基于霍爾傳感器的電動車窗防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　0 引言

　　隨著現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，汽車內(nèi)傳統(tǒng)的零部件及總成也在向機(jī)電一體化發(fā)展。汽車中大量應(yīng)用的電子設(shè)備，不僅提高了汽車的舒適性，也對汽車的安全性提出了新的要求。為了方便駕駛員和乘客，大量汽車采用電動車窗，許多電動車窗都不具有防夾功能，容易造成對乘員尤其是兒童的傷害。美國交通部頒布了針對電動車窗開關(guān)系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSll8，對車窗防夾相關(guān)參數(shù)做出了明確規(guī)定，并規(guī)定在2008年10月1日之后在北美出售的轎車和小型貨車都必須強(qiáng)制執(zhí)行該規(guī)定。雖然我國還沒有就該問題做出法律上的規(guī)定，但為安全起見，開發(fā)具有防夾功能的車窗控制模塊是完全必要的。

　　參考了文獻(xiàn)后，本文的防夾設(shè)計(jì)方案采用將霍爾傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和檢測電機(jī)電流變化情況結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)防夾功能，該方案避免了車窗防夾系統(tǒng)易受外界環(huán)境影響的缺陷，確保防夾效果可靠，成本較低，可以不必改動傳統(tǒng)車門的生產(chǎn)工藝，在改造電動車窗無防夾功能的老車型時，可以不改變現(xiàn)在已成型的汽車車門的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，只需替換電動車窗升降控制器，十分方便。

　　1 電動車窗防夾設(shè)計(jì)方案

　　所謂防夾，就是指在電動車窗上升過程中夾住物體并達(dá)到一定力度后，讓電動車窗自動停止或回落，用以防止物體(尤其是人體)被夾傷。車窗的升降過程中，只有車窗上升階段需要進(jìn)行防夾控制，所定義的防夾區(qū)為從離電動車窗玻璃無障礙上升運(yùn)動的最大位置(頂端)4～200 mm的區(qū)域。該定義符合歐洲74/60/EEC和美國FMVSSll8的相關(guān)要求。只有在防夾區(qū)域才啟動防夾功能。所以防夾設(shè)計(jì)首先應(yīng)該確定車窗的當(dāng)前位置。

　　1.1 車窗位置的確定

　　車窗控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運(yùn)動，從而控制車窗的上下移動。在車窗移動過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)和車窗的運(yùn)動距離成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，會使霍爾傳感器產(chǎn)生方波脈沖信號。當(dāng)車窗從最低位置升到頂部過程中，可以通過MCU對霍爾傳感器輸出的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，從車窗的最底端到最頂端，上下反復(fù)3次，取其平均值nth，作為標(biāo)定的基準(zhǔn)，并記錄在E2PROM中。之后，軟件控制從車窗的最底端位置開始運(yùn)行(此時為人工操控，車窗運(yùn)行到最底端，電機(jī)堵轉(zhuǎn))，且計(jì)數(shù)從零開始，上升過程根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值進(jìn)行加計(jì)數(shù)，下降過程根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值進(jìn)行減計(jì)數(shù)。因此，通過霍爾傳感器的脈沖輸出及計(jì)數(shù)方案可實(shí)時確定車窗的當(dāng)前位置，并根據(jù)歐洲74/60/EEC和美國FMVSSll8標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定車窗是否在防夾區(qū)域。對于本系統(tǒng)，測量過程中脈沖計(jì)數(shù)的誤差可忽略不計(jì)，對于長期運(yùn)行中可能造成的誤差可用定期標(biāo)定的方式加以解決。

　　1.2 防夾方案的確定

　　本系統(tǒng)采用檢測電機(jī)電樞電流方式來確定車窗在上升過程中是否遇到障礙物，方案在具體實(shí)施過程中要解決如下問題：

　　(1)確定防夾區(qū)域及車窗位置。遵照歐洲74/60/EEC和美國FMVSSll8標(biāo)準(zhǔn)確定出相應(yīng)的防夾區(qū)域及車窗位置。

　　(2)防夾時的電機(jī)電樞電流閾值ith的確定，即在防夾區(qū)域內(nèi)電流值上升到所設(shè)定的閾值后即認(rèn)為遇到障礙物，啟動車窗防夾功能.這里存在的問題是：車窗按鍵剛剛按下(無論是上升或下降)，車窗電機(jī)剛剛啟動時，由于電機(jī)的反電動勢還沒有建立，因而電流會有短時間的較大幅值，這時的電流幅值往往比所設(shè)定的防夾電流閾值還要大，需要將這種電流幅值較大的狀態(tài)和在車窗上升過程中遇到障礙物產(chǎn)開來。車窗電機(jī)啟動后延時50 ms后，再進(jìn)行電流檢測，這樣可以避免電機(jī)啟動初期電流瞬時過沖對防夾電流閾值設(shè)定的影晌。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)用一塊可用于診斷功能的中央控制器，配合武漢吉陽光電公司生產(chǎn)的USB-CAN200工具，將運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)反饋到PC機(jī)上，以Excel表格方式呈現(xiàn)，并可繪出圖形，進(jìn)而方便地定出閾值ith，并通過多次運(yùn)行試驗(yàn)確定合適的閾值。

　　(3)MCU和功率驅(qū)動器件的選取。防夾方案中涉及到較多的實(shí)時檢測和實(shí)時計(jì)算，要求MCU的計(jì)算能力較高，方案中軟件的實(shí)現(xiàn)基于移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)方案，因此選擇歐洲車系上流行的、性能較高的英飛凌XCl64CS MCU，功率驅(qū)動芯片選擇具有故障診斷功能的BTS781芯片。

　　2 防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　車門控制系統(tǒng)包括電動車窗控制系統(tǒng)和電動后視鏡控制系統(tǒng)兩部分，防夾電動車窗是車門控制系統(tǒng)的一個子模塊，在整個車門控制系統(tǒng)中，采用了一種“總體分布，局部集中式”的控制方案，如圖1所示。即將左側(cè)前后兩個車門的控制作為一個ECU模塊，右側(cè)前后兩個車門的控制作為另一個ECU模塊，兩個模塊之間以及模塊與中央控制器之間均以CAN總線方式連接。

　　防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以BTS781為核心，通過ST1，ST2，IH1，IH2，IL1，IL2端口和微控制器XCl64CS芯片連接，接收微控制器發(fā)出的指令，來控制車窗的升降。通過在全橋驅(qū)動芯片BTS781的2和13號引腳上串接一個5 mΩ的電阻R37來檢測電機(jī)電樞電流變化，經(jīng)過低通濾波和放大，送入MCU的A/D端口進(jìn)行采樣，如圖2所示。

　　車窗位置測定采用霍爾傳感器輸出脈沖計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。采用英飛凌TLE4923霍爾傳感器，直接輸出方波信號，經(jīng)低通濾波，將脈沖信號輸入MCU對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而確定車窗的當(dāng)前位置，如圖3所示。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)不但要考慮控制的方便性，也要考慮將來功能的擴(kuò)展性。因此，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于實(shí)時操作系統(tǒng)，即首先將μC/OS -Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核移植到XCl64CS MCU上，之后將防夾車窗控制以其中的一個任務(wù)的方式添加上去。

　　3.1 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核移植

　　所做的移植，就是將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r內(nèi)核移植到XCl64CS微控制器上。由于μC/OS-Ⅱ在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實(shí)現(xiàn)，所以一些與處理器相關(guān)的代碼要用匯編語言寫，但大部分的μC/OS-Ⅱ代碼用C語言編寫。移植工作主要使μC/OS-Ⅱ正確定義和使用XCl64C-S。具體請參考本文作者撰寫的文章，此處不再贅述。

　　3.2 防夾電動車窗軟件設(shè)計(jì)

　　在所設(shè)計(jì)的硬件平臺上將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)移植后，將防夾電動車窗控制以任務(wù)方式加入，并參照前文內(nèi)容實(shí)現(xiàn)防夾功能，其流程圖如圖4所示。

　　控制器XCl64CS上電啟動時，從E2PROM中讀取nth，ith等初始數(shù)據(jù)，檢測電源電壓，當(dāng)電壓值平穩(wěn)后，讀取E2PROM中存儲的車窗位置，然后讀取按鍵輸入，如果有升降車窗操作，就設(shè)置對應(yīng)的開關(guān)信號來驅(qū)動芯片BTS781中的MOS管T1，T2，T3，T4。如果車窗向上運(yùn)動，計(jì)時器開始計(jì)時，霍爾傳感器脈沖信號加計(jì)數(shù)，延時50 ms后，檢測電流值是否過流，在車窗上升過程中如果檢測到了過流信號，即車窗電機(jī)的電流值大于電流閾值ith，而車窗位置又處于防夾啟動區(qū)域，則判定車窗遇堵，控制器就輸出方向開關(guān)信號，通過MOS管T1，T2，T3，T4驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)1 s后停止，防夾操作完成。不論電機(jī)升降運(yùn)動，控制器都會通過計(jì)數(shù)程序記錄霍爾傳感器的脈沖信號數(shù)，據(jù)此可判斷車窗的相對位置，并在需要時把該位置信息寫入 E2PROM。

　　4 測試

　　通過完成硬件的制作和軟件的編程后，制作了實(shí)驗(yàn)臺架。對臺架進(jìn)行測試試驗(yàn)后，得到如圖5所示試驗(yàn)結(jié)果，將試驗(yàn)結(jié)果用Excel圖表繪制后如圖5右上側(cè)的曲線圖，用示波器實(shí)際測試的電流變化曲線圖如圖5右下側(cè)曲線圖所示。示波器實(shí)際測試曲線變化說明如表1所示。

　　從圖5中可見，測試結(jié)果繪制的圖形和示波器實(shí)際測試圖形相同，達(dá)到預(yù)期的防夾效果。

　　5 結(jié)語

　　闡述了一種電動車窗的防夾設(shè)計(jì)，在不改變原有安裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了車窗的防夾功能。其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的電流檢測閾值，本研究在基于實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了電流閾值，制作了測試臺架。測試結(jié)果表明，本文所做的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)可靠的車窗防夾功能。