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基于霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車車窗防夾中的應(yīng)用
發(fā)布時間:
2021-12-03
溫州搏技科技有限公司 ? 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們追求更加舒適和便于操作的駕駛環(huán)境，因此，越來越多的汽車上安裝了電動車窗，從而實現(xiàn)車窗的自動升降。然而，由于電動車窗的上升速度較快，很容易引發(fā)夾上乘客等事故，尤其是對兒童形成了安全隱患。這對于汽車的安全向提出了新標準，要求電動車窗具有一定的防夾功能。以前汽車普遍采用手搖曲柄的方式使車窗玻璃上升或下降，現(xiàn)今轎車很多都安裝了電動車窗。而具有防夾功能的電動窗應(yīng)用于汽車始于20世紀90年代，當玻璃上升途中遇到人力障礙時會自動識別而反向運行，防止乘員夾傷，實現(xiàn)防夾功能。由于該功能的重要性，在歐美新車型上都已成為標準配置，目前國內(nèi)新推出的高端車型已成為標準配置。由于低成本方案的推出，經(jīng)濟型轎車也開始逐漸配備應(yīng)用這一功能。而車窗位置判斷準確是車窗的防夾功能的正常實現(xiàn)的前提。 ? ? 1、準確判斷電動窗位置的重要性 ? 法規(guī)規(guī)定，具有自動上升功能的車窗必須配備自動防夾功能。即當車窗在自動上升過程中，如果車窗玻璃遇到障礙物，必須做出判斷后反轉(zhuǎn)，并且防夾力要小于100?N。而法規(guī)規(guī)定的防夾區(qū)域是4?mm~200?mm(如圖1)。這就要求系統(tǒng)對車窗的位置進行準確的計算和判斷。 如果車窗位置計算不準確會有以下后果： （1）?比如車窗在上升過程中在防夾區(qū)域內(nèi)，如果車窗位置計算不準確，系統(tǒng)判斷為防夾區(qū)域外。車窗可能遇到障礙物，但是不做防夾反轉(zhuǎn)。而是繼續(xù)上升玻璃。障礙物如果是人，導(dǎo)致把人夾傷。 （2）?車窗自動上升過程中，如果車窗位置計算不準確，車窗就會到頂部位置認為在防夾區(qū)域內(nèi)，遇堵后反轉(zhuǎn)。導(dǎo)致車窗不能關(guān)滿。 （3）車窗在上升過程中，由于存在車窗重量和窗框阻力等因素，在每個位置上的阻力大小是不一樣的。因此判斷車窗位置也是相當重要的。 由以上三點分析可知，車窗位置判斷的準確在防夾功能中，既有非常重要的意義。 2、電動窗位置判斷的原理 從機械的角度講，電動車窗砸升降時，電機旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運動，從而帶動車窗的上下開閉。電機每旋轉(zhuǎn)一定的角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運動一定行程，因此車窗運動的行程與電機的旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。通過計算電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以間接算出車窗的位置。 2.1霍爾原理 電機的旋轉(zhuǎn)會使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號。玻璃位置的檢測是通過對控制模塊中的霍爾傳感器發(fā)出的方波進行計數(shù)來實現(xiàn)。軟件設(shè)計中通過單片機芯片的輸入捕捉功能記錄車窗運行過程中的脈沖個數(shù)，通過學(xué)習(xí)，將車窗的上密封條記為位置0，而下密封條為大位置。在車窗上升過程中將位置計數(shù)器減1，上升到頂時位置計數(shù)器清0，下降時位置計數(shù)器加l。因此，可按照要求確定防夾區(qū)界限對應(yīng)的位置計數(shù)器的值。通過對位置計數(shù)器的值的檢測可以間接判斷玻璃的位置。 脈沖計數(shù)方式的關(guān)鍵問題在于位置記錄要精確，但在試驗中卻存在電機切斷電源后依舊會發(fā)出幾個脈沖的問題，這幾個脈沖由慣性造成，而且不同的玻璃升降器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)不同。這些脈沖對車窗位置影響隨情況的不同而不。在車窗上下兩端堵轉(zhuǎn)時，這些脈沖不太可能造成車窗位置的變化，而在中間位置停止時則有可能造成車窗位置移動，特別是下降途中人為停止時對車窗位置的影響更大。為了減小這種影響，與電機通電運動時位置計數(shù)一樣，在算法中捕捉這些脈沖。如果當前為下降狀態(tài)，則對電機斷電后產(chǎn)生的脈沖進行位置加法操作，如果當前為上升狀態(tài)，則對電機斷電后產(chǎn)生的脈沖進行位置減法操作。 2.2紋波原理 電機有磁極、轉(zhuǎn)子線圈、換向器組成。根據(jù)右手定律轉(zhuǎn)子線圈通電后再磁極磁場的作用下產(chǎn)生運動。運動到磁場邊緣是磁場變?nèi)?，電動勢減小，電流增大。換向器改變轉(zhuǎn)子線圈的電流方向，重新進入磁場電動勢增大，電流減小。轉(zhuǎn)子線圈不斷轉(zhuǎn)動、電動勢和電流不斷變化，從而紋波不斷產(chǎn)生。所以紋波是電機的固有特性，通過計算紋波的個數(shù)就能計算出轉(zhuǎn)子換向的次數(shù)，就能計算出窗戶的相對位置，結(jié)合時間就能得出電機的轉(zhuǎn)速。由于電機在啟動，停止，反轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)時的紋波特征不明顯。如圖5和圖6，不能精準的計數(shù)紋波個數(shù)。只能通過算法進行補償。這樣紋波計數(shù)必然和實際的必然存在誤差。而這誤差隨著車窗操作次數(shù)的增加，誤差也會跟著累積。 ? 3、電動窗位置判斷的原理 從機械的角度講，電動車窗砸升降時，電機旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運動，從而帶動車窗的上下開閉。電機每旋轉(zhuǎn)一定的角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運動一定行程，因此車窗運動的行程與電機的旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。通過計算電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以間接算出車窗的位置。 4、霍爾傳感器的方案 此方案在電機軸上安裝磁環(huán)，在磁環(huán)附近安裝霍爾傳感器，當電機轉(zhuǎn)動時帶動磁環(huán)轉(zhuǎn)動，在霍爾傳感器上感應(yīng)出高低電平的脈沖信號，脈沖的個數(shù)反映了電機的位置，脈沖的頻率反映了電機的轉(zhuǎn)速。 當電動車窗上升并遇到障礙物是，阻力變大，電機變大，電機轉(zhuǎn)速將減慢，對應(yīng)脈沖的信號的脈寬將變大，此時系統(tǒng)會向ECU模塊報告信息，ECU向繼電器或電機驅(qū)動芯片發(fā)出指令，使電機停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而令車窗停止或下降，實現(xiàn)防夾判斷。 DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應(yīng)傳感器，具有寬工作電壓范圍（2.7至38V）和高達-22V的反極性保護，使得該器件廣泛用于各種汽車應(yīng)用。此外該器件還具有拋負載、輸出短路和過流等內(nèi)部保護功能。 此方案需要安裝磁環(huán)且每個車窗都需要各自的控制器，因此成本較高。 相比于霍爾傳感器的方案，機遇紋波計數(shù)的無傳感器方案可以節(jié)省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關(guān)線束的成本。此外，此方案可以用單控器同時控制多個車窗，能夠提高整車的集成度，進一步降低控制器的成本。因此，基于波紋計數(shù)無傳感器方案將成為未來電動車窗夾的發(fā)展趨勢。 5基于紋波技術(shù)的無傳感應(yīng)器方案 波紋計數(shù)的無傳感應(yīng)器方案是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，電刷在電極間切換產(chǎn)生電流紋波，并對這種電流波動進行采樣、分析和控制。 此方案首先通過采樣電阻將電機電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過運放對電壓信號進行濾波和放大，放大后的信號一路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給到MCU，作為防夾及堵轉(zhuǎn)的判斷依據(jù)，另一路通過濾波器和比較器得到方波信號，此方波的頻率和電機的轉(zhuǎn)速成正比。通過方波的個數(shù)和頻率可以判斷電機的位置和轉(zhuǎn)速。 參考設(shè)計TIDA-01421提供了一種無傳感器的紋波防夾方案。該設(shè)計主要分為以下幾個部分： 電流檢測放大 INA240-Q1是一個寬共模范圍，高精度，雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V至80V的共模范圍，120dB的超大共模抑制比，能夠提供準確，低噪聲的測量結(jié)果。 應(yīng)用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個簡單的RC輸入濾波器，以減少高頻電機電刷產(chǎn)生的噪聲和潛在的PWM開關(guān)噪聲。 帶通濾波器 電流檢測放大器的輸出通過有源帶通濾波器進行濾波，以消除額外的噪聲和直流分量，從而得到電流紋波信號。
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隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們追求更加舒適和便于操作的駕駛環(huán)境，因此，越來越多的汽車上安裝了電動車窗，從而實現(xiàn)車窗的自動升降。然而，由于電動車窗的上升速度較快，很容易引發(fā)夾上乘客等事故，尤其是對兒童形成了安全隱患。這對于汽車的安全向提出了新標準，要求電動車窗具有一定的防夾功能。以前汽車普遍采用手搖曲柄的方式使車窗玻璃上升或下降，現(xiàn)今轎車很多都安裝了電動車窗。而具有防夾功能的電動窗應(yīng)用于汽車始于20世紀90年代，當玻璃上升途中遇到人力障礙時會自動識別而反向運行，防止乘員夾傷，實現(xiàn)防夾功能。由于該功能的重要性，在歐美新車型上都已成為標準配置，目前國內(nèi)新推出的高端車型已成為標準配置。由于低成本方案的推出，經(jīng)濟型轎車也開始逐漸配備應(yīng)用這一功能。而車窗位置判斷準確是車窗的防夾功能的正常實現(xiàn)的前提。
1、準確判斷電動窗位置的重要性
法規(guī)規(guī)定，具有自動上升功能的車窗必須配備自動防夾功能。即當車窗在自動上升過程中，如果車窗玻璃遇到障礙物，必須做出判斷后反轉(zhuǎn)，并且防夾力要小于100 N。而法規(guī)規(guī)定的防夾區(qū)域是4 mm~200 mm(如圖1)。這就要求系統(tǒng)對車窗的位置進行準確的計算和判斷。
如果車窗位置計算不準確會有以下后果：
（1） 比如車窗在上升過程中在防夾區(qū)域內(nèi)，如果車窗位置計算不準確，系統(tǒng)判斷為防夾區(qū)域外。車窗可能遇到障礙物，但是不做防夾反轉(zhuǎn)。而是繼續(xù)上升玻璃。障礙物如果是人，導(dǎo)致把人夾傷。
（2） 車窗自動上升過程中，如果車窗位置計算不準確，車窗就會到頂部位置認為在防夾區(qū)域內(nèi)，遇堵后反轉(zhuǎn)。導(dǎo)致車窗不能關(guān)滿。
（3）車窗在上升過程中，由于存在車窗重量和窗框阻力等因素，在每個位置上的阻力大小是不一樣的。因此判斷車窗位置也是相當重要的。
由以上三點分析可知，車窗位置判斷的準確在防夾功能中，既有非常重要的意義。
2、電動窗位置判斷的原理
從機械的角度講，電動車窗砸升降時，電機旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運動，從而帶動車窗的上下開閉。電機每旋轉(zhuǎn)一定的角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運動一定行程，因此車窗運動的行程與電機的旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。通過計算電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以間接算出車窗的位置。
2.1霍爾原理
電機的旋轉(zhuǎn)會使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號。玻璃位置的檢測是通過對控制模塊中的霍爾傳感器發(fā)出的方波進行計數(shù)來實現(xiàn)。軟件設(shè)計中通過單片機芯片的輸入捕捉功能記錄車窗運行過程中的脈沖個數(shù)，通過學(xué)習(xí)，將車窗的上密封條記為位置0，而下密封條為大位置。在車窗上升過程中將位置計數(shù)器減1，上升到頂時位置計數(shù)器清0，下降時位置計數(shù)器加l。因此，可按照要求確定防夾區(qū)界限對應(yīng)的位置計數(shù)器的值。通過對位置計數(shù)器的值的檢測可以間接判斷玻璃的位置。
脈沖計數(shù)方式的關(guān)鍵問題在于位置記錄要精確，但在試驗中卻存在電機切斷電源后依舊會發(fā)出幾個脈沖的問題，這幾個脈沖由慣性造成，而且不同的玻璃升降器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)不同。這些脈沖對車窗位置影響隨情況的不同而不。在車窗上下兩端堵轉(zhuǎn)時，這些脈沖不太可能造成車窗位置的變化，而在中間位置停止時則有可能造成車窗位置移動，特別是下降途中人為停止時對車窗位置的影響更大。為了減小這種影響，與電機通電運動時位置計數(shù)一樣，在算法中捕捉這些脈沖。如果當前為下降狀態(tài)，則對電機斷電后產(chǎn)生的脈沖進行位置加法操作，如果當前為上升狀態(tài)，則對電機斷電后產(chǎn)生的脈沖進行位置減法操作。
2.2紋波原理
電機有磁極、轉(zhuǎn)子線圈、換向器組成。根據(jù)右手定律轉(zhuǎn)子線圈通電后再磁極磁場的作用下產(chǎn)生運動。運動到磁場邊緣是磁場變?nèi)?，電動勢減小，電流增大。換向器改變轉(zhuǎn)子線圈的電流方向，重新進入磁場電動勢增大，電流減小。轉(zhuǎn)子線圈不斷轉(zhuǎn)動、電動勢和電流不斷變化，從而紋波不斷產(chǎn)生。所以紋波是電機的固有特性，通過計算紋波的個數(shù)就能計算出轉(zhuǎn)子換向的次數(shù)，就能計算出窗戶的相對位置，結(jié)合時間就能得出電機的轉(zhuǎn)速。
由于電機在啟動，停止，反轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)時的紋波特征不明顯。如圖5和圖6，不能精準的計數(shù)紋波個數(shù)。只能通過算法進行補償。這樣紋波計數(shù)必然和實際的必然存在誤差。而這誤差隨著車窗操作次數(shù)的增加，誤差也會跟著累積。
3、電動窗位置判斷的原理
從機械的角度講，電動車窗砸升降時，電機旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運動，從而帶動車窗的上下開閉。電機每旋轉(zhuǎn)一定的角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運動一定行程，因此車窗運動的行程與電機的旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。通過計算電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以間接算出車窗的位置。
4、霍爾傳感器的方案
此方案在電機軸上安裝磁環(huán)，在磁環(huán)附近安裝霍爾傳感器，當電機轉(zhuǎn)動時帶動磁環(huán)轉(zhuǎn)動，在霍爾傳感器上感應(yīng)出高低電平的脈沖信號，脈沖的個數(shù)反映了電機的位置，脈沖的頻率反映了電機的轉(zhuǎn)速。
當電動車窗上升并遇到障礙物是，阻力變大，電機變大，電機轉(zhuǎn)速將減慢，對應(yīng)脈沖的信號的脈寬將變大，此時系統(tǒng)會向ECU模塊報告信息，ECU向繼電器或電機驅(qū)動芯片發(fā)出指令，使電機停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而令車窗停止或下降，實現(xiàn)防夾判斷。
DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應(yīng)傳感器，具有寬工作電壓范圍（2.7至38V）和高達-22V的反極性保護，使得該器件廣泛用于各種汽車應(yīng)用。此外該器件還具有拋負載、輸出短路和過流等內(nèi)部保護功能。
此方案需要安裝磁環(huán)且每個車窗都需要各自的控制器，因此成本較高。
相比于霍爾傳感器的方案，機遇紋波計數(shù)的無傳感器方案可以節(jié)省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關(guān)線束的成本。此外，此方案可以用單控器同時控制多個車窗，能夠提高整車的集成度，進一步降低控制器的成本。因此，基于波紋計數(shù)無傳感器方案將成為未來電動車窗夾的發(fā)展趨勢。
5基于紋波技術(shù)的無傳感應(yīng)器方案
波紋計數(shù)的無傳感應(yīng)器方案是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，電刷在電極間切換產(chǎn)生電流紋波，并對這種電流波動進行采樣、分析和控制。
此方案首先通過采樣電阻將電機電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過運放對電壓信號進行濾波和放大，放大后的信號一路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給到MCU，作為防夾及堵轉(zhuǎn)的判斷依據(jù)，另一路通過濾波器和比較器得到方波信號，此方波的頻率和電機的轉(zhuǎn)速成正比。通過方波的個數(shù)和頻率可以判斷電機的位置和轉(zhuǎn)速。
參考設(shè)計TIDA-01421提供了一種無傳感器的紋波防夾方案。該設(shè)計主要分為以下幾個部分：
電流檢測放大
INA240-Q1是一個寬共模范圍，高精度，雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V至80V的共模范圍，120dB的超大共模抑制比，能夠提供準確，低噪聲的測量結(jié)果。
應(yīng)用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個簡單的RC輸入濾波器，以減少高頻電機電刷產(chǎn)生的噪聲和潛在的PWM開關(guān)噪聲。
帶通濾波器
電流檢測放大器的輸出通過有源帶通濾波器進行濾波，以消除額外的噪聲和直流分量，從而得到電流紋波信號。
TLV2316-Q1是一款雙通道，低壓，軌至軌通用運算放大器。該器件具有單位增益穩(wěn)定的集成RFI 和EMI 抑制濾波器，在過驅(qū)條件下不會出現(xiàn)反相，并且具有高靜電放電(ESD) 保護(4kV HBM)。
差分放大器
在電機啟動時，電機電流會出現(xiàn)非常大的初始尖峰，即浪涌電流。該電流尖峰足夠大且足夠慢，以至于不能被高通電路濾除。通過差分放大器，可以從信號中消除這種低速，高振幅電流尖峰，從而生成一個低噪聲的交流信號，供下一級比較器進行測量。
比較器
經(jīng)由差分放大器輸出的信號通過比較器終產(chǎn)生一個0V至3.3V的方波信號，其頻率等于電機電流紋波頻率。此方波信號終供給MCU用于計數(shù)。LMV7275-Q1是一款軌至軌輸入低功耗比較器，并具有漏極開路輸出。小型SC-70封裝非常適合低電壓，低功耗、對空間要求嚴格的設(shè)計。
綜上所述，本文介紹了兩種應(yīng)用于電動車窗防夾的方案——霍爾傳感器和紋波防夾技術(shù)的基本原理，比較了紋波方案相對于霍爾在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢。雖然霍爾方案以其成熟技術(shù)和高可靠性，占據(jù)著目前市場上車窗防夾應(yīng)用的主導(dǎo)地位，但是隨著機械加工工藝和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紋波技術(shù)市場份額的增加趨勢將越發(fā)明顯。
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