汽車電動天窗的防夾功能失效模式與應對措施

趙建才，褚建東，汪志，王靜冬

(建新趙氏集團有限公司，浙江寧波 315615)

0 引言

電動天窗是一個車內部件，它的正常使用關乎車內人員的安全。電動天窗的功能失效時常造成車內人員特別是小孩的誤夾傷。隨著電動天窗使用的普遍性，電動天窗的防夾研究逐漸成為科研人員的研究熱點。周易[1]研發一種霍爾信號加上電機電流檢測的防夾系統，該系統在電動天窗關閉遇到障礙物時能自動識別并使搖窗電機反轉。張志敏等[2]采用嵌入式系統設計了基于PIC18F2480微控制器及自動代碼生成器的智能電動天窗控制系統，該系統采用霍爾傳感器測定天窗玻璃開關的實時位置，選擇永磁電機負載轉矩變化率作為障礙物檢測判斷指標。李岳林等[3]基于MATLAB對轎車電動天窗防夾系統進行了建模與仿真。黃啟海等[4]基于靜態防夾基本原理，提出了ATS算法的防夾原理，在控制過程中能夠實時更新數據，補償外界環境因素對防夾力的影響。史敏杰[5]研究了如何通過模糊控制算法和跟隨防夾策略來實現汽車電動天窗的防夾功能。

電動天窗在正常使用時的防夾功能是指天窗玻璃在自動關閉過程中遇到人體，當夾緊力達到一定值后天窗會停止關閉并立即退回一定距離，避免人體受到損傷。本文作者根據天窗電機控制原理，分析了電動天窗的防夾功能原理和防夾失效模式，提出了失效模式應對措施，防止產生防夾誤判或防夾失效。

1 防夾功能原理

天窗電機是由驅動電機與控制器組成(如圖1所示)，驅動電機的電樞上裝有磁環，控制器相對應的位置上裝有兩個霍爾轉速感應器。

當電機在運行過程中磁環的磁信號被霍爾轉速感應器捕捉，由此控制器可以接收到霍爾脈沖信號。當天窗在關閉過程中夾到物體時，天窗會受到該物體的反饋力使天窗移動速度下降，同時電機的旋轉速度也會下降。此時控制器接收到霍爾信號的脈寬會增大，通過前后兩段固定時間內的霍爾脈寬的對比分析，可以模擬計算出天窗在該位置的轉速突變值ΔK。給這個轉速突變值ΔK設置一個門限值KA，當控制器監測到ΔK≥KA時，就會啟動天窗的反轉程序，即實現防夾功能。天窗電機控制原理圖如圖2所示。

圖2 天窗電機控制原理

2 防夾失效模式

防夾失效體現為兩個方面：(1)天窗防夾力過小，表現為天窗在自動關閉過程中過于敏感，稍有振動便會反轉后退，甚至天窗自身的運行阻力變化都會導致天窗反轉后退，此類未夾到物體就觸發的反轉后退現象稱之為誤防夾。出現誤防夾問題的天窗不能滿足天窗正常關閉功能，屬于功能失效。(2)防夾力過大或防夾功能不能觸發，此現象是有可能出現的，因為防夾反轉的觸發是由天窗受到阻力后通過控制器計算得到轉速突變值ΔK，再判斷ΔK是否超過設定值KA決定的。假如天窗受到阻力是緩慢增大的，那么ΔK就一直小于KA，天窗的夾緊力就會慢慢變大，只有當監測到ΔK≥KA，天窗才會反轉。此時夾緊力有可能已經大于100 N，甚至防夾功能沒有被觸發而發生卡死現象。出現防夾力過大問題的天窗不能滿足標準，屬于功能違規。

表1為天窗防夾國際標準對比。

表1 天窗防夾國際標準對比

對于上文中提及的防夾力過大或防夾功能不能觸發問題，在實際設計中，此效果是被需要的，例如天窗在外界環境中長期暴露，軌道進灰或者枝葉掉入其中造成阻力變大，或者在寒冷地區天窗軌道中有結冰現象，此時就需要天窗能夠克服緩慢增大的阻力來關閉天窗。由以上設計需求可以看出，天窗防夾的設定無法兼顧所有的狀況，需要統一的標準來平衡此需求。在國際標準中就形成了對防夾測試方式、測試彈簧系數、防夾范圍、防夾力要求的約定，以此來統一防夾力的設計及測試標準。天窗防夾國際標準為歐標(74/60/EEC、2000/4/EC)、ECE R21及美標(FMVSS118)，國標GB 11552-2009修改采用的是ECE R21。

3 失效模式應對措施

對于防夾力過大或過小的問題，通過對門限值KA(見圖3)進行合理取值可以解決，該取值過程稱之為靜態防夾力標定。根據防夾法規所允許的設計要求，對天窗防夾力參數進行調整測試，使天窗在各種條件下其防夾力均能達到法規要求而又不出現誤防夾現象的參數設定。它需要標定的靜態環境包括環境溫度-35～85 ℃，以及電壓環境9～16 V。

實際上僅僅標定門限值KA是不夠的，因為天窗還有可能出現失效模式中所提及的振動導致的反轉后退問題，對于該問題的解決方案同樣是從霍爾信號的脈寬分析入手。天窗在受到振動與受到障礙物阻擋時所表現出的脈寬變化是不一樣的：實車的振動對于天窗來說是一種低頻的阻力變化，所表現出的脈寬特征為間斷性出現較大脈寬，數量少，不連續；而受到障礙物阻擋時阻力變化是連續的，所表現出的脈寬特征為連續的遞增性的變大。據此控制器可識別出天窗處于振動狀態還是障礙物夾緊狀態。所以天窗防夾力標定還需要調整控制器對振動識別的靈敏度，這就需要天窗裝于整車上進行壞路測試標定，以確保天窗能克服一般壞路的顛簸振動。

對于天窗在極限條件下可能出現的防夾功能不能觸發問題，天窗設計有堵轉保護功能。當天窗遇到障礙物卡死時，控制器收到霍爾信號不再變化，則判斷為堵轉。如該事件發生時間超過一個設定時間，如120 ms，則控制器會中斷供電，再立即反向供電，使天窗退回到一個設定的距離，確保被夾物體可以被松開。

圖3 天窗防夾分析系統

4 結論

根據天窗電機控制原理，分析了電動天窗的防夾失效模式，提出了失效模式的應對措施，以防止產生防夾誤判或防夾失效。

通過實踐證明，采取的失效模式的應對措施能夠確保天窗在防夾功能方面安全可靠。隨著天窗防夾技術的不斷發展，還有更為精細的控制策略正在被不斷開發出來，天窗的防夾安全性能也隨之持續提高。