車窗紋波防夾標定簡介

姚高飛，江小朕，陳曉霞，馮修奇，林軍昌

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

早期的汽車普遍采用手搖曲柄的方式使車窗玻璃上升或下降，電動車窗的出現和運用，一方面減輕了駕駛員和乘客的勞動強度，提升了操作方便性和舒適性；另一方面也由于電動車窗的上升速度較快，容易夾傷乘客。為保證乘員安全，中國GB11552—2009和北美 （FMVSS118）以及歐洲（74_60_EEC）都出臺了防夾法規，法規要求帶有自動上升功能的車窗在發生夾持時，能夠回退以解除夾持，并且要求最大夾持力不能超過100N。

1 車窗防夾原理簡述

圖1為防夾區域示意。當前市面上的車窗防夾類型有霍爾防夾和紋波防夾之分。霍爾防夾以其技術成熟、可靠性高，占據著車窗防夾應用的主導地位。但是隨著制造工藝水平的提升、汽車電子技術的不斷發展以及整車成本的壓力，近年來，紋波防夾技術在市場上的份額也日益增多，其優勢也越來越明顯。

圖1 防夾區域示意圖

1）霍爾防夾原理：霍爾防夾是利用在電機內部植入的磁環和霍爾傳感器來采集電機轉子上產生的霍爾信號 （電機集成霍爾傳感器，電機每旋轉一周，產生一組方波信號）并分析脈沖的速度和脈沖寬度來實現對車窗運行速度、方向和位置的控制。如圖2所示。

圖2 霍爾防夾原理圖

2）紋波防夾原理：紋波防夾是通過提取電機本身在換向過程中產生的電流紋波來判斷和控制電機的位置、轉速和步進。電機為普通電機，電機每旋轉一周，產生一組紋波信號 （一般8～10組，根據電機轉子的對數），紋波的個數與電機轉速和換向次數成正比。如圖3所示。

圖3 紋波防夾原理圖

相比霍爾防夾，紋波防夾方案只用到了電機的一般特性，不需要額外的霍爾元件、電機轉子上的磁環及連接線束，故整個方案的成本低于霍爾防夾。但對車門總成的精度要求比霍爾防夾高，檢測難度也大，故紋波防夾軟件的標定工作就顯得至關重要。

圖4為眾泰某項目中所使用的電機在空轉時所產生的典型紋波信號。

圖4 電機轉動紋波圖

2 車窗紋波防夾的標定

電動車窗防夾的實現需要考慮兩個核心問題：車窗位置的精確判斷和夾物力的判斷。這就要求對車門系統進行精密的防夾標定并需要考慮整個生命周期內車門系統的惡化所帶來的影響。防夾力標定得過小，在顛簸路面、低溫環境以及車門系統老化后易出現誤防夾。防夾力標定得過大，則容易夾傷人甚至不符合法規要求。本文重點介紹車窗紋波防夾的標定原理及驗收方法。

車窗紋波防夾的標定主要分以下幾個方面：電機和升降器紋波波形測試、電機熱保護標定、車門靜態測試標定、路試車動態測試標定、車窗防夾耐久測試驗證、對下線車輛小批量抽檢波形，最終驗收。

2.1 電機、升降器紋波波形測試

對于整車來說，需要整個車門系統能在設計壽命內提供一個穩定、可靠的電機紋波信號。紋波的品質主要由電機決定，其次是車門車窗相關運動機構。車窗升降阻力的突變甚至車窗卡滯，都會使紋波品質變差。所以需要對所使用的電機和升降器進行紋波波形測試以確認是否滿足要求。

2.1.1 紋波變化率測試

采用上位機錄取電機運行數據，分析在不同電壓和溫度下，紋波頻率的最大值、最小值、100ms內紋波頻率和變化率。通常要求電機紋波頻率應在100～1600Hz范圍內。圖5為電機紋波波形圖。

圖5 電機紋波波形圖

2.1.2 紋波振幅測試

利用示波器捕捉采樣電阻兩端的電機正轉和反轉的波形，利用光標測試一個完整紋波的峰值，計算出相同的紋波振幅。一般要求電機在無負載情況下運轉，紋波電流幅值＞0.5A。

2.1.3 紋波畸變測試

利用示波器捕捉采樣電阻兩端的電機正轉和反轉的波形，以2.5Hz的采樣標準，分析時間不小于100ms，利用FFT（快速傅立葉變換）分析紋波畸變的dB值，如果把頻率振幅的主諧波認為是0dB，則其它諧波的振幅必須≤-6dB。如圖6所示。

圖6 諧波的振幅要求

2.1.4 紋波建立時間測試

將電動車窗上電連續工作運行10個升降循環后，利用示波器捕捉采樣電阻兩端電機正轉和反轉的波形，分析電機紋波信號建立的時間。通常要求車窗啟動工作后，電機紋波建立的時間應小于20ms。圖7為紋波信號建立時間測試。

圖7 紋波信號建立時間測試

2.1.5 紋波的一致性測試

在電機運行過程中，還必須保證電機紋波的一致性和穩定性。圖8為標準的電機紋波波形。

2.2 電機熱保護標定

車窗電機熱保護是指車窗電機在長時間運動下，產生熱量沒有被及時散出，從而影響電機工作甚至燒毀。為避免此情況出現，車窗運行過程中，需要進行電機熱量的檢測，當檢測到熱量達到一定限值時，停止電機短時間輸出，待熱量散失到可控范圍內允許電機輸出。通過熱保護功能來降低車窗電機故障率和提高使用壽命。

圖8 標準的電機紋波波形

熱保護有硬件熱保護和軟件熱保護之分。硬件熱保護是在電機的內部集成了保護器，一旦溫度達到開啟保護的閥值時，則電機就會停止動作進入保護狀態。如果此時車窗觸發了防夾，則整個車窗也無法進入防夾反轉，所以存在安全隱患。軟件熱保護是在防夾控制器內部集成了熱保護算法，一旦防夾控制器檢測到滿足進入保護的條件時，就會進入軟件熱保護狀態，停止車窗工作保護電機不被燒毀。在進入軟件熱保護狀態時，如果車窗觸發了防夾，則仍然允許進行防夾反轉，以保護不會發生夾傷安全事故。

由于采用軟件熱保護后，電機內部將不帶硬件熱保護器，故在進行軟件熱保護標定時需要使用帶硬件熱保護的電機，用于參考標定熱保護限值。

2.2.1 熱保護算法

車窗長時間連續輸出時，電機會產生大量熱量，為避免電機過熱燒毀，由防夾控制器執行軟件熱保護功能。如下為一種比較常用的熱保護策略。

物理過程為：車窗動作輸出時熱量累加，不輸出時熱量散失。軟件算法主要為：車窗電機總輸出時間內積累的熱量，當電機輸出時，時間數累加；不輸出時，時間數遞減，累加和遞減的規律相似于實際電機熱量積累和散熱的規律。

2.2.1.1 正常模式

電機每輸出一定時間如100ms時，熱量值自加1，每停止輸出一段時間如300ms時，熱量值自減1；當時間計數值大于500進入熱保護 （具體數據需視標定情況而定）。圖9為典型熱量變化趨勢圖。

圖9 典型熱量變化趨勢圖

2.2.1.2 熱保護模式

當車窗進入軟件熱保護模式時，防夾控制器會禁用某些功能，比如屏蔽車窗升降開關輸入信號、允許當前正在執行的自動升／降窗動作完成、允許防夾反轉等。

在熱保護模式下仍會進行熱量的計算，當熱量達到一定閥值時，將退出熱保護模式。圖10為熱保護狀態圖。

圖10 熱保護狀態圖

2.2.1.3 熱量累積和耗散時間比的確定

電機熱保護的標定需要根據熱量累積和耗散的時間比例（1:X）的關系進行循環測試，測試熱量累積和耗散的時間比例是否合理。

2.2.1.4 熱保護時間計數值的確定測試

根據熱量累積和耗散的時間比例關系進行循環測試，在50℃的測試環境中循環測試一定數量，比如700次，獲取最大溫升的情況后 （測試環境最為惡劣），讓電機持續工作，觀察電機多長時間進入熱保護，該時間值作為熱保護時間計數值。

2.2.1.5 熱保護策略參數的取消

分別在低溫、常溫和高溫環境下連續測試一定的循環數，如700次，再讓車窗持續工作N秒，觀察電機是否進入熱保護，以及熱保護取消后，電機動作是否正常。

2.3 車門靜態測試標定

對車門狀態確認完畢后，需要對防夾力、防夾反轉距離、防夾區域進行測試標定。

2.3.1 車門系統阻力測試

車窗上電運行后，利用示波器捕捉采樣電阻兩端電機正反轉的波形，分析車門系統阻力在各種電壓和溫度下的變化情況。

從圖11可以看出，在常溫下，車門系統阻力相對平穩。而圖12中，在低溫-35℃下車窗阻力有較大的突變。

圖11 常溫下的車門系統阻力

圖12 低溫-35℃下的車門系統阻力

若車門狀態太差，系統阻力過大，將無法滿足標定要求，需要改善車門的精度。

2.3.2 車門防夾力測試標定

分別在不同電壓、溫度下將測力傳感器安裝在柱體A、B（前門）或者柱體B、C（后門）之間均勻選取3點作為測試點 （圖13），將測力裝置安裝在車窗玻璃上，測試在各個測試點上的防夾力。自動控制玻璃上升，在出現防夾后讀取防夾力數值，每個測試點測試3次，計算防夾力平均值。平均值即為車窗玻璃升降的防夾力。

圖13 防夾力測試點

標定過程中，測試的任何一次防夾力都不能大于100N。每次測量后需要冷卻一定時間后再進行下一次測量。

表1為眾泰某項目中在低溫-35℃下測得的一組防夾力數據。

表1 -35℃測得的防夾力值

2.3.3 防夾反轉距離測試標定針對每個測試點當發生防夾時，需反轉到以下位置之一。允許穿過開口放置直徑200mm的半剛性柱狀試驗棒的位置，比開始回縮時的位置至少多開100mm的位置。

按以上方法測試，會存在因為障礙物高度及玻璃位置原因出現測試不到的點，這些點不計入評判項 （如前門玻璃前端、后門玻璃剪刀角）。

測試點為車窗的前端、中端、后端，針對每個測試點當發生防夾時，在防夾區域檢測到防夾發生，防夾控制器驅動車窗反轉一定距離或降到底。

2.3.4 防夾區域測試標定

按照GB 11552—2009《乘用車內部突出物》中要求進行防夾區域試驗。

1）4mm防夾區域試驗 （圖14）：將一個直徑為3mm的圓柱型桿棒，在柱體A到B（前門）3點或柱體B到C（后門）3點均勻選取作為測試點，將桿棒放置在測試點上，驗證此時是否具有防夾功能。

圖14 防夾區域測試點

2）200mm防夾區域試驗：將一個直徑為200mm的圓柱型桿棒，在柱體A到B（前門）3點或柱體B到C（后門）3點均勻選取作為測試點，每個測試點測試5次。將桿棒放置在測試點上，驗證此時是否具有防夾功能。對防夾區域的測試是為了驗證在此區域內防夾功能的有效性。

2.4 車輛動態測試標定

為驗證實車在不同工況路段防夾功能的工作狀態，需要搭載路試車進行動態測試驗證。

2.4.1 高速路段測試標定

整車在高速行駛時 （如120km／h）正常操作車窗進行升降。車窗玻璃上升到頂，下降到底為一個循環，每個車窗測試10個循環，4個車窗依次升降，不出現誤防夾現象，同時在最高時速時需測試防夾功能，要求防夾功能正常。表2為高速路況動態標定。

表2 高速路況動態標定

2.4.2 強化路況測試標定

整車在各種強化路段行駛的同時操作車窗玻璃升降。玻璃上升到頂，下降到底為一個循環，4個玻璃同時升降，只允許出現1次誤防夾現象。如超出次數，則需要對軟件算法進行力的補償。

從圖15可以看出，在強化路段，車門系統阻力抖動較大。①為車窗上升、下降的阻力加速度；②為車窗位置；縱坐標的0為車窗頂部位置。表3為強化路況動態標定。

圖15 強化路段車窗阻力波形

表3 強化路況動態標定

2.5 車窗防夾耐久測試驗證

在不同的溫度下 （室溫、85℃、-35℃），對車窗防夾力和防夾區域進行耐久循環。考慮前后車門的使用頻率，通常前門的耐久次數要高于后門，一般前門為30000個循環升降，后門為20000個循環升降。

表4為眾泰某項目在-35℃、測試電壓13.5V下耐久測試4000次循環的數據。

表4 低溫車窗防夾耐久測試

2.6 小批量波形抽檢及最終驗收

由于防夾的標定工作非常復雜，故只對前、后、左、右4個門的一組樣本進行數據的采集標定。當防夾標定工作完成以后，考慮車門總成的一致性，通常需要對下線車輛進行小批量波形的抽檢，以確認批量產品的一致性，確保整車防夾的批量性能符合要求。

如批量驗收時，車門總成的波形與標定時差異較大，視具體情況確認是否需要重新進行標定。

3 結束語

綜上所述，車窗紋波防夾的軟件標定工作周期長、工作量大，同時車門總成的精度、升降器的性能、電機的性能以及產品的一致性問題都將直接影響標定的結果。本文對于車窗紋波防夾的軟件標定工作給出了一個參照的思路和方向。