趙建才，褚建東，汪志，王靜冬

(建新趙氏集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315615)

0 引言

電動(dòng)天窗是一個(gè)車內(nèi)部件，它的正常使用關(guān)乎車內(nèi)人員的安全。電動(dòng)天窗的功能失效時(shí)常造成車內(nèi)人員特別是小孩的誤夾傷。隨著電動(dòng)天窗使用的普遍性，電動(dòng)天窗的防夾研究逐漸成為科研人員的研究熱點(diǎn)。周易[1]研發(fā)一種霍爾信號(hào)加上電機(jī)電流檢測(cè)的防夾系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電動(dòng)天窗關(guān)閉遇到障礙物時(shí)能自動(dòng)識(shí)別并使搖窗電機(jī)反轉(zhuǎn)。張志敏等[2]采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于PIC18F2480微控制器及自動(dòng)代碼生成器的智能電動(dòng)天窗控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用霍爾傳感器測(cè)定天窗玻璃開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)位置，選擇永磁電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率作為障礙物檢測(cè)判斷指標(biāo)。李岳林等[3]基于MATLAB對(duì)轎車電動(dòng)天窗防夾系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。黃啟海等[4]基于靜態(tài)防夾基本原理，提出了ATS算法的防夾原理，在控制過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)更新數(shù)據(jù)，補(bǔ)償外界環(huán)境因素對(duì)防夾力的影響。史敏杰[5]研究了如何通過(guò)模糊控制算法和跟隨防夾策略來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)天窗的防夾功能。

電動(dòng)天窗在正常使用時(shí)的防夾功能是指天窗玻璃在自動(dòng)關(guān)閉過(guò)程中遇到人體，當(dāng)夾緊力達(dá)到一定值后天窗會(huì)停止關(guān)閉并立即退回一定距離，避免人體受到損傷。本文作者根據(jù)天窗電機(jī)控制原理，分析了電動(dòng)天窗的防夾功能原理和防夾失效模式，提出了失效模式應(yīng)對(duì)措施，防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

1 防夾功能原理

天窗電機(jī)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器組成(如圖1所示)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞上裝有磁環(huán)，控制器相對(duì)應(yīng)的位置上裝有兩個(gè)霍爾轉(zhuǎn)速感應(yīng)器。

當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中磁環(huán)的磁信號(hào)被霍爾轉(zhuǎn)速感應(yīng)器捕捉，由此控制器可以接收到霍爾脈沖信號(hào)。當(dāng)天窗在關(guān)閉過(guò)程中夾到物體時(shí)，天窗會(huì)受到該物體的反饋力使天窗移動(dòng)速度下降，同時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)下降。此時(shí)控制器接收到霍爾信號(hào)的脈寬會(huì)增大，通過(guò)前后兩段固定時(shí)間內(nèi)的霍爾脈寬的對(duì)比分析，可以模擬計(jì)算出天窗在該位置的轉(zhuǎn)速突變值ΔK。給這個(gè)轉(zhuǎn)速突變值ΔK設(shè)置一個(gè)門限值KA，當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到ΔK≥KA時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)天窗的反轉(zhuǎn)程序，即實(shí)現(xiàn)防夾功能。天窗電機(jī)控制原理圖如圖2所示。

圖2 天窗電機(jī)控制原理

2 防夾失效模式

防夾失效體現(xiàn)為兩個(gè)方面：(1)天窗防夾力過(guò)小，表現(xiàn)為天窗在自動(dòng)關(guān)閉過(guò)程中過(guò)于敏感，稍有振動(dòng)便會(huì)反轉(zhuǎn)后退，甚至天窗自身的運(yùn)行阻力變化都會(huì)導(dǎo)致天窗反轉(zhuǎn)后退，此類未夾到物體就觸發(fā)的反轉(zhuǎn)后退現(xiàn)象稱之為誤防夾。出現(xiàn)誤防夾問(wèn)題的天窗不能滿足天窗正常關(guān)閉功能，屬于功能失效。(2)防夾力過(guò)大或防夾功能不能觸發(fā)，此現(xiàn)象是有可能出現(xiàn)的，因?yàn)榉缞A反轉(zhuǎn)的觸發(fā)是由天窗受到阻力后通過(guò)控制器計(jì)算得到轉(zhuǎn)速突變值ΔK，再判斷ΔK是否超過(guò)設(shè)定值KA決定的。假如天窗受到阻力是緩慢增大的，那么ΔK就一直小于KA，天窗的夾緊力就會(huì)慢慢變大，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)到ΔK≥KA，天窗才會(huì)反轉(zhuǎn)。此時(shí)夾緊力有可能已經(jīng)大于100 N，甚至防夾功能沒(méi)有被觸發(fā)而發(fā)生卡死現(xiàn)象。出現(xiàn)防夾力過(guò)大問(wèn)題的天窗不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，屬于功能違規(guī)。

表1為天窗防夾國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。

表1 天窗防夾國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

對(duì)于上文中提及的防夾力過(guò)大或防夾功能不能觸發(fā)問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，此效果是被需要的，例如天窗在外界環(huán)境中長(zhǎng)期暴露，軌道進(jìn)灰或者枝葉掉入其中造成阻力變大，或者在寒冷地區(qū)天窗軌道中有結(jié)冰現(xiàn)象，此時(shí)就需要天窗能夠克服緩慢增大的阻力來(lái)關(guān)閉天窗。由以上設(shè)計(jì)需求可以看出，天窗防夾的設(shè)定無(wú)法兼顧所有的狀況，需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)平衡此需求。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中就形成了對(duì)防夾測(cè)試方式、測(cè)試彈簧系數(shù)、防夾范圍、防夾力要求的約定，以此來(lái)統(tǒng)一防夾力的設(shè)計(jì)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。天窗防夾國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為歐標(biāo)(74/60/EEC、2000/4/EC)、ECE R21及美標(biāo)(FMVSS118)，國(guó)標(biāo)GB 11552-2009修改采用的是ECE R21。

3 失效模式應(yīng)對(duì)措施

對(duì)于防夾力過(guò)大或過(guò)小的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)門限值KA(見(jiàn)圖3)進(jìn)行合理取值可以解決，該取值過(guò)程稱之為靜態(tài)防夾力標(biāo)定。根據(jù)防夾法規(guī)所允許的設(shè)計(jì)要求，對(duì)天窗防夾力參數(shù)進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，使天窗在各種條件下其防夾力均能達(dá)到法規(guī)要求而又不出現(xiàn)誤防夾現(xiàn)象的參數(shù)設(shè)定。它需要標(biāo)定的靜態(tài)環(huán)境包括環(huán)境溫度-35～85 ℃，以及電壓環(huán)境9～16 V。

實(shí)際上僅僅標(biāo)定門限值KA是不夠的，因?yàn)樘齑斑€有可能出現(xiàn)失效模式中所提及的振動(dòng)導(dǎo)致的反轉(zhuǎn)后退問(wèn)題，對(duì)于該問(wèn)題的解決方案同樣是從霍爾信號(hào)的脈寬分析入手。天窗在受到振動(dòng)與受到障礙物阻擋時(shí)所表現(xiàn)出的脈寬變化是不一樣的：實(shí)車的振動(dòng)對(duì)于天窗來(lái)說(shuō)是一種低頻的阻力變化，所表現(xiàn)出的脈寬特征為間斷性出現(xiàn)較大脈寬，數(shù)量少，不連續(xù)；而受到障礙物阻擋時(shí)阻力變化是連續(xù)的，所表現(xiàn)出的脈寬特征為連續(xù)的遞增性的變大。據(jù)此控制器可識(shí)別出天窗處于振動(dòng)狀態(tài)還是障礙物夾緊狀態(tài)。所以天窗防夾力標(biāo)定還需要調(diào)整控制器對(duì)振動(dòng)識(shí)別的靈敏度，這就需要天窗裝于整車上進(jìn)行壞路測(cè)試標(biāo)定，以確保天窗能克服一般壞路的顛簸振動(dòng)。

對(duì)于天窗在極限條件下可能出現(xiàn)的防夾功能不能觸發(fā)問(wèn)題，天窗設(shè)計(jì)有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。當(dāng)天窗遇到障礙物卡死時(shí)，控制器收到霍爾信號(hào)不再變化，則判斷為堵轉(zhuǎn)。如該事件發(fā)生時(shí)間超過(guò)一個(gè)設(shè)定時(shí)間，如120 ms，則控制器會(huì)中斷供電，再立即反向供電，使天窗退回到一個(gè)設(shè)定的距離，確保被夾物體可以被松開(kāi)。

圖3 天窗防夾分析系統(tǒng)

4 結(jié)論

根據(jù)天窗電機(jī)控制原理，分析了電動(dòng)天窗的防夾失效模式，提出了失效模式的應(yīng)對(duì)措施，以防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

通過(guò)實(shí)踐證明，采取的失效模式的應(yīng)對(duì)措施能夠確保天窗在防夾功能方面安全可靠。隨著天窗防夾技術(shù)的不斷發(fā)展，還有更為精細(xì)的控制策略正在被不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)，天窗的防夾安全性能也隨之持續(xù)提高。