汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发

收稿日期： 2011 － 01 － 18 2008AC3026 ） 基金项目： 重庆市科技攻关计划项目（ CSTC， 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。
2 重庆理工大学学报 电动车窗是通过车载电源来驱动车窗玻璃升 存在着夹 降的。车窗玻璃自动升降功能的引入， 伤乘客甚至导致其死亡的危险
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 放大后输入到 ST72F324BJ4TC 单片机的 A / D 转 换的 0 通道 PD0 。电容起滤波作用， 稳压管 D1 起 稳压作用， 保护微处理器。 根据相关的电路理论， 可以得到 v（ t ） = i （ t ） ·R3 ·（ 1 + R4 ） = 0 ． 13 i（ t） （ 1 ） R5
ST72F324BJ4TC 单片机的 A / D 转换精度为 10 位，Байду номын сангаас
图4 霍尔脉冲采集原理
参考电压为 5 V， 设 A / D 转换结果为 v d （ t ） ， 由 A/ D 转换相关理论可以得到： v（ t ） = 5 ·v d （ t ） 2 10 （ 2）
在图 4 中， 左边半部分是硬件的实际安装图， 右边半部分是硬件的实际电路图。 安装时， 在电 机的输出轴上对称地埋植 4 枚磁钢片， 通过电子
Abstract： Aiming at the requirements of security and realtime responsiveness for power window system， The paper designed an antipinch power window control systems based on the ST72F324BJ4TC microcontroller and μC / OSII realtime operating system with modern microcomputer measure and control technology． The system determines the realtime position of the moving window glass with Hall sensor and selects the torque rate of DC motor shaft as the judgment of indicators of obstacle detection． The application shows that the system is running stable，reliable，fast response and strong antiinterference． The technology and methods adopted in the system are practical and worthy of using abroad． Key words： power window ； antipinch； torque rate； μC / OSII； LIN bus
。通过驾驶员车窗系统可以实现对整车 4 个
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 布式控制网络。车窗系统网络结构如图 2 所示。
图1
电动车窗防夹区域
2 ） 防夹阈值力定义为 100 N。 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
第 25 卷
第3 期
重 庆 理 工 大 学 学 报（ 自然科学）
2011 年 3 月
Mar． 2011 Journal of Chongqing University of Technology（ Natural Science） Vol． 25 No． 3
由式（ 1 ） 和（ 2 ） 可以得到：
4 重庆理工大学学报 i（ t） = 500 ·v d （ t ） （ 13 ·2 10 ） （ 3） 3． 2 II 的移植与应用程序设计 μC / OSST72F324BJ4TC 微处理器内部时钟频率为 8 MHz， 1k 字节 RAM， 10bit 拥有 32k 字节 HDFlash， ADC［9］， 是汽车上用得较多的 8 位微处理器， 功能 抗干扰能力强， 其内部资源完全能满足本文 强大， 提出的设计方案。 II 在移植的时候用户只需要关心 5 个 μC / OSIN文件： 2 个与应用程序相关的文件 OS_CFG． H、 CLUDES． H， 3 个与处理器相关的文件 OS _ CPU． OS_CPU_A． ASM、 OS_CPU_C． C［10］。 H、 为了便于软件的编写、 测试、 修改和维护， 在 采用模块化、 结构化和参数化的设计 软件设计中， 方法， 并采用标准 C 语言来实现各功能应用程序。 应用程序 包 括 硬 件 初 始 化、 软 件 初 始 化、 按键监 A / D 转换、 LIN 通讯、 测、 脉冲计数、 障碍物检测、 电机执行动作控制。 在具体实现上， 利用 μC / OSII 对多任务的支持， 建立了 4 个任务： void Task_KeyScan（ void* pdata） ； 按键监测， void Task _PulseCount （ void * pda脉冲计数， ta） ； void Task _ObsDetc （ void * pda障碍物检测， ta） ； void Task_DcCtrl（ void* pdata） ； 电机控制， 经任务堆栈检验， 设定每个任务的堆栈大小 为 128B 较为合理。4 个任务的任务优先级依次设 12 ， 11 ， 10 。 定为 13 ，
［6 ］
。这
电机轴转动一周， 霍尔传感器就会输出 4 个脉 样， 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 负载转矩与其电枢电流之间的线性关系 量方案。电枢电流采样原理
；问
1
1． 1
电动车窗系统分析
设计要求 为了有效实现电动车窗的防夹功能， 需要定
题 6， 可以通过将 4 个车窗子系统通过 LIN 总线连
防夹阈值力、 防夹执行动作。 义车窗的防夹区域、 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 4 mm 到 200 mm 的区域， 如图 1 所示。
+ 中图分类号： TP271 ． 4
Study and Development of AntiPinch Window Control Systems
b LIAO Qiang a， ， CHENG Jintang a ， ZHANG Heng a
（ a． State Key Laboratory of Mechanical Transmission； b． College of Mechanical Engineering， Chongqing University，Chongqing 400030 ，China）
［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 可以通过电机轴上的霍尔 键输入来解决； 问题 2 ， 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 通过采用功能强大的 ST72F324BJ4TC 微处理器和 II 来保证； 问题 5 ， 可 嵌入式实时操作系统 μC / OS以利用直流电机负载转矩变化率本身的快速响应 性和对电机参数不确定性的稳健性来保证 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 统通过 LIN 总线连成网络。驾驶员子车窗系统为 LIN 总线的主节点， 剩下的 3 个子车窗系统为从节 点
图2 车窗系统网络结构
3 廖 强， 等： 汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发
2
2． 1
电动车窗系统硬件设计
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
模块中的 霍 尔 传 感 器 来 感 应 对 应 的 磁 场
［8 ］ ［7 ］
控制系统硬件部分一般由微处理 车窗基本相同， 器、 霍尔传感器、 固态继电器、 直流电机、 开关组等 组成。电动车窗硬件总体结构
［4 － 5 ］
如图 3 所示。
， 本文
采用测量电枢电流来间接得到电机负载转矩的测 如图 5 所示。
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
汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发
廖
（ 重庆大学
a， b a 强 ， 程金堂 ， 张
衡
a
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
II 嵌入式实时操作系统的防夹电动车窗控制系统。 计了基于 ST72F324BJ4TC 单片机与 μC / OS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 该控制系统运行稳定、 可靠， 响应快， 抗干扰能力强， 具有 碍物检测的判断指标。应用结果表明， 一定的实用性和推广价值。 关 键 II； LIN 总线 词： 电动车窗； 防夹； 转矩变化率； μC / OS文献标识码： A 文章编号： 1674 － 8425 （ 2011 ） 03 － 0001 － 05
［ 3 ］ ［2 ］
， 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 II 的 求， 给出了基于嵌入式实时操作系统 μC / OS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。
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。