汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发

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７］负载转矩与其电枢电流之间的线性关系［，本文
采用测量电枢电流来间接得到电机负载转矩的测
８］如图５所示。量方案。电枢电流采样原理［
图３电动车窗硬件总体结构
２．２霍尔定位部分硬件设计霍尔传感器是电动车窗系统的主要信号采集元件。日本Ａｌｌｅｇｒｏ公司的Ａ３１８７ＥＵ霍尔传感器内部集成施密特触发器，输出的脉冲信号不需要额外的整形电路，输出端（ＯＵＴ）直接连到ＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机的输入捕获端口ＰＣ３。另ＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机的Ｉ／Ｏ口（ＰＡ４～ＰＡ７）外，接到Ａ３１８７ＥＵ的地端（ＧＮＤ），可在直流电机不工作时关断传感器以降低静态电流消耗，电容起滤波作用。霍尔脉冲采集原理如图４所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｎｅｓｓｆｏｒｐｏｗｅｒｗｉｎｄｏｗｓｙｓｔｅｍ，ＴｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｎａｎｔｉｐｉｎｃｈｐｏｗｅｒｗｉｎｄｏｗｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄμ Ｃ／ＯＳＩＩｒｅａｌｔｉｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｏｄｅｒｎｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｍｅａｓｕｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｗｉｎｄｏｗｇｌａｓｓｗｉｔｈＨａｌｌｓｅｎｓｏｒａｎｄｓｅｌｅｃｔｓｔｈｅｔｏｒｑｕｅｒａｔｅｏｆＤＣｍｏｔｏｒｓｈａｆｔａｓｔｈｅｊｕｄｇｍｅｎｔｏｆｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｏｂｓｔａｃｌｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｓｔｒｏｎｇａｎｔｉｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｍｅｔｈｏｄｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｗｏｒｔｈｙｏｆｕｓｉｎｇａｂｒｏａｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｗｉｎｄｏｗ；ａｎｔｉｐｉｎｃｈ；ｔｏｒｑｕｅｒａｔｅ；μ Ｃ／ＯＳＩＩ；ＬＩＮｂｕｓ
成主从网络来实现。１．３系统总体结构汽车的４个车门车窗系统的构成基本相同。为了系统的集成与管理上的方便，将４个车窗子系ＩＮ总线连成网络。驾驶员子车窗系统为统通过ＬＬＩＮ总线的主节点，剩下的３个子车窗系统为从节
３］点［。通过驾驶员车窗系统可以实现对整车４个
收稿日期：２０１１－０１－１８
基金项目：重庆市科技攻关计划项目（ＣＳＴＣ，２００８ＡＣ３０２６）作者简介：廖强（１９６３ —），男，教授，博士生导师，主要从事智能测量与控制技术、机器视觉、机电一体化研究。
重庆理工大学学报２电动车窗是通过车载电源来驱动车窗玻璃升降的。车窗玻璃自动升降功能的引入，存在着夹伤乘客甚至导致其死亡的危险
４－５］如图３所示。组成。电动车窗硬件总体结构［
样，电机轴转动一周，霍尔传感器就会输出４个脉冲，然后通过ＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机的输入捕获功能对霍尔传感器的输出脉冲进行计数。车窗玻璃下降时脉冲个数减少，车窗玻璃上升时脉冲个数增加。２．３电流采样部分硬件设计相关实验表明，车窗玻璃在上升过程中，遇到障碍物的瞬间，电机轴的负载转矩会突然增大。因此，电机轴负载转矩变化率对障碍物是非常敏感的，其阈值可以作为障碍物检测的判断指标。然而，电机轴负载转矩不易测量。根据直流电机
２］；问性和对电机参数不确定性的稳健性来保证［
，因而其安全性
也日益成为人们关注的焦点。在不影响车辆舒适性和方便性的前提下，设计能够有效解决上述安全隐患的防夹电动车窗已是一种必然，具有十分重要的意义。在同类设计中一般都采用传统的实时性和稳定性都较差的前后台系统。本文针对前后台系统的不足和电动车窗系统安全性和实时响应性要求，给出了基于嵌入式实时操作系统 μ Ｃ／ＯＳＩＩ的设计方案，同时采用功能强大、抗干扰能力强的意法半导体公司的ＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机作为核心处理器，研究了能解决上述安全隐患的防夹电动车窗控制系统，以提升汽车的行车安全和人性化程度。
［１］
运行过程中的正常和异常情况，需要解决以下问题：１）判定当前车窗玻璃是在上升还是在下降；２）确定车窗玻璃的当前位置；３）确定车窗电机的当前负载；４）异常情况发生时的快速实时响应；５）防夹算法的鲁棒性和自适应性；６）驾驶员对车窗系统的优先控制权。问题１，可以通过按键监测程序检测用户的按键输入来解决；问题２，可以通过电机轴上的霍尔传感器的霍尔脉冲计数来计算；问题３，可以通过采样车窗电机电枢电流来间接计算；问题４，可以Ｔ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ微处理器和通过采用功能强大的Ｓ嵌入式实时操作系统 μ Ｃ／ＯＳＩＩ来保证；问题５，可以利用直流电机负载转矩变化率本身的快速响应
＋中图分类号：ＴＰ２７１．４文献标识码：Ａ
文章编号：１６７４－８４２５（２０１１）０３－０００１－０５
ＳｔｕｄｙａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡｎｔｉＰｉｎｃｈＷｉｎｄｏｗＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓ
第２５卷第３期
重庆理工大学学报（自然科学）
２０１１年３月
Ｍａｒ．２０１１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．３
图２车窗系统网络结构
பைடு நூலகம்
廖强，等：汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发３
６］。这模块中的霍尔传感器来感应对应的磁场［
２电动车窗系统硬件设计
２．１硬件总体设计电动车窗系统的机械传动部分与传统摇动式车窗基本相同，控制系统硬件部分一般由微处理器、霍尔传感器、固态继电器、直流电机、开关组等
车窗的分布式控制。驾驶员车窗控制器还可以通过ＣＡＮ网络与车身中央控制器联网，接入整车的分所示。布式控制网络。车窗系统网络结构如图２
图１电动车窗防夹区域
２）防夹阈值力定义为１００Ｎ。３）当遇到障碍物时，车窗电机反向，车窗玻璃下降一段距离后停止，等待用户的进一步指令。１．２设计原理要使电动车窗安全可靠地工作，并实时响应
图５电枢电流采样原理
在图５中，流过电机电枢的电流经过电阻Ｒ３采样后，输入到集成运放ＬＭ１０７的同相输入端，经Ｔ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机的Ａ／Ｄ转放大后输入到ＳＤ０。电容起滤波作用，稳压管Ｄ１起换的０通道Ｐ稳压作用，保护微处理器。根据相关的电路理论，可以得到Ｒ４ｖ（ｔ）＝ｉ（ｔ） ·Ｒ ·（１＋）＝０．１３ｉ（ｔ）（１）３Ｒ５ＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机的Ａ／Ｄ转换精度为１０位，，设Ａ／Ｄ转换结果为ｖ（ｔ），由Ａ／参考电压为５ＶｄＤ转换相关理论可以得到：５ｖ（ｔ）＝１ ·ｖ（ｔ）ｄ２０由式（１）和（２）可以得到：
题６，可以通过将４个车窗子系统通过ＬＩＮ总线连
１电动车窗系统分析
１．１设计要求为了有效实现电动车窗的防夹功能，需要定义车窗的防夹区域、防夹阈值力、防夹执行动作。这里参照美国ＭＶＳＳ１１８或欧洲７４／６０／ＥＥＣ标准：１）防夹区域定义为从离门窗顶端４ｍｍ到２００ｍｍ的区域，如图１所示。
汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发
，ｂ廖强ａ，程金堂ａ，张衡ａ
（重庆大学ａ．机械传动国家重点实验室；ｂ．机械工程学院，重庆４０００３０）
摘要：针对电动车窗系统的安全性和实时响应性要求，采用现代微机检测与控制技术设计了基于ＳＴ７２Ｆ３２４ＢＪ４ＴＣ单片机与 μ Ｃ／ＯＳＩＩ嵌入式实时操作系统的防夹电动车窗控制系统。该系统采用霍尔传感器测定车窗玻璃升降时的实时位置，选择直流电机负载转矩变化率作为障碍物检测的判断指标。应用结果表明，该控制系统运行稳定、可靠，响应快，抗干扰能力强，具有一定的实用性和推广价值。关键词：电动车窗；防夹；转矩变化率；Ｃ／ＯＳＩＩ；ＬＩＮ总线 μ
ａ，ｂａａＬＩＡＯＱｉａｎｇ，ＣＨＥＮＧＪｉｎｔａｎｇ，ＺＨＡＮＧＨｅｎｇ
（ａ．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｂ．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３０，Ｃｈｉｎａ）