一種轎車電動車窗防夾控制系統設計

摘 要:為解決汽車電動車窗的防夾設計問題，提出一種新的基于霍爾傳感器和車窗電機電流檢測的汽車車窗防夾系統設計方案。該方案采用霍爾傳感器的脈沖信號數檢測車窗位置，并設計了一種在車窗上升期間利用電機電流變化來判斷車窗是否遇到障礙物及相應操作的控制算法。最后基于英飛凌XC164CS硬件平臺和μC/OS-Ⅱ實時操作系統軟件平臺實現了該設計方案。試驗檢測數據表明，該系統具有良好的防夾功能。

關鍵詞:電動車窗; 防夾; 車門控制系統; 霍爾傳感器

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0169-04

Design of Anti-pinch Power Window Control System for Cars

ZHANG Xin1， LI Chang-gang2， HU Jun-jie2， WANG Yong-bin2

(1. Institute of Intelligent Control， Zhejiang Wanli University， Ningbo 315100， China;

2. Faculty of Electronic Information Engineering， Zhejiang Wanli University， Ningbo 315100， China)

Abstract: In order to solve the anti-pinch problem of the power window for cars， a novel anti-pinch solution based on the Hall sensor and current detection of windows' motor is presented. The impulse signals of the Hall sensor are adopted to detect the position of the window. According to the change of the detected current while the window lifting， a control algorithm which is used to judge whether the window is blocked. Finally， the design is realized based on Infineon XC164CS hardware platform and μC/OS-II real-time operating system software platform. The testing results indicate that the anti-pinch system has good working performance.

Keywords: power window;anti-pinch;door control system;Hall sensor

0 引 言

隨著現代汽車電子技術的進步，汽車內傳統的零部件及總成也在向機電一體化發展[1]。汽車中大量應用的電子設備，不僅提高了汽車的舒適性，也對汽車的安全性提出了新的要求。為了方便駕駛員和乘客，大量汽車采用電動車窗，許多電動車窗都不具有防夾功能，容易造成對乘員尤其是兒童的傷害。美國交通部頒布了針對電動車窗開關系統的法規FMVSS118，對車窗防夾相關參數做出了明確規定[2]，并規定在2008年10月1日之后在北美出售的轎車和小型貨車都必須強制執行該規定。雖然我國還沒有就該問題做出法律上的規定，但為安全起見，開發具有防夾功能的車窗控制模塊是完全必要的。

參考了文獻[3-5]后，本文的防夾設計方案采用將霍爾傳感器檢測電機轉速和檢測電機電流變化情況結合起來實現防夾功能，該方案避免了車窗防夾系統易受外界環境影響的缺陷，確保防夾效果可靠，成本較低，可以不必改動傳統車門的生產工藝，在改造電動車窗無防夾功能的老車型時，可以不改變現在已成型的汽車車門的機械結構和電路結構，只需替換電動車窗升降控制器， 十分方便。

1 電動車窗防夾設計方案

所謂防夾，就是指在電動車窗上升過程中夾住物體并達到一定力度后，讓電動車窗自動停止或回落，用以防止物體(尤其是人體)被夾傷。車窗的升降過程中，只有車窗上升階段需要進行防夾控制，所定義的防夾區為從離電動車窗玻璃無障礙上升運動的最大位置(頂端) 4 ～200 mm的區域。該定義符合歐洲74/60/EEC和美國FMVSS118的相關要求[6]。只有在防夾區域才啟動防夾功能。所以防夾設計首先應該確定車窗的當前位置。

1.1 車窗位置的確定

車窗控制電機的旋轉會帶動鋼絲繩的運動，從而控制車窗的上下移動。在車窗移動過程中，電機轉動的圈數和車窗的運動距離成正比，電機轉子轉動一周，會使霍爾傳感器產生方波脈沖信號。當車窗從最低位置升到頂部過程中，可以通過MCU對霍爾傳感器輸出的脈沖信號進行計數，從車窗的最底端到最頂端，上下反復3次，取其平均值nth，作為標定的基準，并記錄在E2PROM中。之后，軟件控制從車窗的最底端位置開始運行(此時為人工操控，車窗運行到最底端，電機堵轉)，且計數從零開始，上升過程根據當前的計數值進行加計數，下降過程根據當前的計數值進行減計數。因此，通過霍爾傳感器的脈沖輸出及計數方案可實時確定車窗的當前位置，并根據歐洲74/60/EEC和美國FMVSS118標準的規定確定車窗是否在防夾區域。對于本系統，測量過程中脈沖計數的誤差可忽略不計，對于長期運行中可能造成的誤差可用定期標定的方式加以解決。

1.2 防夾方案的確定

本系統采用檢測電機電樞電流方式來確定車窗在上升過程中是否遇到障礙物，方案在具體實施過程中要解決如下問題:

(1) 確定防夾區域及車窗位置。遵照歐洲74/60/EEC和美國FMVSS118標準確定出相應的防夾區域及車窗位置。

(2) 防夾時的電機電樞電流閾值ith的確定，即在防夾區域內電流值上升到所設定的閾值后即認為遇到障礙物，啟動車窗防夾功能。這里存在的問題是:車窗按鍵剛剛按下(無論是上升或下降)，車窗電機剛剛啟動時，由于電機的反電動勢還沒有建立，因而電流會有短時間的較大幅值，這時的電流幅值往往比所設定的防夾電流閾值還要大，需要將這種電流幅值較大的狀態和在車窗上升過程中遇到障礙物產生的電機堵轉電流區分開來。車窗電機啟動后延時50 ms后，再進行電流檢測，這樣可以避免電機啟動初期電流瞬時過沖對防夾電流閾值設定的影響。實際設計中，應用一塊可用于診斷功能的中央控制器，配合武漢吉陽光電公司生產的USB-CAN200工具，將運行過程中的數據反饋到PC機上，以Excel表格方式呈現，并可繪出圖形，進而方便地定出閾值ith，并通過多次運行試驗確定合適的閾值。

(3) MCU和功率驅動器件的選取。防夾方案中涉及到較多的實時檢測和實時計算，要求MCU的計算能力較高，方案中軟件的實現基于移植μC/OS-Ⅱ實時操作系統方案，因此選擇歐洲車系上流行的、性能較高的英飛凌XC164CS MCU，功率驅動芯片選擇具有故障診斷功能的BTS781芯片。

2 防夾系統硬件設計

車門控制系統包括電動車窗控制系統和電動后視鏡控制系統兩部分[7]，防夾電動車窗是車門控制系統的一個子模塊，在整個車門控制系統中，采用了一種“總體分布，局部集中式”的控制方案，如圖1所示。即將左側前后兩個車門的控制作為一個ECU模塊，右側前后兩個車門的控制作為另一個ECU模塊，兩個模塊之間以及模塊與中央控制器之間均以CAN總線方式連接。

圖1 車門控制系統(含車窗子模塊)框圖

防夾系統硬件設計以BTS781為核心，通過ST1，ST2，IH1，IH2，IL1，IL2端口和微控制器XC164CS芯片連接，接收微控制器發出的指令，來控制車窗的升降。通過在全橋驅動芯片BTS781的2和13號引腳上串接一個5 mΩ的電阻R37來檢測電機電樞電流變化，經過低通濾波和放大，送入MCU的A/D端口進行采樣，如圖2所示。

圖2 車窗電機電樞電流檢測

車窗位置測定采用霍爾傳感器輸出脈沖計數的方式實現。采用英飛凌TLE4923霍爾傳感器，直接輸出方波信號[8]，經低通濾波，將脈沖信號輸入MCU對其進行計數，進而確定車窗的當前位置，如圖3所示。

圖3 霍爾位置檢測電路

3 軟件設計

系統的軟件設計不但要考慮控制的方便性，也要考慮將來功能的擴展性[9]。因此，本系統的軟件設計基于實時操作系統，即首先將μC/OS-Ⅱ實時操作系統內核移植到XC164CS MCU上，之后將防夾車窗控制以其中的一個任務的方式添加上去。

3.1 μC/OS-Ⅱ實時操作系統內核移植

所做的移植，就是將μC/OS-Ⅱ實時內核移植到XC164CS微控制器上[10]。由于μC/OS-Ⅱ在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現，所以一些與處理器相關的代碼要用匯編語言寫，但大部分的μC/OS-Ⅱ代碼用C語言編寫。移植工作主要使μC/OS-Ⅱ正確定義和使用XC164CS。具體請參考本文作者撰寫的文章，此處不再贅述。

3.2 防夾電動車窗軟件設計

在所設計的硬件平臺上將μC/OS-Ⅱ實時操作系統移植后，將防夾電動車窗控制以任務方式加入，并參照前文內容實現防夾功能，其流程圖如圖4所示。

控制器XC164CS上電啟動時，從E2PROM中讀取nth，ith等初始數據，檢測電源電壓，當電壓值平穩后，讀取E2PROM中存儲的車窗位置，然后讀取按鍵輸入，如果有升降車窗操作，就設置對應的開關信號來驅動芯片BTS781中的MOS管T1，T2，T3，T4。如果車窗向上運動，計時器開始計時，霍爾傳感器脈沖信號加計數，延時50 ms后，檢測電流值是否過流，在車窗上升過程中如果檢測到了過流信號，即車窗電機的電流值大于電流閾值ith，而車窗位置又處于防夾啟動區域，則判定車窗遇堵，控制器就輸出方向開關信號，通過 MOS管T1，T2，T3，T4驅動電機反轉1 s后停止，防夾操作完成。不論電機升降運動，控制器都會通過計數程序記錄霍爾傳感器的脈沖信號數，據此可判斷車窗的相對位置，并在需要時把該位置信息寫入E2PROM。

圖4 防夾控制程序流程圖

4 測 試

通過完成硬件的制作和軟件的編程后，制作了實驗臺架。對臺架進行測試試驗后，得到如圖5所示試驗結果，將試驗結果用Excel圖表繪制后如圖5右上側的曲線圖，用示波器實際測試的電流變化曲線圖如圖5右下側曲線圖所示。示波器實際測試曲線變化說明如表1所示。

表1 車窗防夾過程測試曲線說明表

位置電流變化說 明

a電流為零起始點，電機未啟動

a~b段電流突然在短時間內增大微控制器接受按鍵指令，車窗電機啟動，反電動勢尚未建立，電流瞬間增大

b~c段電流快速降低電機的反電動勢建立，電流迅速降低

c~d段電流趨于平穩車窗電機啟動后，電流經短時間波動后，趨于平穩

d~e段電流輸出平穩車窗平穩運行期，由于車窗玻璃和窗框間摩擦力變化，電流有微小波動，總趨勢平穩

e~f段電流輸出繼續增大車窗上升遇到障礙，電機輸出電流增加，達到閾值ith，此時檢測如果在防夾區域，則防夾功能啟動

f~g段電流下降到零防夾功能啟動，電機先停轉

g~h段電流迅速增大電機開始反轉，反電動勢沒有建立，電機輸出電流瞬間增大

h~i段電流迅速降低電機的反電動勢建立，電流迅速降低

i~j段電流趨于平穩車窗下降，電流經短時間波動后，輸出平穩，車窗平穩運行期，由于車窗玻璃和窗框間摩擦力變化，電流有微小波動，總趨勢平穩

j~k段電流平穩防夾功能啟動后，電機反轉，車窗下降，由于車窗有自重，車窗電機負載下降，所以j~k段電流值低于d~e段電流值

l電流為零防夾功能啟動，電機反轉1 s后停止，輸出電流為零。

從圖5中可見，測試結果繪制的圖形和示波器實際測試圖形相同，達到預期的防夾效果。

圖5 測試試驗結果

5 結 語

闡述了一種電動車窗的防夾設計，在不改變原有安裝結構基礎上實現了車窗的防夾功能。其關鍵是設計合適的電流檢測閾值，本研究在基于實驗的基礎上給出了電流閾值，制作了測試臺架。測試結果表明，本文所做的設計可實現可靠的車窗防夾功能。

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