動距離，實現對車窗運動軌跡的測量。我們會將信號分為兩路分別進行時域和頻域上的處理。

2 硬件電路設計

經過對比分析，我們選擇功能強大的STM32單片機作為此項目的MCU。STM32的性能優良，性價比高，其各項指標均可以良好地滿足項目需要。設計圖如圖1所示。

3 軟件程序計

通過上述的硬件電路，得到了經過濾波處理的直流分量與交流分量，首先我們通過統計計數得到交流成分的頻率f，在計數的同時，我們用FFT對數據進行處理，提取最低頻率的大峰值，對應得到電機轉速的信息，防止計數的方法出現異常時數據不穩定。在車窗到頂的判斷方面，我們發現由于電機的減速比較大，導致輸出力矩較大，一般小的阻礙不會令車窗停下來，而到頂后由于機械結構的限制，會產生90N左右的力使電機卡住，此時的特點是產生的脈沖頻率非常低，直流部分迅速增加，我們利用這個特點來判斷是否到頂；而在車窗受阻時，脈沖頻率也會降低，但是達不到到頂時的低頻率，直流部分增加與受力幾乎成正比，我們利用一個閾值來界定和調整這個認定阻力的大小。

4 結論

本文通過對紋波電流的分析，使用意法半導體STM32單片機作為處理器，研究出了性能更優，成本更低的車窗防夾手系統。在不影響乘車舒適性的前提下，成功解決電動車窗存在的安全隱患。

參考文獻

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作者單位

哈爾濱工業大學電氣學院 黑龍江省哈爾濱市 150001