电动车窗防夹设计

电动车窗防夹设计

电动车窗防夹系统概述

电动车窗防夹系统是未来轿车的必备功能之一，在车窗上升过程中，车窗机构可以检测到运动方向上的障碍物或夹紧力，一旦有异常现象，就会迅速停止电机或改变电机的运动方向。目前大部分车型已经具备这种安全特性。

汽车批量生产中采用的防夹方案有通过测量电机电流和采用霍尔传感器两种方式。目前市场上销售的许多中低端车型都采用测量电机电流的方式，这种方式的特点是成本较低，技术成熟，但是未来的发展趋势却是采用霍尔传感器。其原因在于：如果只采用检测电流的方式实现防夹功能，不能给车窗准确定位，例如不能准确区别玻璃是遇到障碍物还是到达顶端，因为这两种情况下电流都会增大，不便于判断防夹区的上下沿，也不利于精确判断防夹力和在使用中进行自学习。

本文介绍的电动车窗防夹系统采用霍尔传感器进行控制，可以检测电机的转速变化和车窗的行程。与检测电机电流的方式相比，这种方式不仅可以实现相同的功能，而且更加直观，数学模型的构建更方便，算法也比较简单，同时还能实现自学习等功能。

电动车窗防夹系统设计的要求

电动车窗防夹控制设计的基本要求有：第一次运行时可以自学习车窗的长度；数据保存在非易失性存储器中；厂家可以使用配置模式；用户可用一键上升/下降两种模式；自动关闭车窗（熄火信号）；门自锁控制（防止小孩频繁操作）；LIN/CAN接口（可选）。前门的防夹力符合欧盟规定，每点的防夹力在60～100N之间。

具体的要求有：当电机上升过程触发防夹时，停止电机，当检测到防夹时，车窗向下运行一定的时间（由厂家具体制定）。在整个车窗运动区域，只在特定的区域有防夹功能，并不是整个区域都防夹。电机速度可控制，在车窗的中间部位，电机全速运行；当车窗到达最顶端或最底端时，电机减速防止玻璃破碎和产生撞击声。

进一步的要求有：控制板的待机静态电流为1～5mA，根据符合的欧盟标准不同而定。另外系统的设计还需要带电池反极性保护及支持高达25V的电池电压，电压尖峰保护超过100V。

高级功能要求：自学习功能。设备投入使用后，由于环境变化，系统需要自学习新的车窗玻璃运动阻力。车窗玻璃的运动阻力取决于车窗玻璃运动的摩擦力（污垢、雨雪、长期使用等因素均可对其造成影响）。系统定期校正车窗玻璃的位置，与EEPROM里存储的数据进行分析比较，从而采取相应的动作以维持同样的防夹力效果。

电动车窗防夹系统设计举例

图1所示为电动车窗防夹系统结构框图。

图1 电动车窗防夹系统框图

电动车窗防夹系统要实现以下的功能：

□ 持续检测上升/下降按键，根据检测到的按键，控制电机的方向和速度；

□ 当车窗上升时，监测和计算霍尔传感器的脉冲数，当霍尔信号的脉冲数消失时，迅速停止电机的上升运动；

□ 每次全部的脉冲数和所需要的时间记录/存储在内部Flash或EEPROM中，作为车窗上下运动时的参照；

□ 厂家可以使用配置模式设定车窗上下运动的初始限制范围；

□ 用户可以在特殊状况下屏蔽防夹功能，如恶劣天气和紧急遇险；

□ 系统故障诊断，故障代码可通过CAN/LIN网络输出。

电动车窗防夹系统的硬件设计比较简单，主要工作集中在软件的设计上，最重要的步骤是利用专用的防夹力测试设备来构造数学模型，选择适当的算法，同时根据电机厂家提供的具体参数资料，制定自学习功能的优化策略。图2所示为电动车窗防夹系统电路板。

图2 电动车窗防夹系统电路板c

电动车窗防夹系统要考虑重力、摩擦力以及各种类型的干扰后，才能实现可靠的防夹功能，如机械老化、胶条老化和气候的变化等。因此，设计人员需要通过对实际的车窗产品反复试验，得出在不同温度和状态下的各种数据，逐步调试，才能准确实现防夹力的一致，以达到最终的安全要求。

电动车窗防夹设计的难点

如果有汽车生产厂的支持和完善的设备，完成电动车窗防夹系统的功能设计并不难，但是在严格的成本控制下，若实现低成本、高功能的电动车窗防夹系统的量产则非常困难，因为许多国外的合资企业早已拥有成熟的技术和方案、大规模生产的成本优势以及多年的应用反馈积累。

在实际设计中，防夹力、电机行程以及玻璃的位置甚至电机的堵转及过温都可以只通过监测和计算霍尔传感器的脉冲数，并建立适当的数学模型来得到。因此，拥有一套专业的防夹力测试设备必不可少，同时，电机厂家在电机内部性能参数上的支持也十分重要。

在电动车窗防夹系统中，耐低温要求是一个难点，如应能承受-40℃的低温试验。这对于低成本的电动车窗防夹方案是一个挑战，因为这需要做更多的试验，软件调整作温度补偿，以符合基本性能要求。

电路的设计简单，意味着算法更加复杂。其关键是在不增加成本的前提下，保证各种状态下防夹力的一致。防夹力一致等同于系统的敏感度稳定。耐振动性能也是一个难点，在颠簸和崎岖的路段，同样是脉冲数的变化，却需要区分不同的情况，这需要多年路试应用经验的积累。