為了增加汽車(chē)的舒適性，很多汽車(chē)都安裝了電動(dòng)車(chē)窗，司機(jī)按下按鈕就可以控制門(mén)窗玻璃的升降，非常方便。但是車(chē)窗沒(méi)有智能，如果司機(jī)沒(méi)有注意成員的手或物體伸出窗口，就容易被上升的玻璃夾傷。為了安全起見(jiàn)，現(xiàn)在很多乘用車(chē)都采用了電動(dòng)防夾車(chē)窗(Anti-Pinch WindowLifter，APWL)。歐洲和美國(guó)已先后立法，確定了APWL為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，以提升行車(chē)安全和人性化程度。我國(guó)政府對(duì)APWL的立法也在研討過(guò)程中?，F(xiàn)有的APWL都是在玻璃升降器的電機(jī)上安裝了霍爾元件來(lái)感應(yīng)電機(jī)是否受到了阻力，或者安裝了其他的光學(xué)類(lèi)的傳感器。這種電動(dòng)車(chē)窗需要在現(xiàn)有的普通玻璃升降器安裝額外的傳感器。在本文中介紹了一種在現(xiàn)有的無(wú)傳感器電動(dòng)車(chē)窗的基礎(chǔ)上就能實(shí)現(xiàn)車(chē)窗防夾功能的車(chē)窗控制模塊。

1 電動(dòng)防夾車(chē)窗的原理

在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的電動(dòng)防夾車(chē)窗由電動(dòng)玻璃升降器和車(chē)窗控制模塊組成。

電動(dòng)玻璃升降器由升降機(jī)部分和電機(jī)部分組成。升降機(jī)部分一般采用繩輪式、齒輪臂式或是軟軸式。電動(dòng)玻璃升降器的關(guān)鍵是電機(jī)部分，一般都采用內(nèi)置減速器的可逆性永磁直流電機(jī)，電機(jī)內(nèi)有磁場(chǎng)線圈，通過(guò)控制加在線圈上的電壓的方向就可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)車(chē)窗玻璃的上升和下降。

在基礎(chǔ)車(chē)型的電動(dòng)車(chē)窗控制電路中，控制車(chē)窗電機(jī)采用的是開(kāi)關(guān)和繼電器，比較容易發(fā)生粘連等問(wèn)題。而在本系統(tǒng)中采用智能功率驅(qū)動(dòng)器件控制車(chē)窗電機(jī)，通過(guò)控制加在直流電機(jī)上的電壓方向來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。升降器電機(jī)通過(guò)的電流的變化完全反映玻璃上升或下降過(guò)程中遇到的阻力變換情況，通過(guò)采樣玻璃升降器電機(jī)通過(guò)的電流，監(jiān)測(cè)電流就可以監(jiān)測(cè)玻璃升降過(guò)程中阻力的變化情況從而執(zhí)行相應(yīng)的操作。智能功率驅(qū)動(dòng)器件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)流、過(guò)壓及過(guò)熱保護(hù)，而且通過(guò)監(jiān)測(cè)電流自動(dòng)識(shí)別玻璃上升途中遇到障礙的狀況，進(jìn)而進(jìn)行反轉(zhuǎn)，防止夾傷?？刂颇K可以實(shí)現(xiàn)的功能：

(1)點(diǎn)按車(chē)門(mén)控制鍵(按鍵時(shí)間小于300 ms)，車(chē)窗自動(dòng)上升到頂或下降到底，點(diǎn)按同一開(kāi)關(guān)任意鍵，車(chē)窗停止上升或下降；

(2)延時(shí)按控窗鍵(按鍵時(shí)間大于300 ms)，車(chē)窗上升或下降，上升或下降過(guò)程中釋放按鍵車(chē)窗即停；

(3)車(chē)窗運(yùn)行到頂位或底位時(shí)自動(dòng)停止，車(chē)窗電機(jī)斷電；

(4)車(chē)窗玻璃在自動(dòng)上升的過(guò)程中如果遇到一定的阻力會(huì)自動(dòng)停下來(lái)，下降一段距離，能有效地防止人或物品的意外夾傷。

2 車(chē)窗控制模塊的硬件設(shè)計(jì)原理

通過(guò)對(duì)電動(dòng)玻璃升降器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的分析，電動(dòng)車(chē)窗控制模塊的控制對(duì)象就是一個(gè)供電電壓11～15 V，工作電流不大于15 A，堵轉(zhuǎn)電流不大于28 A的永磁直流電機(jī)。車(chē)門(mén)控制模塊的電路主要由以下幾部分組成：電源電路、微控制器部分、電動(dòng)車(chē)窗驅(qū)動(dòng)電路、總線接口電路等，車(chē)窗控制模塊的框圖見(jiàn)圖1。

其中微控制器采用單片機(jī)PIC18F2480，該單片機(jī)片內(nèi)集成了A／D，PWM，CAN控制器，URAT，SPI等很多非常實(shí)用的功能。采用單片機(jī)PIC18F2480控制功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，接收故障反饋信號(hào)，并通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與中央車(chē)身控制器及其他車(chē)門(mén)控制器的故障信息和按鍵控制信息的交換，從而及時(shí)在用戶界面上顯示故障內(nèi)容并對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保了行車(chē)安全。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

車(chē)窗電機(jī)主要由飛思卡爾的智能功率模塊MC33486外加兩個(gè)MOSFET組成一個(gè)H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙方向控制，兩個(gè)MOSFET的內(nèi)阻、溫升、電壓都和MC33486相匹配，在本設(shè)計(jì)中采用STB55NF06T4，D2PAK封裝。其正常輸出連續(xù)電流最大達(dá)到為10 A，最大峰值電流可達(dá)35 A，直流輸入電壓范圍較寬，達(dá)8～28 V，當(dāng)電壓高于28 V時(shí)具有過(guò)壓保護(hù)功能，對(duì)高端及低端均能過(guò)流保護(hù)，斬波控制下頻率可達(dá)30 kHz，對(duì)檢測(cè)到的高端輸出電流具有鏡像特點(diǎn)。這些器件已提供了完善的故障檢測(cè)及保護(hù)功能，因而避免了采用過(guò)多的分立元件，大大減小了模塊體積，并提高了模塊的EMC(電磁兼容)特性。

2.2 電流采樣電路的設(shè)計(jì)

防夾功能主要通過(guò)監(jiān)測(cè)玻璃升降器電機(jī)的電流變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，其框圖如圖2所示。

飛思卡爾的功率芯片MC33486有負(fù)載電流的線性復(fù)制功能，CurR輸出和負(fù)載電流成比例的電流，其中ILoad為玻璃升降器的電機(jī)電流：

這個(gè)電流通過(guò)采樣電阻R7和限流電阻R8把電流轉(zhuǎn)化為電壓輸入到單片機(jī)ADC的采樣端。輸入到單片機(jī)端的電壓為：

電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和一些計(jì)算后就可以得到負(fù)載的真實(shí)電流。因此，監(jiān)測(cè)輸入到單片機(jī)端口的電壓就等同于監(jiān)測(cè)車(chē)窗運(yùn)動(dòng)中電機(jī)的電流。車(chē)窗上升過(guò)程、下降過(guò)程，上升過(guò)程中遇到阻力時(shí)經(jīng)過(guò)電機(jī)的電流都呈規(guī)律性的變化，而這些電流變化都通過(guò)電流采樣實(shí)時(shí)地反映到單片機(jī)中。

3 車(chē)窗控制模塊的軟件設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)窗的啟動(dòng)和停止

啟動(dòng)是指直流電動(dòng)機(jī)由靜止達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程。若直接啟動(dòng)(即直接合閘)，給電動(dòng)機(jī)加上U額，則啟動(dòng)電流Ia=(U-0)／Ra=U／Ra很大，會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的火花現(xiàn)象，電流正比于轉(zhuǎn)矩，過(guò)大的轉(zhuǎn)矩帶來(lái)很大的沖擊，電壓波動(dòng)影響供電的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，電機(jī)啟動(dòng)采取PWM的方式進(jìn)行。采用2 kHz的頻率，分為10段，占空比從0％逐步上升到100％。每段10個(gè)脈沖，共5 ms，10段啟動(dòng)時(shí)間一共50 ms。在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，采取這種啟動(dòng)方式，啟動(dòng)比較平穩(wěn)，啟動(dòng)快速性較好。在車(chē)窗啟動(dòng)的這段時(shí)間里，電機(jī)的電流變化比較大，無(wú)法通過(guò)監(jiān)測(cè)電流的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾功能，同時(shí)這段時(shí)間很短，因此在啟動(dòng)的這段時(shí)間內(nèi)應(yīng)避免實(shí)現(xiàn)防夾功能。

而在停止的時(shí)候，不是監(jiān)測(cè)到電機(jī)堵轉(zhuǎn)才停止，而是監(jiān)測(cè)到電機(jī)的電流超過(guò)了其正常工作電流的一定幅度就停止電機(jī)，在本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)界限電流定義為11 A。上升過(guò)程電機(jī)的電流變化見(jiàn)圖3，電機(jī)的電流呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，連續(xù)變化，下降過(guò)程電機(jī)電流的變化見(jiàn)圖4所示，電流呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，連續(xù)變化。

3.2 防夾算法的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)玻璃的防夾功能，設(shè)計(jì)研制的車(chē)窗控制模塊必須包括兩種功能：

(1)必須能夠判斷是否遇到障礙物；

(2)判斷遇到障礙后必須能夠判斷玻璃是在上升還是已經(jīng)上升到頂部。

如果車(chē)窗控制模塊判斷玻璃在上升過(guò)程中遇到障礙物，則控制模塊發(fā)出指令，電機(jī)反轉(zhuǎn)，車(chē)窗下降一段距離后停止；如果車(chē)窗控制模塊判斷玻璃已經(jīng)上升到最頂端，則控制模塊發(fā)出指令令電機(jī)停止，車(chē)窗關(guān)閉。

車(chē)窗上升到頂部和車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力直流電機(jī)的電流變化情況見(jiàn)圖3，圖5。

通過(guò)對(duì)比圖3，圖5發(fā)現(xiàn)，在上升到最頂部和上升過(guò)程中遇到阻力兩種情況下，電機(jī)的電流都從正常工作電流急劇增大，因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流幅值來(lái)判斷是否遇到障礙。但是電機(jī)的瞬時(shí)電流變化可能會(huì)出現(xiàn)峰值，因此幅值必須是一段時(shí)間內(nèi)的電流平均值。當(dāng)電流平均值A(chǔ)≥A障礙(A正常

僅僅通過(guò)幅值這一個(gè)判據(jù)無(wú)法區(qū)分車(chē)窗遇到障礙是在上升過(guò)程還是到了最頂端，通過(guò)對(duì)比圖3，圖5發(fā)現(xiàn)，在車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力和車(chē)窗上升到最頂端兩種情況下電機(jī)電流增大的快慢是不一樣的，車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力情況下要比車(chē)窗上升到最頂端情況下電流變大要快。因此可以通過(guò)求得電流變化的斜率來(lái)區(qū)分兩種情況。當(dāng)f≥f阻力時(shí)，車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力；當(dāng)0

此外，還可以增加一個(gè)輔助的判據(jù)來(lái)區(qū)分車(chē)窗遇到障礙是在上升過(guò)程還是到了最頂端。通過(guò)對(duì)比圖3，圖5發(fā)現(xiàn)，從車(chē)窗開(kāi)始運(yùn)行在車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力和車(chē)窗上升到最頂端兩種情況下，牟窗的運(yùn)行時(shí)間是不一樣的。當(dāng)T>T頂端時(shí)，車(chē)窗上升到最頂端；當(dāng)T≤T頂端時(shí)，車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力。但是相同車(chē)型的不同車(chē)窗，由于安裝的不能完全相同，因此T頂端會(huì)有細(xì)微的差別，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出一個(gè)初始T頂端，把每次車(chē)窗上升到最頂端的時(shí)間記錄下來(lái)，存儲(chǔ)到E2PROM中，這些數(shù)據(jù)作為調(diào)整T頂端的依據(jù)，這樣參數(shù)T頂端具有了自適應(yīng)性。

這樣通過(guò)三組判據(jù)來(lái)判斷區(qū)分兩種情況。當(dāng)(A≥A障礙)＆＆(f≥f阻力)＆＆(T≤T頂端)時(shí)，車(chē)窗上升過(guò)程中遇到阻力；當(dāng)(A≥A障礙)＆＆(0T頂端)時(shí)，車(chē)窗上升到最頂端。采用三組判據(jù)增加了判斷的準(zhǔn)確性，降低了誤判率。采用這三種判據(jù)，在實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)中良好地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)窗的防夾功能，在上升過(guò)程中遇到阻力車(chē)窗則下降一段，電流變化如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

PTC單片機(jī)PIC18F2480片內(nèi)集成了很多功能，支持CAN通信和串行通信，可以在線編程。智能功率驅(qū)動(dòng)器MC33486不但具有寬范圍電壓輸入，大容量，而且還有電流鏡像功能。這兩種元器件結(jié)合起來(lái)，通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)窗電機(jī)的電流來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)窗遇到的障礙情況，在現(xiàn)有的不具有防夾功能的電動(dòng)車(chē)窗的基礎(chǔ)上，不需要添加任何傳感器，很容易就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)窗的防夾功能。