江凱敏， 徐 偉， 陳文慶， 朱光歡

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院， 廣東 廣州 511434）

車(chē)窗防夾是一種常見(jiàn)的車(chē)窗保護(hù)技術(shù)，當(dāng)車(chē)窗在自動(dòng)上升過(guò)程中夾到人時(shí)，需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)保護(hù)，避免夾傷人。通常帶自動(dòng)上升的車(chē)窗都要帶防夾功能。

車(chē)窗防夾技術(shù)方案有許多種，有的是利用紋波防夾，通過(guò)采集紋波的個(gè)數(shù)判斷車(chē)窗位置，當(dāng)車(chē)窗進(jìn)入防夾區(qū)域而電流發(fā)生突變后進(jìn)行防夾保護(hù)，但是這種需要紋波電機(jī)的紋波比較高，需要紋波電機(jī)頻率穩(wěn)定，不能有額外的紋波干擾和頻率干擾，同時(shí)電機(jī)的紋波容易受到外界EMC的干擾；而有的是采用雙霍爾電機(jī)進(jìn)行防夾，通過(guò)雙霍爾信號(hào)的上升沿和下降沿來(lái)判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)霍爾電機(jī)轉(zhuǎn)速減小的速度來(lái)判斷是否觸發(fā)防夾門(mén)限而進(jìn)行車(chē)窗防夾反轉(zhuǎn)，但是雙霍爾電機(jī)相對(duì)比較貴。

本文主要介紹一種單霍爾信號(hào)及電流采樣的車(chē)窗防夾方案，其性價(jià)比較高：通過(guò)單個(gè)霍爾信號(hào)來(lái)判斷車(chē)窗位置，再通過(guò)電流采樣電路采集車(chē)窗電機(jī)電流，進(jìn)而判斷在防夾區(qū)域內(nèi)是否有電流突變，一旦電流突變大于防夾門(mén)限，則車(chē)身電機(jī)防夾反轉(zhuǎn)；同時(shí)當(dāng)車(chē)窗玻璃即將進(jìn)入邊框膠條時(shí)，提前關(guān)掉電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得車(chē)窗玻璃停于膠條和上硬停止點(diǎn)之間，達(dá)到上軟停效果；同時(shí)當(dāng)車(chē)窗玻璃快進(jìn)入車(chē)窗底部水切位置時(shí)，提前關(guān)掉電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得車(chē)窗玻璃停于水切和下硬停止點(diǎn)之間，達(dá)到下軟停效果，避免硬停產(chǎn)生過(guò)大電流而影響電機(jī)壽命。

1 系統(tǒng)電子架構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由電源芯片LDO NCV4275、ST的32位MCU S32K142EVB、雙刀繼電器G8K-27R和38 譯碼器SN78LS138芯片等組成。

LDONCV4275 輸入電壓是6～24V，穩(wěn)定輸出是5V 450mA，主要是給MCU供電；MCU S32K142EVB是車(chē)規(guī)級(jí)芯片，工作溫度-40～85℃，ArmTMCortex-M4F/M0+內(nèi)核，主頻可以達(dá)到112MHz，F(xiàn)lash 512kB，安全等級(jí)可以達(dá)到ASILB；繼電器采用歐姆龍的G8K-27R （12V 30A），用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；38譯碼器SN78LS138主要將MCU的3個(gè)IO口控制信號(hào)轉(zhuǎn)成低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制繼電器吸合驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；電機(jī)的霍爾傳感器信號(hào)Hall_Sensor1～4從電機(jī)端口出來(lái)是12V，經(jīng)過(guò)電阻分壓電路120K/33K的分壓后，輸入給MCU的電平控制在5V以內(nèi)，進(jìn)而保證MCU能夠準(zhǔn)確采集到霍爾傳感器信號(hào)。

當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)左前車(chē)窗上升時(shí)，MCU控制3個(gè)IO口信號(hào)：MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2、MCU_Realy_Cotrol1，使其等于0V，0V，0V，等效于邏輯電平000，于是控制左前Relay1繼電器上升控制信號(hào)FL_Realy_UP=0V，而FL_Realy_DOWN=12V，所 以Realy1 的COM1 吸 合 接 到KL30，而COM2保持默認(rèn)的位置接到GND，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)窗玻璃向上升起。

當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)左前車(chē)窗下降時(shí)，MCU控制3個(gè)IO口信號(hào)：MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2、MCU_Realy_Cotrol1，使其等于0V，0V，5V，等效于邏輯電平001，于是控制左前Relay1繼電器下降控制信號(hào)FL_Realy_DOWN=0V，而FL_Realy_UP=12V，所以Realy1的COM2吸合接到KL30，而COM1保持默認(rèn)的位置接到GND，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)窗玻璃向下降落。

當(dāng)系統(tǒng)控制左后窗上升時(shí)，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分別等于0V，5V，0V，等效于邏輯電平010；當(dāng)系統(tǒng)控制左后窗下降時(shí)，MCU_Realy_Cotrol3、 MCU_Realy_Cotrol2 和 MCU_Realy_Cotrol1分別等于0V，5V，5V，等效于邏輯電平011，其余控制邏輯與左前車(chē)窗保持一致。

當(dāng)系統(tǒng)控制右前窗上升時(shí)，MCU_Realy_Cotrol3，MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol3分別等于5V，0V，0V；等效于邏輯電平100，當(dāng)系統(tǒng)控制左后窗下降時(shí)，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分別等于5V，0V，5V，等效于邏輯電平101；其余控制邏輯與左前車(chē)窗保持一致。

當(dāng)系統(tǒng)控制右后窗上升時(shí)，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol3分別等于5V，5V，0V；等效于邏輯電平110，當(dāng)系統(tǒng)控制右后窗下降時(shí)，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分別等于5V，5V，5V，等效于邏輯電平111，其余控制邏輯與左前車(chē)窗保持一致。

圖1 電子架構(gòu)圖

2 防夾區(qū)間和防夾力要求

如圖2所示，按照歐標(biāo)74/60/EWG、國(guó)標(biāo)GB11552-2009和美標(biāo)FMVSS118的相關(guān)要求，防夾區(qū)間如黑影所示，距離膠條4～200mn區(qū)間需要防夾，防夾力小于100N。

圖2 車(chē)窗防夾區(qū)域

3 單霍爾脈沖判斷車(chē)窗防夾位置

車(chē)窗的防夾位置在距離膠條4～200mm的區(qū)域，為判斷車(chē)窗玻璃的具體位置，需要捕抓霍爾脈沖的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)來(lái)判斷車(chē)窗的具體位置，通常車(chē)窗玻璃的位置與霍爾脈沖的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)成正比。

如圖3所示，本方案的霍爾電機(jī)內(nèi)部采用4對(duì)磁極，S極、N極相互交替，間隔45°，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，S極、N極交替作用在霍爾傳感器上，霍爾傳感器感應(yīng)后會(huì)發(fā)送脈沖給MCU。

圖3 霍爾電機(jī)的磁盤(pán)與霍爾傳感器

霍爾傳感器放在磁盤(pán)邊上，電機(jī)系統(tǒng)通過(guò)4:1的傘齒輪測(cè)速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸端磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)，磁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)1/4周。因?yàn)樵O(shè)置4對(duì)磁極，霍爾傳感器在磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)會(huì)產(chǎn)生4個(gè)脈沖，這樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周會(huì)產(chǎn)生4×4=16個(gè)脈沖，圓柱磁盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈就是4×2=8個(gè)波形翻轉(zhuǎn)，故執(zhí)行結(jié)構(gòu)輸出1圈產(chǎn)生32個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，也就是輸出中心每旋轉(zhuǎn)360/32=11.25°，MCU計(jì)數(shù)1次。所以單片機(jī)輸出的位置分辨率為11.25°。MCU通過(guò)脈沖捕抓的方式抓取脈沖的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)，進(jìn)而確定車(chē)窗的位置。單霍爾脈沖的實(shí)測(cè)圖見(jiàn)圖4。

圖4 單霍爾信號(hào)實(shí)測(cè)圖

4 防夾原理

首先系統(tǒng)通過(guò)繼電器判斷車(chē)窗玻璃是否在上升狀態(tài)，再通過(guò)霍爾脈沖狀態(tài)翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)判斷是否進(jìn)入了防夾區(qū)域，當(dāng)進(jìn)入?yún)^(qū)域后通過(guò)50ms的電流變化率（需要標(biāo)定） 來(lái)判斷當(dāng)前的阻力是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)門(mén)限。當(dāng)滿足條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)防夾反轉(zhuǎn)，車(chē)窗玻璃下降150mm。

車(chē)窗防夾反轉(zhuǎn)必須滿足如下條件：①車(chē)窗玻璃處于自動(dòng)上升過(guò)程中；②車(chē)窗玻璃處于防夾區(qū)域中：4～200mm；③車(chē)窗玻璃遇到防夾阻力大于設(shè)定門(mén)限（最大不可以超過(guò)100N）。

5 上軟停和下軟停原理

如圖5所示，車(chē)窗位置A是車(chē)窗行程上止點(diǎn)，位置B是車(chē)窗上軟停點(diǎn)，位置C是車(chē)窗密封膠條下邊沿。

為了延長(zhǎng)電機(jī)壽命，減少電機(jī)到達(dá)上止點(diǎn)位置A時(shí)產(chǎn)生碰撞聲，通常車(chē)窗防夾系統(tǒng)需要在快到密封條下邊沿位置C時(shí)，提前關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，使得電機(jī)靠自己的慣性向上升到上軟停位置B；通常上軟停位置B需要標(biāo)定，應(yīng)該是介于上止點(diǎn)位置A和膠條下位置C之間。

車(chē)窗玻璃上邊沿與位置C之間的距離被稱(chēng)為車(chē)窗開(kāi)口尺寸，位置D是車(chē)窗開(kāi)口為4mm，位置E是車(chē)窗開(kāi)口為200mm，位置F是車(chē)窗下軟停點(diǎn)，位置G是車(chē)窗行程下止點(diǎn)。

圖5 車(chē)窗動(dòng)作范圍

為了延長(zhǎng)電機(jī)壽命，減少電機(jī)達(dá)到下止點(diǎn)位置F時(shí)產(chǎn)生碰撞聲，通常車(chē)窗防夾系統(tǒng)需要在快到水切位置時(shí)，提前關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，使得電機(jī)靠自己的慣性向下降到下軟停位置F，通常F位置需要標(biāo)定，應(yīng)該是介于下止點(diǎn)G和水切位置之間。

如圖6所示，當(dāng)車(chē)窗防夾系統(tǒng)進(jìn)行上軟停保護(hù)時(shí)，其電機(jī)沒(méi)有堵轉(zhuǎn)，電機(jī)為正常電流3～8A，這種情況下可以保護(hù)電機(jī)壽命，避免過(guò)熱；在上軟停以后，如果繼續(xù)手動(dòng)操作升窗時(shí)，車(chē)窗向上運(yùn)動(dòng)到硬停點(diǎn)堵轉(zhuǎn)硬停，此時(shí)堵轉(zhuǎn)電流很大，容易傷電機(jī)。

圖6 上軟停電流波形圖

如圖7所示，當(dāng)車(chē)窗防夾系統(tǒng)進(jìn)行下軟停保護(hù)時(shí)，其電機(jī)沒(méi)有堵轉(zhuǎn)，電機(jī)為正常電流3～8A，這種情況下可以保護(hù)電機(jī)壽命，避免過(guò)熱；在下軟停以后，如果繼續(xù)手動(dòng)操作降窗時(shí)，車(chē)窗向下運(yùn)動(dòng)到硬停點(diǎn)堵轉(zhuǎn)硬停，此時(shí)堵轉(zhuǎn)電流很大，容易傷電機(jī)。

圖7 下軟停電流波形圖

6 初始化原理

圖8 系統(tǒng)初始化電流波形 （400ms初始化堵轉(zhuǎn)）

如圖8所示，當(dāng)系統(tǒng)剛上電時(shí)，需要進(jìn)行初始化后才有防夾功能和軟停功能，此時(shí)需要手動(dòng)控制車(chē)窗玻璃向上堵轉(zhuǎn)400ms，完成初始化。

7 車(chē)窗防夾力的標(biāo)定

在典型工況13.5V 23℃情況下，系統(tǒng)的防夾力F=K0×1A/50ms （50ms的電流變化率作為參考，K0是其斜率，不同的溫度工況需要標(biāo)定），目標(biāo)防夾力為75N±15N；然后進(jìn)行高低溫驗(yàn)證（80℃和-30℃），保證-30℃是防夾力大于40N （太小了容易誤反轉(zhuǎn)），80℃防夾力小于100N。

當(dāng)電壓上升到16V時(shí)，電機(jī)的速度會(huì)變快，同等情況下50ms的電流變化率會(huì)比13.5V的大，所以需要調(diào)整防夾力的比例參數(shù)K1（K1要小于K0），使得16V 23℃情況下目標(biāo)防夾力75N±15N，高溫80℃小于100N，低溫-30℃大于40N。

當(dāng)電壓下降到10V，電機(jī)的速度會(huì)變慢，同等情況下50ms的電流變化率會(huì)比13.5V的小，所以需要調(diào)整防夾力的比例參數(shù)K2（K2要大于K0），使得10V 23℃情況下，防夾力75N±15N，高溫80℃小于100N，低溫-30℃要大于40N （太小了容易反轉(zhuǎn)）。

防夾力標(biāo)定需要在距離膠條25mm處進(jìn)行標(biāo)定，200mm和4mm處用防夾條測(cè)試，只要能夠防轉(zhuǎn)，防夾力無(wú)要求；彈簧參數(shù)用10N/mm，最大防夾力不超過(guò)100N，目標(biāo)防夾力75N±15N （滿足74/60/EWG、FMVSS118和GB11552-2009技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）。

在車(chē)窗玻璃上取樣3個(gè)位置：位置A，B和C進(jìn)行防夾力測(cè)試，必須滿足防夾區(qū)域內(nèi)的防夾力要求。下面以工程樣件階段的車(chē)窗進(jìn)行驗(yàn)證標(biāo)定，具體的標(biāo)定參考數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 常溫23℃防夾力標(biāo)定

圖10 低溫-30℃下的防夾力標(biāo)定

圖11 高溫80℃防夾力標(biāo)定

8 總結(jié)

隨著智能網(wǎng)聯(lián)時(shí)代的來(lái)臨，車(chē)窗防夾系統(tǒng)不再是單一的升窗防夾功能，而是有新的智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用功能，例如語(yǔ)音關(guān)窗、暴雨模式關(guān)窗、下雨自動(dòng)關(guān)窗、透氣模式開(kāi)窗和吸煙開(kāi)窗等。

與暴雨模式關(guān)窗關(guān)聯(lián)控制后，車(chē)窗防夾系統(tǒng)在暴雨天氣收到導(dǎo)航主機(jī)的暴雨關(guān)窗指令，然后會(huì)控制4個(gè)車(chē)窗自動(dòng)上升，當(dāng)在上升過(guò)程中夾到人時(shí)，會(huì)自動(dòng)防夾，車(chē)窗后退150mm，保證人員安全。

與透氣模式開(kāi)窗關(guān)聯(lián)控制后，車(chē)窗防夾系統(tǒng)收到導(dǎo)航主機(jī)的透氣模式指令，然后會(huì)控制4個(gè)車(chē)窗下降5cm距離，保證車(chē)內(nèi)空氣清晰，保證車(chē)內(nèi)人員安全。

與語(yǔ)音控制關(guān)窗關(guān)聯(lián)控制后，車(chē)窗防夾系統(tǒng)收到導(dǎo)航主機(jī)的語(yǔ)音關(guān)窗指令，然后會(huì)控制4個(gè)車(chē)窗自動(dòng)上升，當(dāng)在上升過(guò)程中夾到人時(shí)，會(huì)自動(dòng)防夾，車(chē)窗后退150mm，保證人員安全。

與吸煙開(kāi)窗關(guān)聯(lián)控制后，車(chē)窗防夾系統(tǒng)在收到導(dǎo)航主機(jī)的吸煙開(kāi)窗指令，然后會(huì)控制4個(gè)車(chē)窗下降10cm的距離，保證車(chē)內(nèi)空氣流通，避免車(chē)內(nèi)人員吸收二手煙而危害身體健康。

通過(guò)與智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用功能相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高升窗防夾系統(tǒng)的舒適性、可靠性、安全性和用戶感知性，大大提高用戶用車(chē)滿意度。