基于電機(jī)電流檢測(cè)的汽車電動(dòng)車窗紋波防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李云，徐洋，李超，譚偉，熊秋涵

(1.重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065；2.重慶利龍科技產(chǎn)業(yè)(集團(tuán))有限公司，重慶 400020)

0 引言

隨著電動(dòng)車窗在汽車車門上裝配比例的不斷提高，電動(dòng)車窗夾傷乘員的安全事故也不斷發(fā)生，特別是兒童被夾傷甚至死亡的事故頻發(fā)[1]。因此，很多國(guó)家對(duì)電動(dòng)車窗的防夾功能提出了嚴(yán)格要求，歐洲的74/60/EEC法規(guī)和美國(guó)的FMVSS118法規(guī)，以及我國(guó)的GB11552— 2009[2]，都明確規(guī)定防夾電動(dòng)車窗為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置[3]，即乘用車必須具備四門車窗防夾功能，且規(guī)定電動(dòng)車窗開口從4～200 mm范圍內(nèi)，在夾緊力大于100 N之前，該裝置應(yīng)該回縮車窗[2，4]。

目前，基于霍爾傳感器方案的電動(dòng)車窗由于其軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，但是此方案由于采用了霍爾芯片，增加了成本，而且霍爾芯片的工作原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變換，采集變化的高低電平信號(hào)，即霍爾脈沖，霍爾脈沖寬度實(shí)現(xiàn)防夾功能[5]。所以，一旦霍爾芯片損壞，或受到外界磁場(chǎng)的干擾，都會(huì)直接影響車窗防夾功能的實(shí)現(xiàn)。文中摒棄了霍爾芯片，采用電機(jī)電流檢測(cè)的方法，不斷地檢測(cè)、更新電機(jī)電流值，利用變化的電流紋波來檢測(cè)防夾，實(shí)現(xiàn)防夾功能。

1 軟硬件設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)擬采用以NXP的S12ZVL32單片機(jī)為處理核心開發(fā)汽車電動(dòng)車窗紋波防夾系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)是基于電機(jī)電流檢測(cè)方法進(jìn)行開發(fā)的，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的防夾功能，離不開電機(jī)電流的檢測(cè)。對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采集時(shí)，如果采集到的電流異常，或者經(jīng)過處理后的電流變得不穩(wěn)定，都會(huì)直接影響防夾功能的實(shí)現(xiàn)。所以對(duì)電機(jī)端電流的采集與處理顯得尤為重要。軟硬件設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 軟硬件設(shè)計(jì)思路

電機(jī)電流的采集與處理主要分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分主要負(fù)責(zé)電機(jī)電流的采集、放大以及濾波等處理。軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)單片機(jī)采集到的電機(jī)電流做進(jìn)一步的處理，主要分為兩部分：一部分通過電機(jī)實(shí)時(shí)電流進(jìn)行防夾檢測(cè);另一部分經(jīng)過軟件算法處理，利用電流中的紋波脈沖，計(jì)算紋波脈沖個(gè)數(shù)，進(jìn)而計(jì)算得到車窗位置。通過兩部分的結(jié)果分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的防夾功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片采用的是NXP的S12ZVL32芯片，需要實(shí)時(shí)采集電動(dòng)車窗的玻璃升降開關(guān)信號(hào)和接收BCM發(fā)送的CAN報(bào)文，然后通過對(duì)輸入的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)控制策略的處理，最后對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行分析，并控制車窗電機(jī)的動(dòng)作。電動(dòng)車窗紋波防夾系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架

紋波防夾系統(tǒng)通過采集采樣電阻Re(10 mΩ)兩端的電壓，再經(jīng)過一系列簡(jiǎn)單的計(jì)算，得到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)電流，最后輸入到MCU[3]中。MCU將采集到的電機(jī)電流用于兩個(gè)部分的決策，一個(gè)經(jīng)過相應(yīng)的軟件算法處理，計(jì)算得到車窗玻璃的實(shí)時(shí)位置;另一個(gè)則進(jìn)行防夾檢測(cè)。兩個(gè)部分的決策共同實(shí)現(xiàn)防夾功能。

2.1 差分放大電路

差分放大電路如圖3所示。

由圖3可知，電機(jī)的工作電流經(jīng)過10 mΩ的采樣電阻R1轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由于采樣電阻的阻值很小，所以采集到的電壓也很小，而小電壓的變化不是特別明顯，不利于后續(xù)一系列的計(jì)算。所以電壓信號(hào)需要再經(jīng)過差分放大電路進(jìn)行放大。

圖3 差分放大電路

放大電路采用差分電路，可以提高共模抑制比，放大器采用LM324，其共模抑制比達(dá)到80 dB。由于采樣電阻R1(10 mΩ)很小，很多干擾信號(hào)在采樣電阻兩端形成的影響基本等同于共模信號(hào)；R1兩端也無須并聯(lián)電容來濾除干擾。

2.2 低通濾波電路

電壓信號(hào)經(jīng)過差分放大電路后，便進(jìn)入低通濾波電路，如圖4所示。由于車門結(jié)構(gòu)、電機(jī)構(gòu)造以及外部環(huán)境等因素的綜合影響，MCU采集到的電機(jī)電流中有很多高頻信號(hào)，但是由圖6可以看出，正常的電流紋波頻率小于1 kHz，所以要濾除高頻信號(hào)，以防止其對(duì)防夾檢測(cè)和紋波算法造成影響。

圖4 低通濾波電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 防夾設(shè)計(jì)原理

電動(dòng)車窗防夾的實(shí)現(xiàn)需要考慮兩個(gè)核心問題：車窗位置的精確判斷和夾物力的判斷。

防夾的特性要求在設(shè)計(jì)防夾電動(dòng)車窗的時(shí)候，要連續(xù)地監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)速度、電機(jī)電流以及玻璃的位置，從而確定電動(dòng)車窗是否進(jìn)入防夾區(qū)，是否遇到障礙物，以決定是否對(duì)電動(dòng)車窗實(shí)施防夾操作。

夾物力的判斷基于電機(jī)的物理特性，所以首先建立車窗電機(jī)的物理模型[6]，如圖5所示。

圖5 電機(jī)的物理模型

由圖2可列出如下物理表達(dá)式：

(1)

e(t)=kΩ(t)

(2)

m(t)=ki(t)

(3)

(4)

式中：U(t)為電樞兩端電壓，e(t)為反電動(dòng)勢(shì)，L為電樞自感，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，R為電樞等效電阻，Ω(t)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，i(t)為電動(dòng)機(jī)電流，f為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中的阻力和摩擦力因數(shù)，m(t)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，k為常數(shù)系數(shù)。

對(duì)式(1)— 式(4)進(jìn)行拉普拉斯變換[7]，再合并可得頻域公式(5)。

(5)

由式(5)可以看出，由于電樞兩端電壓、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于一個(gè)確定的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)固定不變，所以當(dāng)公式(5)中f增大時(shí)，I必隨之增大，關(guān)系式才滿足。即當(dāng)車窗在上升過程中遇到障礙物時(shí)，阻力增大，從而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變小，電流隨之增大。

3.2 防夾功能實(shí)現(xiàn)

由于直流有刷電機(jī)在換向過程中存在阻抗差，使得電機(jī)電流的直流分量上會(huì)疊加相同頻率的紋波分量，因此從電機(jī)端采集到的電機(jī)電流，會(huì)呈現(xiàn)周期性變化如圖6所示。

圖6 紋波脈沖信號(hào)

由于直流有刷電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，就會(huì)產(chǎn)生固定數(shù)量的紋波脈沖，所以紋波脈沖個(gè)數(shù)與車窗玻璃的行程成線性關(guān)系。通過圖6的紋波脈沖信號(hào)，可以計(jì)算玻璃整個(gè)行程的脈沖個(gè)數(shù)，取相對(duì)值，從而獲得玻璃的具體位置信息。

由于電動(dòng)窗的防夾功能僅適用于升窗過程，因此只需要對(duì)電機(jī)上升過程中的電流特性進(jìn)行研究[8]。電機(jī)的運(yùn)行電流在不同的階段是不同的，圖7為車窗上升過程中，當(dāng)車窗玻璃遇到障礙物時(shí)，在13.5 V電壓和10 mΩ采樣電阻下的采集到的電流波形。

圖7 車窗上升過程中遇到障礙物時(shí)的電流波形

由圖7可知，車窗在遇到障礙物時(shí)，電流變化非常大(圖中A、B、C3點(diǎn))，且電流的大小與所受到的阻力成正比關(guān)系(RA>RB>RC)[7]，但是遇阻電流變化的斜率遠(yuǎn)小于堵轉(zhuǎn)時(shí)的斜率，且電流值也小于電機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)的值。

根據(jù)上述遇阻電流的特性，可以采取面積積分法來判斷車窗是否遇阻：在電機(jī)電流曲線上取一段時(shí)間Ts，對(duì)橫軸(時(shí)間)與縱軸(電流)圍成的矩形面積求積分，若在防夾區(qū)域的某個(gè)時(shí)間內(nèi)，面積積分S大于防夾閾值S0，則判斷為車窗受阻而進(jìn)行防夾操作。

假設(shè)有一底邊固定為Ts、高度可變，并能沿時(shí)間軸移動(dòng)的矩形框，它底邊的位置是由Ts時(shí)間段內(nèi)最小的電流值確定的，如圖7中矩形框A所示。在矩形框內(nèi)，電流曲線的起始時(shí)間為t0，此時(shí)電流為I0；結(jié)束時(shí)間為t1，此時(shí)電流為I1；任意時(shí)間t對(duì)應(yīng)的底邊方程為：

I(t)=min(t)t0

(6)

在確定時(shí)間T=t1-t0內(nèi)，電流曲線與該矩形框的底邊及兩條高所圍成的面積為：

(7)

若在時(shí)間T內(nèi)S>S0，則判斷車窗受堵，并執(zhí)行相應(yīng)防夾操作。

為避免面積積分法失效而發(fā)生誤防夾，采用斜率法輔助判斷，增強(qiáng)防夾判斷的準(zhǔn)確性，降低誤判率。設(shè)車窗堵轉(zhuǎn)時(shí)電流變化率為Kmax，車窗正常上升時(shí)電流變化率為Kmin。假設(shè)在車窗上升過程中某一確定時(shí)間Δt內(nèi)，測(cè)得ta時(shí)刻電流為Ia，tb時(shí)刻電流為Ib，則時(shí)間Δt(Δt=tb-ta) 內(nèi)電流變化率為：

(8)

若在一個(gè)連續(xù)的時(shí)間閾值Tthr(從車窗遇阻時(shí)起，到電流達(dá)到遇阻最大電流時(shí)止的時(shí)間，通過多次實(shí)驗(yàn)求平均值的方法得到)內(nèi)，滿足Kmin

4 防夾測(cè)試

使用上述防夾算法進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，在車窗玻璃正常上升過程中，由于膠條的作用，電流緩慢增長(zhǎng)(圖8中UP階段)，當(dāng)車窗玻璃運(yùn)行到防夾區(qū)域時(shí)，在外界阻力的影響下，電機(jī)電流明顯增大(圖8中f階段)，當(dāng)達(dá)到一定的閾值(如果防夾力為80 N)后，系統(tǒng)將執(zhí)行防夾反轉(zhuǎn)(圖8中ANTI-PINCH DOWN階段)至停止(圖8中STOP階段)。

圖8 車窗玻璃防夾反轉(zhuǎn)時(shí)采樣電阻電壓的變化情況

多次測(cè)試后，防夾成功率在99%以上，并記錄了5個(gè)不同點(diǎn)的防夾力，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試了5個(gè)數(shù)據(jù)，防夾力變化見表1。

表1 車窗玻璃防夾時(shí)防夾力變化

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在車窗的不同點(diǎn)進(jìn)行防夾時(shí)，防夾力力基本上在80 N以下變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)的情況下，設(shè)計(jì)了一套汽車電動(dòng)車窗紋波防夾系統(tǒng)，該系統(tǒng)在完成了多次完整的測(cè)試后，誤防夾發(fā)生率低于1%，防夾力在(80±12)N的范圍內(nèi)變化，符合GB 7258— 2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了上述算法的可行性，在控制精度上優(yōu)于傳統(tǒng)算法，而且它能更好地解決在不使用任何傳感器的情況下，在自動(dòng)上升過程中防止車窗發(fā)生誤防夾，有效避免夾傷事故的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。