车窗防夹控制方案

引言

随着现代汽车电子技术的进步,汽车内传统的零部件及总成也在向机电一体化发展。汽车中大量应用的电子设备,不仅提高了汽车的舒适性,也对汽车的安全性提出了新的要求，为了方便驾驶员和乘客,大量汽车采用电动车窗,许多电动车窗都不具有防夹功能。在电动车窗正常上升过程中，当在任意位置有物体被夹住时，控制器会立即停止上升动作，并自动返回到下死点，然后立即断电停机，以释放被夹物，保护司乘人员的安全。

1、电动车窗防夹设计方案

所谓防夹,就是指在电动车窗上升过程中夹住物体并达到一定力度后,让电动车窗自动停止或回落,用以防止物体(尤其是人体)被夹伤。车窗的升降过程中,只有车窗上升阶段需要进行防夹控制,所定义的防夹区为从离电动车窗玻璃无障碍上升运动的最大位置(顶端)4~200mm的区域。

本方案设计以标志206的车窗电机为例，电机的供电电压11～15V，工作电流不大于15A，堵转电流低于28A。车门控制模块的电路主要由以下几部分组成：电源电路、微控制器部分、电动车窗驱动电路、总线接口电路等，车窗控制模块的框图见图1。车窗控制的按键采集由专门的开关采集模块采样。开关采集模块作为LIN系统的主节点，把采集的控制命令通过LIN总线发送给车窗控制模块。其中MCU（微控制器）采用单片机PIC18F2580，该单片机片内集成了A/D，PWM，CAN控制器，URA T，SPI等功能。采用单片机PIC18F2580控制功率器件的开关动作，同时对系统状态进行实时监控，接收故障反馈信号，并通过车载网络实现与中央车身控制器及其他车门控制器的故障信息和按键控制信息的交换，从而及时在用户界面上显示故障内容并对车门进行实时控制，确保了行车安全。

1.1 基本原理

电动防夹车窗的基本原理是加装一组电流感应器，用来监测电机转速，在电动窗升起过程中，一旦电机转速减缓，感应器会认为有异物夹住，这时，电流反向使电动窗下降。目前，实现防夹功能的技术方法这里采用压力传感。

压力传感方式则是利用霍尔器件来监测车窗的运动：当运动中的车窗受到横向或正向压力时，它会给电动马达带来更大的负载，并增加电动马达中的电流，当该电流增加到一定程度时，该方案的算法就认为电动车窗的玻璃在上升过程中遇到了真实的阻力，于是发出指令要求电动机停转或反转，从而有效和可靠地实现了防夹功能。

1.2 车窗位置的确定

车窗控制电机的旋转会带动钢丝绳的运动,从而控制车窗的上下移动。在车窗移动过程中,电机转动的圈数和车窗的运动距离成正比,电机转子转动一周,会使霍尔传感器产生方波脉冲信号。当车窗从最低位置升到顶部过程中,可以通过MCU对霍尔传感器输出的脉冲信号进行计数,从车窗的最底端到最顶端,上下反复3次,取其平均值nth,作为标定的基准,并记录在E2PROM中。之后,软件控制从车窗的最底端位置开始运行(此时为人工操控,车窗运行到最底端,电机堵转),且计数从零开始,上升过程根据当前的计数值进行加计数,下降过程根据当前的计数值进行减计数。

1.3 防夹方案的确定

防夹时的电机电枢电流阈值i 的确定,即在防夹区域内电流值上升到所设定的阈值后即认为遇到障碍物,启动车窗防夹功能。这里存在的问题是:车窗按键刚刚按下(无论是上升或下降),车窗电机刚刚启动时,由于电机的反电动势还没有建立,因而电流会有短时间的较大幅值,这时的电流幅值往往比所设定的防夹电流阈值还要大,需要将这种电流幅值较大的状态和在车窗上升过程中遇到障碍物产生的电机堵转电流区分开来。车窗电机启动后延时50ms后,再进行电流检测,这样可以避免电机启动初期电流瞬时过冲对防夹电流阈值设定的影响。实际设计中,应用一块可用于诊断功能的中央控制器,配合武汉吉阳光电公司生产的USB-CAN200工具,将运行过程中的数据反馈到PC机上,以Excel表格方式呈现,并可绘出图形,进而方便地定出阈值ith,并通过多次运行试验确定合适的阈值。

2、电动防夹车窗系统的电路设计

车窗控制系统通过智能功率芯片驱动直流电机转动，两片智能功率芯片构成驱动桥电路，驱动车窗上升或下降。T1和T4导通时，车窗上升；T2和T3导通时，车窗下降。系统设有主动制动过程，车窗移好之后，上管触发信号停，通过该桥臂下管反并联二极管续流，直到电流为0。续流过程持续250ms，足以满足车窗电机大功率的需求。为了避免车窗电机启动瞬间出现电流尖峰，通过对下桥臂开关管进行频率为20kHz的PWM信号控制，实现软启动功能。

智能功率芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平时启动芯片。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，Out1引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，Out2引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。

智能功率芯片具有电流检测功能。正常模式下，从检测引脚流出的电流与流经高边MOS管的电流成正比；在故障条件下，检测引脚最后的效果为高电平。无论是先上电后短路还是先短路后上电，智能驱动芯片都呈现出相同的保护特性。

软件的设计

介绍

系统的软件设计不但要考虑控制的方便性,也要考虑将来功能的扩展性[9]。因此,本系统的软件设计基于实时操作系统,即首先将C/OS-实时操作系统内核

移植到XC164CSMCU上,之后将防夹车窗控制以其中的一个任务的方式添加上去。C/OS-实时操作系统内核移植所做的移植,就是将C/OS-实时内核移植到XC164CS 微控制器上。由于C/OS-在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现,所以一些与处理器相关的代码要用汇编语言写,但大部分的C/OS-代码用C语言编写。移植工作主要使C/OS-正确定义和使用XC164CS。具体请参考本文作者撰写的文章,此处不再赘述。

防夹电动车窗软件设计具体方案

在所设计的硬件平台上将C/OS-实时操作系统移植后,将防夹电动车窗控制以任务方式加入,并参照前文内容实现防夹功能,其流程图如图4所示。

控制器XC164CS上电启动时,从E2PROM中读取nth,ith等初始数据,检测电源电压,当电压值平稳后,读取E2PROM中存储的车窗位置,然后读取按键输入,如果有升降车窗操作,就设置对应的开关信号来驱动芯片BTS781中的MOS管

T1,T2,T3,T4。如果车窗向上运动,计时器开始计时,霍尔传感器脉冲信号加计数,延时50ms后,检测电流值是否过流,在车窗上升过程中如果检测到了过流信号,即车窗电机的电流值大于电流阈值ith,而车窗位置又处于防夹启动区域,则判定车窗遇堵,控制器就输出方向开关信号,通过MOS管T1,T2,T3,T4驱动电机反转1s后停止,防夹操作完成。不论电机升降运动,控制器都会通过计数程序记录霍尔传感器的脉冲信号数,据此可判断车窗的相对位置,并在需要时把该位置信息写入E2PROM。