汽車電動車窗防夾控制系統的研究與開發

廖 強，程金堂，張 衡

(重慶大學a.機械傳動國家重點實驗室;b.機械工程學院，重慶400030)

電動車窗是通過車載電源來驅動車窗玻璃升降的。車窗玻璃自動升降功能的引入，存在著夾傷乘客甚至導致其死亡的危險［1］，因而其安全性也日益成為人們關注的焦點。在不影響車輛舒適性和方便性的前提下，設計能夠有效解決上述安全隱患的防夾電動車窗已是一種必然，具有十分重要的意義。

在同類設計中一般都采用傳統的實時性和穩定性都較差的前后臺系統。本文針對前后臺系統的不足和電動車窗系統安全性和實時響應性要求，給出了基于嵌入式實時操作系統μC/OS-II的設計方案，同時采用功能強大、抗干擾能力強的意法半導體公司的ST72F324BJ4TC單片機作為核心處理器，研究了能解決上述安全隱患的防夾電動車窗控制系統，以提升汽車的行車安全和人性化程度。

1 電動車窗系統分析

1.1 設計要求

為了有效實現電動車窗的防夾功能，需要定義車窗的防夾區域、防夾閾值力、防夾執行動作。這里參照美國MVSS118或歐洲74/60/EEC標準:

1)防夾區域定義為從離門窗頂端4 mm到200 mm的區域，如圖1所示。

圖1 電動車窗防夾區域

2)防夾閾值力定義為100 N。

3)當遇到障礙物時，車窗電機反向，車窗玻璃下降一段距離后停止，等待用戶的進一步指令。

1.2 設計原理

要使電動車窗安全可靠地工作，并實時響應運行過程中的正常和異常情況，需要解決以下問題:

1)判定當前車窗玻璃是在上升還是在下降;

2)確定車窗玻璃的當前位置;

3)確定車窗電機的當前負載;

4)異常情況發生時的快速實時響應;

5)防夾算法的魯棒性和自適應性;

6)駕駛員對車窗系統的優先控制權。

問題1，可以通過按鍵監測程序檢測用戶的按鍵輸入來解決;問題2，可以通過電機軸上的霍爾傳感器的霍爾脈沖計數來計算;問題3，可以通過采樣車窗電機電樞電流來間接計算;問題4，可以通過采用功能強大的ST72F324BJ4TC微處理器和嵌入式實時操作系統μC/OS-II來保證;問題5，可以利用直流電機負載轉矩變化率本身的快速響應性和對電機參數不確定性的穩健性來保證［2］;問題6，可以通過將4個車窗子系統通過LIN總線連成主從網絡來實現。

1.3 系統總體結構

汽車的4個車門車窗系統的構成基本相同。為了系統的集成與管理上的方便，將4個車窗子系統通過LIN總線連成網絡。駕駛員子車窗系統為LIN總線的主節點，剩下的3個子車窗系統為從節點［3］。通過駕駛員車窗系統可以實現對整車4個車窗的分布式控制。駕駛員車窗控制器還可以通過CAN網絡與車身中央控制器聯網，接入整車的分布式控制網絡。車窗系統網絡結構如圖2所示。

圖2 車窗系統網絡結構

2 電動車窗系統硬件設計

2.1 硬件總體設計

電動車窗系統的機械傳動部分與傳統搖動式車窗基本相同，控制系統硬件部分一般由微處理器、霍爾傳感器、固態繼電器、直流電機、開關組等組成。電動車窗硬件總體結構［4－5］如圖3所示。

圖3 電動車窗硬件總體結構

2.2 霍爾定位部分硬件設計

霍爾傳感器是電動車窗系統的主要信號采集元件。日本Allegro公司的A3187EU霍爾傳感器內部集成施密特觸發器，輸出的脈沖信號不需要額外的整形電路，輸出端(OUT)直接連到ST72F324BJ4TC單片機的輸入捕獲端口PC3。另外，ST72F324BJ4TC單片機的I/O口(PA4～PA7)接到A3187EU的地端(GND)，可在直流電機不工作時關斷傳感器以降低靜態電流消耗，電容起濾波作用。霍爾脈沖采集原理如圖4所示。

圖4 霍爾脈沖采集原理

在圖4中，左邊半部分是硬件的實際安裝圖，右邊半部分是硬件的實際電路圖。安裝時，在電機的輸出軸上對稱地埋植4枚磁鋼片，通過電子模塊中的霍爾傳感器來感應對應的磁場［6］。這樣，電機軸轉動一周，霍爾傳感器就會輸出4個脈沖，然后通過ST72F324BJ4TC單片機的輸入捕獲功能對霍爾傳感器的輸出脈沖進行計數。車窗玻璃下降時脈沖個數減少，車窗玻璃上升時脈沖個數增加。

2.3 電流采樣部分硬件設計

相關實驗表明，車窗玻璃在上升過程中，遇到障礙物的瞬間，電機軸的負載轉矩會突然增大。因此，電機軸負載轉矩變化率對障礙物是非常敏感的，其閾值可以作為障礙物檢測的判斷指標。然而，電機軸負載轉矩不易測量。根據直流電機負載轉矩與其電樞電流之間的線性關系［7］，本文采用測量電樞電流來間接得到電機負載轉矩的測量方案。電樞電流采樣原理［8］如圖5所示。

圖5 電樞電流采樣原理

在圖5中，流過電機電樞的電流經過電阻R3采樣后，輸入到集成運放LM107的同相輸入端，經放大后輸入到ST72F324BJ4TC單片機的A/D轉換的0通道PD0。電容起濾波作用，穩壓管D1起穩壓作用，保護微處理器。

根據相關的電路理論，可以得到

ST72F324BJ4TC單片機的A/D轉換精度為10位，參考電壓為5 V，設A/D轉換結果為vd(t)，由A/D轉換相關理論可以得到:

由式(1)和(2)可以得到:

由式(3)可以看出，直流電機的電樞電流與A/D轉換結果vd(t)之間是線性關系，因此，電機軸負載轉矩與A/D轉換結果之間也是線性關系，那么，選擇A/D轉換結果的變化率作為障礙物檢測的判斷指標是合理的，而且與參考電壓無關。

3 電動車窗系統軟件設計

3.1 防夾算法設計

防夾算法的設計主要從2個方面考慮:其一防夾閾值力法，其二電機負載轉矩變化率閾值法。實現時轉換為電機電樞電流變化率閾值法。

根據美國MVSS118或歐洲74/60/EEC標準得到，防夾閾值力為100 N。文獻［11］指出，為了解決由于霍爾傳感器性能退化和實際駕駛環境引起的干擾問題，采用H∞濾波狀態估算技術，得出轉矩變化率的合理閾值由負載轉矩變化率絕對值的最小值的74%來決定。

因此，防夾算法的核心原理是當車窗玻璃處于自動上升或上升狀態時，通過霍爾脈沖計數法判定車窗玻璃進入防夾區域，然后啟動障礙物檢測程序監測電機電樞電流大小以及變化率是否超過設定的閾值，進而處理異常情況。軟件功能原理如圖6所示。

圖6 軟件功能原理

3.2 μC/OS-II的移植與應用程序設計

ST72F324BJ4TC微處理器內部時鐘頻率為8 MHz，擁有32k字節HDFlash，1k字節RAM，10bit ADC［9］，是汽車上用得較多的8位微處理器，功能強大，抗干擾能力強，其內部資源完全能滿足本文提出的設計方案。

μC/OS-II在移植的時候用戶只需要關心5個文件:2個與應用程序相關的文件OS_CFG.H、INCLUDES.H，3個與處理器相關的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C［10］。

為了便于軟件的編寫、測試、修改和維護，在軟件設計中，采用模塊化、結構化和參數化的設計方法，并采用標準C語言來實現各功能應用程序。應用程序包括硬件初始化、軟件初始化、按鍵監測、脈沖計數、A/D轉換、LIN通訊、障礙物檢測、電機執行動作控制。在具體實現上，利用μC/OSII對多任務的支持，建立了4個任務:

按鍵監測，void Task_KeyScan(void*pdata);

脈沖計數，void Task_PulseCount(void*pdata);

障礙物檢測，void Task_ObsDetc(void*pdata);

電機控制，void Task_DcCtrl(void*pdata);

經任務堆棧檢驗，設定每個任務的堆棧大小為128B較為合理。4個任務的任務優先級依次設定為13，12，11，10。

4 電動車窗系統標定設計

霍爾脈沖計數與車窗玻璃位置之間的關系，尤其是在防夾區域內的對應關系，可以通過實驗［12］創建一張霍爾脈沖計數與車窗玻璃升降高度之間的關系表，寫入ST72F324BJ4TC單片機的EEPROM存儲器。同時為了消除回程誤差，車窗玻璃到達底端，脈沖計數清零;車窗玻璃到達頂端，設定脈沖計數為標定的最大值。

車窗玻璃在防夾閾值力作用下的電機電樞電流也可以通過實驗得到，也寫入到ST72F324BJ4TC單片機的EEPROM存儲器。然而，隨著車窗系統的老化，其值需要動態更新，這個可以由實際程序在人為觸發異常時動態改寫。

電樞電流變化率的閾值按照文獻［11］中的結論取電樞電流變化率絕對值的最小值的74%。當然電樞電流變化率的絕對值也需要通過實驗來測定。

5 結束語

以汽車的左前門車窗控制器的設計為例說明了整個車窗系統的設計方法與設計過程。設計中采用了霍爾脈沖定位法和電機負載轉矩變化率閾值法的設計原理。每個車窗都由獨立的微處理器ST72F324BJ4TC來控制，軟件上移植了支持多任務的嵌入式實時操作系統μC/OS-II，從而提高了系統的可靠性和實時響應性。另外，將4個車門車窗系統置于主從LIN網絡中以減少電氣走線，降低了系統成本，提高了系統的集成度。設計的防夾電動車窗控制器在某車門上進行了安全實驗，實驗中該控制系統性能穩定，響應速度快，抗干擾能力強，證明了本文提出的設計方案和防夾算法是可行的。

［1］ 馬加其.防夾電動車窗的改進［J］.湖北汽車工程學院學報，2007，21(3):79－80.

［2］Lee H J，Ra W S，Yoon T S，et al.Robust Pinch Estimation and Detection Algorithm for Low-Cost Anti-Pinch Window Control Systems［C］//The 31st Annual Conference of the IEEE Industrial Elec-tronics Society.Porto:［s.n.］，2005:269－274.

［3］LIN Consortium.LIN Specification Package Revision 210［EB/OL］.［2010－10－25］.http://www.linsubbus.org/index.php?pid=8＆lang=en.

［4］ 劉志遠，張振東，尹叢勃，等.汽車電動車窗系統的工作原理及故障診斷［J］.機械與電子，2007(12):109－110.

［5］ 卞清，宋勇，李忠富.嵌入式汽車車窗控制器設計［J］.自動化技術與應用，2009，28(12):96－99.

［6］ 吳蓮英，唐昭輝，周杰.大客車電磁兼容性淺析［J］.客車技術與研究，2005，27(5):18－19.

［7］ 周易，汽車電動窗防夾系統的研發［J］.北京汽車，2007(4):31－34.

［8］ 李魯.汽車電動車窗控制電路設計［J］.汽車電器，2006(7):11－15.

［9］ 梁海浪.ST7單片機C程序設計與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［10］任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-II原理及應用［M］.2版.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［11］Won-Sang Ra，Hye-Jin Lee，Tae-Sung Yoon，et al.Real-Time Robust Pinch Detection Algorithm for Automotive Applications Proceedings of the IEEE ITSC［C］//2006 IEEE Intelligent Transportation Systems Conference Toronto.Canada:［s.n.］，2006:17－20.

［12］宋磊，馬季雯.電動窗防夾力的標定［J］.汽車電器，2007(5):51－53.