一種單霍爾信號及電流采樣的車窗防夾方案

江凱敏， 徐 偉， 陳文慶， 朱光歡

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434）

車窗防夾是一種常見的車窗保護技術，當車窗在自動上升過程中夾到人時，需要進行反轉保護，避免夾傷人。通常帶自動上升的車窗都要帶防夾功能。

車窗防夾技術方案有許多種，有的是利用紋波防夾，通過采集紋波的個數判斷車窗位置，當車窗進入防夾區域而電流發生突變后進行防夾保護，但是這種需要紋波電機的紋波比較高，需要紋波電機頻率穩定，不能有額外的紋波干擾和頻率干擾，同時電機的紋波容易受到外界EMC的干擾；而有的是采用雙霍爾電機進行防夾，通過雙霍爾信號的上升沿和下降沿來判斷電機的正反轉，通過霍爾電機轉速減小的速度來判斷是否觸發防夾門限而進行車窗防夾反轉，但是雙霍爾電機相對比較貴。

本文主要介紹一種單霍爾信號及電流采樣的車窗防夾方案，其性價比較高：通過單個霍爾信號來判斷車窗位置，再通過電流采樣電路采集車窗電機電流，進而判斷在防夾區域內是否有電流突變，一旦電流突變大于防夾門限，則車身電機防夾反轉；同時當車窗玻璃即將進入邊框膠條時，提前關掉電機驅動，使得車窗玻璃停于膠條和上硬停止點之間，達到上軟停效果；同時當車窗玻璃快進入車窗底部水切位置時，提前關掉電機驅動，使得車窗玻璃停于水切和下硬停止點之間，達到下軟停效果，避免硬停產生過大電流而影響電機壽命。

1 系統電子架構

如圖1所示，本系統由電源芯片LDO NCV4275、ST的32位MCU S32K142EVB、雙刀繼電器G8K-27R和38 譯碼器SN78LS138芯片等組成。

LDONCV4275 輸入電壓是6～24V，穩定輸出是5V 450mA，主要是給MCU供電；MCU S32K142EVB是車規級芯片，工作溫度-40～85℃，ArmTMCortex-M4F/M0+內核，主頻可以達到112MHz，Flash 512kB，安全等級可以達到ASILB；繼電器采用歐姆龍的G8K-27R （12V 30A），用于實現電機的正轉和反轉；38譯碼器SN78LS138主要將MCU的3個IO口控制信號轉成低邊驅動信號去控制繼電器吸合驅動電機，進而控制電機的正轉和反轉；電機的霍爾傳感器信號Hall_Sensor1～4從電機端口出來是12V，經過電阻分壓電路120K/33K的分壓后，輸入給MCU的電平控制在5V以內，進而保證MCU能夠準確采集到霍爾傳感器信號。

當系統驅動左前車窗上升時，MCU控制3個IO口信號：MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2、MCU_Realy_Cotrol1，使其等于0V，0V，0V，等效于邏輯電平000，于是控制左前Relay1繼電器上升控制信號FL_Realy_UP=0V，而FL_Realy_DOWN=12V，所 以Realy1 的COM1 吸 合 接 到KL30，而COM2保持默認的位置接到GND，電機正向轉動，車窗玻璃向上升起。

當系統驅動左前車窗下降時，MCU控制3個IO口信號：MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2、MCU_Realy_Cotrol1，使其等于0V，0V，5V，等效于邏輯電平001，于是控制左前Relay1繼電器下降控制信號FL_Realy_DOWN=0V，而FL_Realy_UP=12V，所以Realy1的COM2吸合接到KL30，而COM1保持默認的位置接到GND，電機反向轉動，車窗玻璃向下降落。

當系統控制左后窗上升時，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分別等于0V，5V，0V，等效于邏輯電平010；當系統控制左后窗下降時，MCU_Realy_Cotrol3、 MCU_Realy_Cotrol2 和 MCU_Realy_Cotrol1分別等于0V，5V，5V，等效于邏輯電平011，其余控制邏輯與左前車窗保持一致。

當系統控制右前窗上升時，MCU_Realy_Cotrol3，MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol3分別等于5V，0V，0V；等效于邏輯電平100，當系統控制左后窗下降時，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分別等于5V，0V，5V，等效于邏輯電平101；其余控制邏輯與左前車窗保持一致。

當系統控制右后窗上升時，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol3分別等于5V，5V，0V；等效于邏輯電平110，當系統控制右后窗下降時，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分別等于5V，5V，5V，等效于邏輯電平111，其余控制邏輯與左前車窗保持一致。

圖1 電子架構圖

2 防夾區間和防夾力要求

如圖2所示，按照歐標74/60/EWG、國標GB11552-2009和美標FMVSS118的相關要求，防夾區間如黑影所示，距離膠條4～200mn區間需要防夾，防夾力小于100N。

圖2 車窗防夾區域

3 單霍爾脈沖判斷車窗防夾位置

車窗的防夾位置在距離膠條4～200mm的區域，為判斷車窗玻璃的具體位置，需要捕抓霍爾脈沖的狀態翻轉個數來判斷車窗的具體位置，通常車窗玻璃的位置與霍爾脈沖的狀態翻轉個數成正比。

如圖3所示，本方案的霍爾電機內部采用4對磁極，S極、N極相互交替，間隔45°，當轉子旋轉時，S極、N極交替作用在霍爾傳感器上，霍爾傳感器感應后會發送脈沖給MCU。

圖3 霍爾電機的磁盤與霍爾傳感器

霍爾傳感器放在磁盤邊上，電機系統通過4:1的傘齒輪測速機構驅動軸端磁盤旋轉，磁盤轉動一周，轉子轉動1/4周。因為設置4對磁極，霍爾傳感器在磁盤旋轉一周時會產生4個脈沖，這樣執行機構中心軸轉動1周會產生4×4=16個脈沖，圓柱磁盤每轉一圈就是4×2=8個波形翻轉，故執行結構輸出1圈產生32個狀態翻轉，也就是輸出中心每旋轉360/32=11.25°，MCU計數1次。所以單片機輸出的位置分辨率為11.25°。MCU通過脈沖捕抓的方式抓取脈沖的狀態翻轉個數，進而確定車窗的位置。單霍爾脈沖的實測圖見圖4。

圖4 單霍爾信號實測圖

4 防夾原理

首先系統通過繼電器判斷車窗玻璃是否在上升狀態，再通過霍爾脈沖狀態翻轉個數判斷是否進入了防夾區域，當進入區域后通過50ms的電流變化率（需要標定） 來判斷當前的阻力是否已經達到設計門限。當滿足條件時，實現防夾反轉，車窗玻璃下降150mm。

車窗防夾反轉必須滿足如下條件：①車窗玻璃處于自動上升過程中；②車窗玻璃處于防夾區域中：4～200mm；③車窗玻璃遇到防夾阻力大于設定門限（最大不可以超過100N）。

5 上軟停和下軟停原理

如圖5所示，車窗位置A是車窗行程上止點，位置B是車窗上軟停點，位置C是車窗密封膠條下邊沿。

為了延長電機壽命，減少電機到達上止點位置A時產生碰撞聲，通常車窗防夾系統需要在快到密封條下邊沿位置C時，提前關閉驅動，使得電機靠自己的慣性向上升到上軟停位置B；通常上軟停位置B需要標定，應該是介于上止點位置A和膠條下位置C之間。

車窗玻璃上邊沿與位置C之間的距離被稱為車窗開口尺寸，位置D是車窗開口為4mm，位置E是車窗開口為200mm，位置F是車窗下軟停點，位置G是車窗行程下止點。

圖5 車窗動作范圍

為了延長電機壽命，減少電機達到下止點位置F時產生碰撞聲，通常車窗防夾系統需要在快到水切位置時，提前關閉驅動，使得電機靠自己的慣性向下降到下軟停位置F，通常F位置需要標定，應該是介于下止點G和水切位置之間。

如圖6所示，當車窗防夾系統進行上軟停保護時，其電機沒有堵轉，電機為正常電流3～8A，這種情況下可以保護電機壽命，避免過熱；在上軟停以后，如果繼續手動操作升窗時，車窗向上運動到硬停點堵轉硬停，此時堵轉電流很大，容易傷電機。

圖6 上軟停電流波形圖

如圖7所示，當車窗防夾系統進行下軟停保護時，其電機沒有堵轉，電機為正常電流3～8A，這種情況下可以保護電機壽命，避免過熱；在下軟停以后，如果繼續手動操作降窗時，車窗向下運動到硬停點堵轉硬停，此時堵轉電流很大，容易傷電機。

圖7 下軟停電流波形圖

6 初始化原理

圖8 系統初始化電流波形 （400ms初始化堵轉）

如圖8所示，當系統剛上電時，需要進行初始化后才有防夾功能和軟停功能，此時需要手動控制車窗玻璃向上堵轉400ms，完成初始化。

7 車窗防夾力的標定

在典型工況13.5V 23℃情況下，系統的防夾力F=K0×1A/50ms （50ms的電流變化率作為參考，K0是其斜率，不同的溫度工況需要標定），目標防夾力為75N±15N；然后進行高低溫驗證（80℃和-30℃），保證-30℃是防夾力大于40N （太小了容易誤反轉），80℃防夾力小于100N。

當電壓上升到16V時，電機的速度會變快，同等情況下50ms的電流變化率會比13.5V的大，所以需要調整防夾力的比例參數K1（K1要小于K0），使得16V 23℃情況下目標防夾力75N±15N，高溫80℃小于100N，低溫-30℃大于40N。

當電壓下降到10V，電機的速度會變慢，同等情況下50ms的電流變化率會比13.5V的小，所以需要調整防夾力的比例參數K2（K2要大于K0），使得10V 23℃情況下，防夾力75N±15N，高溫80℃小于100N，低溫-30℃要大于40N （太小了容易反轉）。

防夾力標定需要在距離膠條25mm處進行標定，200mm和4mm處用防夾條測試，只要能夠防轉，防夾力無要求；彈簧參數用10N/mm，最大防夾力不超過100N，目標防夾力75N±15N （滿足74/60/EWG、FMVSS118和GB11552-2009技術標準）。

在車窗玻璃上取樣3個位置：位置A，B和C進行防夾力測試，必須滿足防夾區域內的防夾力要求。下面以工程樣件階段的車窗進行驗證標定，具體的標定參考數據見圖9～圖11。

圖9 常溫23℃防夾力標定

圖10 低溫-30℃下的防夾力標定

圖11 高溫80℃防夾力標定

8 總結

隨著智能網聯時代的來臨，車窗防夾系統不再是單一的升窗防夾功能，而是有新的智能網聯應用功能，例如語音關窗、暴雨模式關窗、下雨自動關窗、透氣模式開窗和吸煙開窗等。

與暴雨模式關窗關聯控制后，車窗防夾系統在暴雨天氣收到導航主機的暴雨關窗指令，然后會控制4個車窗自動上升，當在上升過程中夾到人時，會自動防夾，車窗后退150mm，保證人員安全。

與透氣模式開窗關聯控制后，車窗防夾系統收到導航主機的透氣模式指令，然后會控制4個車窗下降5cm距離，保證車內空氣清晰，保證車內人員安全。

與語音控制關窗關聯控制后，車窗防夾系統收到導航主機的語音關窗指令，然后會控制4個車窗自動上升，當在上升過程中夾到人時，會自動防夾，車窗后退150mm，保證人員安全。

與吸煙開窗關聯控制后，車窗防夾系統在收到導航主機的吸煙開窗指令，然后會控制4個車窗下降10cm的距離，保證車內空氣流通，避免車內人員吸收二手煙而危害身體健康。

通過與智能網聯應用功能相結合，可以進一步提高升窗防夾系統的舒適性、可靠性、安全性和用戶感知性，大大提高用戶用車滿意度。