廖 強(qiáng)，程金堂，張 衡

(重慶大學(xué)a.機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶400030)

電動(dòng)車(chē)窗是通過(guò)車(chē)載電源來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)窗玻璃升降的。車(chē)窗玻璃自動(dòng)升降功能的引入，存在著夾傷乘客甚至導(dǎo)致其死亡的危險(xiǎn)［1］，因而其安全性也日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在不影響車(chē)輛舒適性和方便性的前提下，設(shè)計(jì)能夠有效解決上述安全隱患的防夾電動(dòng)車(chē)窗已是一種必然，具有十分重要的意義。

在同類(lèi)設(shè)計(jì)中一般都采用傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都較差的前后臺(tái)系統(tǒng)。本文針對(duì)前后臺(tái)系統(tǒng)的不足和電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)安全性和實(shí)時(shí)響應(yīng)性要求，給出了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)采用功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)的意法半導(dǎo)體公司的ST72F324BJ4TC單片機(jī)作為核心處理器，研究了能解決上述安全隱患的防夾電動(dòng)車(chē)窗控制系統(tǒng)，以提升汽車(chē)的行車(chē)安全和人性化程度。

1 電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

為了有效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)窗的防夾功能，需要定義車(chē)窗的防夾區(qū)域、防夾閾值力、防夾執(zhí)行動(dòng)作。這里參照美國(guó)MVSS118或歐洲74/60/EEC標(biāo)準(zhǔn):

1)防夾區(qū)域定義為從離門(mén)窗頂端4 mm到200 mm的區(qū)域，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)車(chē)窗防夾區(qū)域

2)防夾閾值力定義為100 N。

3)當(dāng)遇到障礙物時(shí)，車(chē)窗電機(jī)反向，車(chē)窗玻璃下降一段距離后停止，等待用戶(hù)的進(jìn)一步指令。

1.2 設(shè)計(jì)原理

要使電動(dòng)車(chē)窗安全可靠地工作，并實(shí)時(shí)響應(yīng)運(yùn)行過(guò)程中的正常和異常情況，需要解決以下問(wèn)題:

1)判定當(dāng)前車(chē)窗玻璃是在上升還是在下降;

2)確定車(chē)窗玻璃的當(dāng)前位置;

3)確定車(chē)窗電機(jī)的當(dāng)前負(fù)載;

4)異常情況發(fā)生時(shí)的快速實(shí)時(shí)響應(yīng);

5)防夾算法的魯棒性和自適應(yīng)性;

6)駕駛員對(duì)車(chē)窗系統(tǒng)的優(yōu)先控制權(quán)。

問(wèn)題1，可以通過(guò)按鍵監(jiān)測(cè)程序檢測(cè)用戶(hù)的按鍵輸入來(lái)解決;問(wèn)題2，可以通過(guò)電機(jī)軸上的霍爾傳感器的霍爾脈沖計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算;問(wèn)題3，可以通過(guò)采樣車(chē)窗電機(jī)電樞電流來(lái)間接計(jì)算;問(wèn)題4，可以通過(guò)采用功能強(qiáng)大的ST72F324BJ4TC微處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II來(lái)保證;問(wèn)題5，可以利用直流電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率本身的快速響應(yīng)性和對(duì)電機(jī)參數(shù)不確定性的穩(wěn)健性來(lái)保證［2］;問(wèn)題6，可以通過(guò)將4個(gè)車(chē)窗子系統(tǒng)通過(guò)LIN總線(xiàn)連成主從網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

汽車(chē)的4個(gè)車(chē)門(mén)車(chē)窗系統(tǒng)的構(gòu)成基本相同。為了系統(tǒng)的集成與管理上的方便，將4個(gè)車(chē)窗子系統(tǒng)通過(guò)LIN總線(xiàn)連成網(wǎng)絡(luò)。駕駛員子車(chē)窗系統(tǒng)為L(zhǎng)IN總線(xiàn)的主節(jié)點(diǎn)，剩下的3個(gè)子車(chē)窗系統(tǒng)為從節(jié)點(diǎn)［3］。通過(guò)駕駛員車(chē)窗系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)4個(gè)車(chē)窗的分布式控制。駕駛員車(chē)窗控制器還可以通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與車(chē)身中央控制器聯(lián)網(wǎng)，接入整車(chē)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。車(chē)窗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車(chē)窗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)部分與傳統(tǒng)搖動(dòng)式車(chē)窗基本相同，控制系統(tǒng)硬件部分一般由微處理器、霍爾傳感器、固態(tài)繼電器、直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)組等組成。電動(dòng)車(chē)窗硬件總體結(jié)構(gòu)［4－5］如圖3所示。

圖3 電動(dòng)車(chē)窗硬件總體結(jié)構(gòu)

2.2 霍爾定位部分硬件設(shè)計(jì)

霍爾傳感器是電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)的主要信號(hào)采集元件。日本Allegro公司的A3187EU霍爾傳感器內(nèi)部集成施密特觸發(fā)器，輸出的脈沖信號(hào)不需要額外的整形電路，輸出端(OUT)直接連到ST72F324BJ4TC單片機(jī)的輸入捕獲端口PC3。另外，ST72F324BJ4TC單片機(jī)的I/O口(PA4～PA7)接到A3187EU的地端(GND)，可在直流電機(jī)不工作時(shí)關(guān)斷傳感器以降低靜態(tài)電流消耗，電容起濾波作用?；魻柮}沖采集原理如圖4所示。

圖4 霍爾脈沖采集原理

在圖4中，左邊半部分是硬件的實(shí)際安裝圖，右邊半部分是硬件的實(shí)際電路圖。安裝時(shí)，在電機(jī)的輸出軸上對(duì)稱(chēng)地埋植4枚磁鋼片，通過(guò)電子模塊中的霍爾傳感器來(lái)感應(yīng)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)［6］。這樣，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，霍爾傳感器就會(huì)輸出4個(gè)脈沖，然后通過(guò)ST72F324BJ4TC單片機(jī)的輸入捕獲功能對(duì)霍爾傳感器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。車(chē)窗玻璃下降時(shí)脈沖個(gè)數(shù)減少，車(chē)窗玻璃上升時(shí)脈沖個(gè)數(shù)增加。

2.3 電流采樣部分硬件設(shè)計(jì)

相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，車(chē)窗玻璃在上升過(guò)程中，遇到障礙物的瞬間，電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)突然增大。因此，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率對(duì)障礙物是非常敏感的，其閾值可以作為障礙物檢測(cè)的判斷指標(biāo)。然而，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩不易測(cè)量。根據(jù)直流電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與其電樞電流之間的線(xiàn)性關(guān)系［7］，本文采用測(cè)量電樞電流來(lái)間接得到電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方案。電樞電流采樣原理［8］如圖5所示。

圖5 電樞電流采樣原理

在圖5中，流過(guò)電機(jī)電樞的電流經(jīng)過(guò)電阻R3采樣后，輸入到集成運(yùn)放LM107的同相輸入端，經(jīng)放大后輸入到ST72F324BJ4TC單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換的0通道PD0。電容起濾波作用，穩(wěn)壓管D1起穩(wěn)壓作用，保護(hù)微處理器。

根據(jù)相關(guān)的電路理論，可以得到

ST72F324BJ4TC單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換精度為10位，參考電壓為5 V，設(shè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為vd(t)，由A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)理論可以得到:

由式(1)和(2)可以得到:

由式(3)可以看出，直流電機(jī)的電樞電流與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果vd(t)之間是線(xiàn)性關(guān)系，因此，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間也是線(xiàn)性關(guān)系，那么，選擇A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的變化率作為障礙物檢測(cè)的判斷指標(biāo)是合理的，而且與參考電壓無(wú)關(guān)。

3 電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 防夾算法設(shè)計(jì)

防夾算法的設(shè)計(jì)主要從2個(gè)方面考慮:其一防夾閾值力法，其二電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率閾值法。實(shí)現(xiàn)時(shí)轉(zhuǎn)換為電機(jī)電樞電流變化率閾值法。

根據(jù)美國(guó)MVSS118或歐洲74/60/EEC標(biāo)準(zhǔn)得到，防夾閾值力為100 N。文獻(xiàn)［11］指出，為了解決由于霍爾傳感器性能退化和實(shí)際駕駛環(huán)境引起的干擾問(wèn)題，采用H∞濾波狀態(tài)估算技術(shù)，得出轉(zhuǎn)矩變化率的合理閾值由負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率絕對(duì)值的最小值的74%來(lái)決定。

因此，防夾算法的核心原理是當(dāng)車(chē)窗玻璃處于自動(dòng)上升或上升狀態(tài)時(shí)，通過(guò)霍爾脈沖計(jì)數(shù)法判定車(chē)窗玻璃進(jìn)入防夾區(qū)域，然后啟動(dòng)障礙物檢測(cè)程序監(jiān)測(cè)電機(jī)電樞電流大小以及變化率是否超過(guò)設(shè)定的閾值，進(jìn)而處理異常情況。軟件功能原理如圖6所示。

圖6 軟件功能原理

3.2 μC/OS-II的移植與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

ST72F324BJ4TC微處理器內(nèi)部時(shí)鐘頻率為8 MHz，擁有32k字節(jié)HDFlash，1k字節(jié)RAM，10bit ADC［9］，是汽車(chē)上用得較多的8位微處理器，功能強(qiáng)大，抗干擾能力強(qiáng)，其內(nèi)部資源完全能滿(mǎn)足本文提出的設(shè)計(jì)方案。

μC/OS-II在移植的時(shí)候用戶(hù)只需要關(guān)心5個(gè)文件:2個(gè)與應(yīng)用程序相關(guān)的文件OS_CFG.H、INCLUDES.H，3個(gè)與處理器相關(guān)的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C［10］。

為了便于軟件的編寫(xiě)、測(cè)試、修改和維護(hù)，在軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，并采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)各功能應(yīng)用程序。應(yīng)用程序包括硬件初始化、軟件初始化、按鍵監(jiān)測(cè)、脈沖計(jì)數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換、LIN通訊、障礙物檢測(cè)、電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作控制。在具體實(shí)現(xiàn)上，利用μC/OSII對(duì)多任務(wù)的支持，建立了4個(gè)任務(wù):

按鍵監(jiān)測(cè)，void Task_KeyScan(void*pdata);

脈沖計(jì)數(shù)，void Task_PulseCount(void*pdata);

障礙物檢測(cè)，void Task_ObsDetc(void*pdata);

電機(jī)控制，void Task_DcCtrl(void*pdata);

經(jīng)任務(wù)堆棧檢驗(yàn)，設(shè)定每個(gè)任務(wù)的堆棧大小為128B較為合理。4個(gè)任務(wù)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)依次設(shè)定為13，12，11，10。

4 電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)計(jì)

霍爾脈沖計(jì)數(shù)與車(chē)窗玻璃位置之間的關(guān)系，尤其是在防夾區(qū)域內(nèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)［12］創(chuàng)建一張霍爾脈沖計(jì)數(shù)與車(chē)窗玻璃升降高度之間的關(guān)系表，寫(xiě)入ST72F324BJ4TC單片機(jī)的EEPROM存儲(chǔ)器。同時(shí)為了消除回程誤差，車(chē)窗玻璃到達(dá)底端，脈沖計(jì)數(shù)清零;車(chē)窗玻璃到達(dá)頂端，設(shè)定脈沖計(jì)數(shù)為標(biāo)定的最大值。

車(chē)窗玻璃在防夾閾值力作用下的電機(jī)電樞電流也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，也寫(xiě)入到ST72F324BJ4TC單片機(jī)的EEPROM存儲(chǔ)器。然而，隨著車(chē)窗系統(tǒng)的老化，其值需要?jiǎng)討B(tài)更新，這個(gè)可以由實(shí)際程序在人為觸發(fā)異常時(shí)動(dòng)態(tài)改寫(xiě)。

電樞電流變化率的閾值按照文獻(xiàn)［11］中的結(jié)論取電樞電流變化率絕對(duì)值的最小值的74%。當(dāng)然電樞電流變化率的絕對(duì)值也需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

以汽車(chē)的左前門(mén)車(chē)窗控制器的設(shè)計(jì)為例說(shuō)明了整個(gè)車(chē)窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)中采用了霍爾脈沖定位法和電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率閾值法的設(shè)計(jì)原理。每個(gè)車(chē)窗都由獨(dú)立的微處理器ST72F324BJ4TC來(lái)控制，軟件上移植了支持多任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)性。另外，將4個(gè)車(chē)門(mén)車(chē)窗系統(tǒng)置于主從LIN網(wǎng)絡(luò)中以減少電氣走線(xiàn)，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的集成度。設(shè)計(jì)的防夾電動(dòng)車(chē)窗控制器在某車(chē)門(mén)上進(jìn)行了安全實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，證明了本文提出的設(shè)計(jì)方案和防夾算法是可行的。

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