基于STM32的無傳感器車窗防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李澤宇 程禹 杜汶澤

摘 要 近年來，隨著我國汽車產(chǎn)銷量的增加與人們安全意識的上升，對于汽車車窗控制系統(tǒng)中防夾手功能的需求日益上升，而無傳感車窗防夾系統(tǒng)以其較低的成本與相對簡單的線束分布得到了越來越多的青睞。本文將提出一種無傳感車窗防夾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過STM32單片機(jī)對車窗電機(jī)電流進(jìn)行采樣，采用快速傅里葉變換（FFT）的方法來判斷車窗是否遇到障礙物。

【關(guān)鍵詞】直流電動機(jī) 車窗防夾 無傳感器 快速傅氏變換

近年來，隨著我國汽車產(chǎn)銷量的增加與人們安全意識的上升，對于汽車車窗控制系統(tǒng)中防夾手功能的需求日益上升，如今的中高檔汽車已實(shí)現(xiàn)標(biāo)配，這一配置也將以更低的成本與更高的性能普及開來，有效預(yù)防更多意外的產(chǎn)生。傳統(tǒng)上，人們常采用光電或霍爾傳感器來測量位置/速度信息、完成閉環(huán)控制的任務(wù)。但這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。而由于有刷直流電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，其電樞電流的紋波中包含有與電機(jī)位置/轉(zhuǎn)速相關(guān)的信息，這一紋波電流為實(shí)現(xiàn)無傳感位置/速度/負(fù)載力閉環(huán)控制提供了可能。

1 電動車窗整體設(shè)計(jì)思路

電動車窗主要由永磁直流電機(jī)、電機(jī)卷揚(yáng)輪、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器和電動車窗防夾控制器組成。機(jī)構(gòu)的工作過程為控制器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動蝸輪傳動，帶動鋼索線性運(yùn)動，玻璃夾持裝置帶動玻璃沿導(dǎo)軌定向運(yùn)動。電動機(jī)采用永磁有刷直流電機(jī)。

通過檢測電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的周期性紋波實(shí)現(xiàn)測定電動機(jī)狀態(tài)與位置的功能，通過對紋波的分析可以得到紋波的周期，對波紋脈沖計(jì)數(shù)就可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動過的角度，然后再結(jié)合減速器的減速比，就可以得到車窗的移動距離，實(shí)現(xiàn)對車窗運(yùn)動軌跡的測量。我們會將信號分為兩路分別進(jìn)行時(shí)域和頻域上的處理。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過對比分析，我們選擇功能強(qiáng)大的STM32單片機(jī)作為此項(xiàng)目的MCU。STM32的性能優(yōu)良，性價(jià)比高，其各項(xiàng)指標(biāo)均可以良好地滿足項(xiàng)目需要。設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

3 軟件程序計(jì)

通過上述的硬件電路，得到了經(jīng)過濾波處理的直流分量與交流分量，首先我們通過統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)得到交流成分的頻率f，在計(jì)數(shù)的同時(shí)，我們用FFT對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取最低頻率的大峰值，對應(yīng)得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的信息，防止計(jì)數(shù)的方法出現(xiàn)異常時(shí)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。在車窗到頂?shù)呐袛喾矫妫覀儼l(fā)現(xiàn)由于電機(jī)的減速比較大，導(dǎo)致輸出力矩較大，一般小的阻礙不會令車窗停下來，而到頂后由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，會產(chǎn)生90N左右的力使電機(jī)卡住，此時(shí)的特點(diǎn)是產(chǎn)生的脈沖頻率非常低，直流部分迅速增加，我們利用這個(gè)特點(diǎn)來判斷是否到頂；而在車窗受阻時(shí)，脈沖頻率也會降低，但是達(dá)不到到頂時(shí)的低頻率，直流部分增加與受力幾乎成正比，我們利用一個(gè)閾值來界定和調(diào)整這個(gè)認(rèn)定阻力的大小。

4 結(jié)論

本文通過對紋波電流的分析，使用意法半導(dǎo)體STM32單片機(jī)作為處理器，研究出了性能更優(yōu)，成本更低的車窗防夾手系統(tǒng)。在不影響乘車舒適性的前提下，成功解決電動車窗存在的安全隱患。

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作者單位

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150001