電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)電流紋波算法研究

王凡

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 上海市 200092）

1 前言

電動(dòng)車窗功能使駕駛員和乘客的操作變得方便，但是車窗的上升速度較快，在上升過(guò)程中推力較大，這在一定程度上存在安全隱患容易造成乘客受傷。研究表明[1]，車窗在向上移動(dòng)過(guò)程中，其向上推動(dòng)的防夾力可高達(dá)350N。這意味著若出現(xiàn)夾持事件，只有約8mm 厚的薄玻璃將高達(dá)35kg 的重量壓到人或者動(dòng)物的肢體上，這將對(duì)被夾持的人或動(dòng)物造成極大的傷害，造成窒息性傷害只需要98N 的防夾力。因此沒(méi)有防夾保護(hù)的車窗，當(dāng)向上移動(dòng)時(shí)將會(huì)非常危險(xiǎn)。

為了避免意外的發(fā)生，在國(guó)際上特別是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)制定了相應(yīng)的法律法規(guī)，如歐洲的74/60/EEC，美國(guó)的FMVSS118。對(duì)于車窗防夾系統(tǒng)的性能要求做出了明確規(guī)定，車窗防夾已成為強(qiáng)制性的汽車標(biāo)準(zhǔn)配置，為車輛的安全性、可靠性等人性化要求保駕護(hù)航。我國(guó)在2009年也頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11552-2009 規(guī)范，對(duì)車窗防夾系統(tǒng)的作了強(qiáng)制且詳細(xì)的技術(shù)要求。

電動(dòng)車窗防夾方案雖然各式各樣，本質(zhì)上都是分析電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速或者電流信號(hào)為車窗狀態(tài)信息的來(lái)源，以此來(lái)確定車窗的位置和受力來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾?，F(xiàn)有的防夾方法大概可以分為，以霍爾傳感器為研究對(duì)象的方法，和研究電機(jī)電流的方法。接下來(lái)重點(diǎn)討論本文的電流紋波算法。

2 紋波防夾算法介紹

電機(jī)與蝸輪蝸桿減速器相連，通過(guò)減速器將高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩通過(guò)卷?yè)P(yáng)輪轉(zhuǎn)化為鋼索的牽引力，然后使車窗作上下的直線運(yùn)動(dòng)。同理，該作用力也反向作用于電機(jī)。當(dāng)車窗遇到障礙物時(shí)，將在鋼索中產(chǎn)生反作用力。這種力將通過(guò)卷?yè)P(yáng)輪轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩。這個(gè)轉(zhuǎn)矩會(huì)給升降電機(jī)帶來(lái)額外的負(fù)載，從而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。那么測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)得到與測(cè)量車窗的運(yùn)行的力相同的結(jié)果。當(dāng)然，這個(gè)計(jì)算過(guò)程需要乘以常數(shù)，該常數(shù)來(lái)自機(jī)械常數(shù)值和傳動(dòng)系數(shù)。

對(duì)于防夾保護(hù)來(lái)講，測(cè)量轉(zhuǎn)矩最主要的方法是測(cè)量電機(jī)電流或轉(zhuǎn)速。只要環(huán)境條件不變（電源電壓、溫度…），二者都是線性相關(guān)的。無(wú)論是測(cè)量轉(zhuǎn)速還是測(cè)量電機(jī)電流，都能反映實(shí)際防夾力的信息。在眾多防夾方案中，電流紋波防夾方案在市場(chǎng)上越來(lái)越獲得認(rèn)可。電流紋波防夾功能的實(shí)施，算法層面主要解決兩個(gè)問(wèn)題[2]，一是障礙物的防夾力，二是車窗在上升過(guò)程中的位置。研究表明，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)候會(huì)有交流電疊加在直流電上，通俗講就是紋波。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周存在固定數(shù)量的紋波電流，根據(jù)電流紋波數(shù)量來(lái)確定車窗位置。正常上升過(guò)程中，電流平穩(wěn)且遠(yuǎn)小于啟動(dòng)時(shí)的涌入電流以及堵轉(zhuǎn)電流，在車窗遇到障礙物時(shí)電流會(huì)明顯上升。因此通過(guò)分析電流大小變化，可以判斷車窗是否有障礙物。

電流紋波防夾算法需要根據(jù)電流值來(lái)獲取車窗電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。電機(jī)電流值是不能直接測(cè)量，對(duì)電機(jī)在上升過(guò)程中的工作電流進(jìn)行采樣，需要通過(guò)分流器(shunt)，也就是串聯(lián)阻值較小的采樣電阻（如2mΩ）是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)ADC 采樣后運(yùn)算放大和耦合電容來(lái)濾波去掉直流電流部分，濾波后的電壓信號(hào)傳遞給控制器。在控制器中已經(jīng)存儲(chǔ)了電壓大小與防夾力大小的對(duì)應(yīng)值，經(jīng)過(guò)標(biāo)定之后與獲取的電壓值信號(hào)對(duì)比來(lái)判斷車窗在上升過(guò)程中是否遇到障礙物。

圖1：電流檢測(cè)模塊系統(tǒng)

圖2：動(dòng)態(tài)濾波器的框圖

圖3：電流紋波信號(hào)調(diào)理圖

電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=C*φ*I，其中C 是電機(jī)常數(shù)，φ 是每極磁通量，I是電樞電流。通過(guò)此公式可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通量和電流成正比。而一般磁通量是定值，也即是電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。當(dāng)車窗遇到障礙物時(shí)，車窗電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大電流也會(huì)增大。因此通過(guò)分析車窗電機(jī)電流來(lái)判斷車窗是否產(chǎn)生防夾。

圖4：電流紋波方案模型

圖5：電流紋波方案仿真

在電流防夾算法中，除了需要獲取電流大小，還需要檢測(cè)車窗位置來(lái)判斷車窗是否處于防夾區(qū)域內(nèi)。利用帶刷永磁電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖來(lái)計(jì)數(shù)判斷車窗位置。電機(jī)電刷每次換向都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)[3-4]，電流紋波信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理可以轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。電流紋波頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，通過(guò)分析電機(jī)紋波來(lái)獲取轉(zhuǎn)速信息。當(dāng)然，電機(jī)轉(zhuǎn)速通常約為70 至80rpm，但是實(shí)際上此值是通過(guò)蝸輪蝸桿減速器減速而來(lái)，內(nèi)部轉(zhuǎn)子速度要高得多。也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)速需要轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子速度然后再計(jì)算紋波頻率。

車窗電機(jī)電流檢測(cè)模塊如圖1 和圖2。系統(tǒng)使用的是常規(guī)固定增益電機(jī)電流檢測(cè)方法，感測(cè)電流元件是分流電阻。這種放大器電路的優(yōu)點(diǎn)是硬件組件的復(fù)雜度低且控制算法成熟。由于有最小振幅的限制，需要根據(jù)最大電流來(lái)確定最大量程。雖然具有多個(gè)自動(dòng)增益控制的系統(tǒng)可以區(qū)分小紋波，但需要更多的硬件組件以及控制算法來(lái)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定并在需要時(shí)啟用/禁用它。運(yùn)算放大器低通有源濾波器模擬濾波的目的，一是成為ADC 級(jí)的抗混疊濾波器(Antialiasing Filter)，第二可消除PWM 電機(jī)電流波形產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲，第三是去除來(lái)自電流信號(hào)的高頻噪聲。

數(shù)字濾波，ADC 采樣電流后將再次濾波。但這一次的濾波過(guò)程是通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行的，主要頻率根據(jù)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整。濾波器的帶寬頻率通過(guò)兩次標(biāo)定來(lái)確定。每個(gè)低通濾波器均以一階實(shí)現(xiàn)無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器。

采集的電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)模擬濾波，然后進(jìn)一步通過(guò)數(shù)字濾波去除采集信號(hào)中的直流電信號(hào)。如圖3 電流紋波信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理，轉(zhuǎn)化為與霍爾脈沖信號(hào)相似的方波信號(hào)。

3 電流紋波算法建模和仿真

電流紋波方案模型如圖4，獲取車窗上升和下降過(guò)程中的電流和電壓信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波后估計(jì)出車窗運(yùn)行速度[5]。防夾探測(cè)算法模塊檢測(cè)車窗啟動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)行和制動(dòng)階段的電流，并且輸出紋波脈沖。紋波補(bǔ)償和修正模塊進(jìn)行紋波進(jìn)一步處理，比如補(bǔ)償缺失的紋波，雙紋波或者多紋波信號(hào)取舍。

根據(jù)電流紋波方案模型進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖5，在車窗向上運(yùn)動(dòng)整個(gè)過(guò)程，從下往上包括，電機(jī)運(yùn)行電流信號(hào)，霍爾脈沖信號(hào)，補(bǔ)償紋波信號(hào)，紋波脈沖信號(hào)。仿真結(jié)果表明，研究的電流紋波方案能夠有效地實(shí)現(xiàn)防夾功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子配備率越來(lái)越高，車窗系統(tǒng)是汽車的主要組成部分之一，現(xiàn)今電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車的標(biāo)配，成了消費(fèi)者購(gòu)買汽車產(chǎn)品的因素之一。很多消費(fèi)者認(rèn)識(shí)到電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)對(duì)于車輛安全的重要性，因此本文針對(duì)電動(dòng)車窗防夾的電流紋波方案進(jìn)行了研究。基于防夾需要解決的核心問(wèn)題，即確定車窗位置和防夾力大小進(jìn)行討論，電流紋波方案主要分析電機(jī)電流，在運(yùn)行過(guò)程中每旋轉(zhuǎn)一周電流會(huì)產(chǎn)生固定數(shù)量的紋波，根據(jù)紋波數(shù)量確定車窗行程的位置。正常上升過(guò)程中，電流平穩(wěn)且遠(yuǎn)小于啟動(dòng)時(shí)的涌入電流以及堵轉(zhuǎn)電流，在車窗遇到障礙物時(shí)電流會(huì)明顯上升。因此通過(guò)分析電流大小變化，可以判斷車窗是否有障礙物。獲取的電流值經(jīng)過(guò)模擬濾波和數(shù)字濾波獲取需要的電流信號(hào)。通過(guò)建模仿真指出電流紋波方案的能夠有效的進(jìn)行防夾。