淺析紋波防夾技術現狀研究與應用

楊建輝，劉險峰，邢俊峰

(重慶長安汽車股份有限公司，重慶 401120)

0 引言

隨著科技的發展，越來越多的新技術應用在汽車上，汽車玻璃升降器已經從手搖式發展到自動升降，而且還帶有更多智能化元素。傳統車窗開閉的方式，在行車過程中需要手脫離方向盤去搖車窗手柄或者用手去按車窗開關，存在一定安全隱患。用戶購車時對便捷、舒適、安全重點關注，國內外每年都有因被電動車窗夾傷而就醫地事故發生，其中大部分是兒童。因此，車窗的防夾功能對用戶非常有吸引力，已成為汽車廠家宣傳的賣點。

1 各國防夾的標準

車窗防夾因為設計的安全性得到消費者的認可，目前在歐盟和美國對于車窗防夾已經建立了強制性標準，車輛沒有配置車窗防夾功能的話，在這些地方是無法銷售的。各國在車窗防夾領域的要求和測試方法大同小異，國標GB11552也對車窗防夾功能的測試方法作出了嚴格的要求(見表1)。

表1 各國防夾的標準

2 霍爾防夾與紋波防夾對比分析

傳統的霍爾防夾在國內應用了多年，霍爾防夾的方案需要在電機上安裝磁環，磁環隨電機轉動，并經過霍爾傳感器產生方波信號，通過方波個數來反映車窗的位置，遇到障礙物時電機轉速變慢，對應方波信號周期變大[1]，據此進行是否觸發防夾的判斷。由于霍爾防夾模塊的電機上帶有防夾模塊、磁環和霍爾傳感器，導致硬件成本偏高,霍爾防夾原理如圖1所示。

圖1 霍爾防夾原理

紋波防夾是搖窗電機領域發展和防夾算法不斷完善的產物，基于其可靠的性能和較低的成本，越來越多的汽車制造商選擇使用紋波防夾技術替代傳統霍爾防夾。紋波防夾的原理是通過采樣電阻將電機驅動端運行電流轉換為電壓信號，并進行放大處理，放大后的信號分成兩路，一路直接被MCU采集，作為防夾及堵轉判斷依據；另一路是與位置對應的方波信號，通過MCU記錄方波脈沖個數便得到車窗位置信息，從而實現門窗位置記錄及防夾檢測功能(圖2)。兩種防夾原理對比見表2。

圖 2 車窗紋波防夾控制器結構

表2 霍爾防夾與紋波防夾原理對比

3 電機紋波產生的原理

電機紋波產生的原理如圖3所示。

圖3 電機紋波產生的原理

(1)電機由磁極、轉子線圈、換向器等組成，根據右手定律轉子線圈通電后[2]，在磁極中由于磁場的作用產生運動；

(2)當轉子線圈運動到磁場邊緣時磁場變弱，電動勢減小，電流減小；

(3)換向器改變電流方向，重新進入磁場，磁場變強，電動勢增大，電流增大[2]；

(4)轉子線圈不斷轉動、電動勢和電流不斷變化，從而紋波不斷產生，紋波是電機的固有特性。

4 紋波防夾的算法

紋波防夾的算法綜合了多種成熟算法，主要采用電流算法、紋波算法、位移算法、力矩算法、積分算法、微分算法、參數自校正算法等，各種算法的組合并不是單純的迭加，是靠與、或、異或、相交等方式的有機組合，這樣算法具有準確性和較強的抗干擾能力。

根據紋波周期的變化率，只有當脈寬周期發生很大的突變時，才會判定為達到防夾條件，對類似膠條老化等使脈沖周期發生的變化，不會導致誤防夾。

5 紋波防夾對電機的要求

(1)紋波頻率：電機在無負載下運行時，電機紋波頻率應不大于1 550 Hz；測試條件：16 V，高溫，空載。

(2)紋波振幅：電機在無負載情況下運轉，紋波電流幅值不小于0.4 A(幅值)；測試條件：9 V，高溫，空載。

(3)波形品質：參考紋波振幅(可以使用傅立葉變換來觀察)：基波頻率fn為0 dB，則一次諧波2fn、二次諧波3fn和三次諧波4fn，都需要在基波頻率fn-6 dB 值之下(圖4);測試條件：13.5 V，高溫，低溫，空載，額定負載，40%負載。

圖4 紋波振幅示意

(4)電機紋波建立時間：10 ms

(5)相鄰紋波幅值：差異小于較小幅值的30%～50%；測試條件：16 V，常溫，空載。

(6)參考能量功率角度：基波頻率fn和一次諧波2fn占紋波總能量百分比[P(fn)+P(2fn)]/(Ptotal)≥70%；基波頻率fn占紋波總能量百分比P(fn)/(Ptotal)≥50%。

6 紋波防夾的驗證

6.1 靜態標定

在實車門系統中(量產狀態的車門鈑金、呢槽、內外夾條、車門玻璃、玻璃升降器等附件)，分別在電壓10、13.5、16 V和常溫、低溫、高溫條件下，經過標定常量、標定速度電壓比、標定閾值及電壓的關系、膠條對防夾力的影響、電機啟動補償、常溫驗證、高低溫驗證、數據整合及驗證，測試玻璃下不同電壓、不同溫度下的測試點A、B、C的防夾力的大小，如圖5所示。

圖5 防夾測試區域圖

6.2 動態標定

對紋波防夾控制器完成相關靜態標定工作后，需要在規定路面上，對紋波控制器進行防夾程序的動態標定和驗收，考核其在規定工況下的誤防夾率情況。在表3規定的路面中，以規定車速行駛，進行不低于5次的電動車窗操作，統計車窗玻璃誤防夾(導致操作失敗、車窗動作回退、車窗動作中止)的次數。

表3 電動車窗誤防夾驗證的典型路面和對應車速

7 結束語

車窗霍爾防夾由于成本高、結構復雜、占用門內空間等問題，之前僅在高端車型上應用，到2015年國內車窗防夾功能的普及率不到5%。由于紋波防夾技術的出現，其成本大約是四門霍爾防夾車窗的1/2，大大降低了車窗防夾配置的成本，使得車窗防夾功能在乘用車領域配置率提升到40%，車窗防夾功能不再是高端車的標簽。根據目前國內外各大汽車生產廠家車窗防夾技術的發展和應用情況，紋波防夾以其布置方便、結構簡單、信號準確、性價比高等優點，受到越來越多的汽車制造商的青睞，將來在汽車方面的應用必將越來越廣泛，為更多消費者的安全保駕護航。