一种轿车电动车窗防夹控制系统设计

0 引言
    随着现代汽车电子技术的进步，汽车内传统的零部件及总成也在向机电一体化发展。汽车中大量应用的电子设备，不仅提高了汽车的舒适性，也对汽车的安全性提出了新的要求。为了方便驾驶员和乘客，大量汽车采用电动车窗，许多电动车窗都不具有防夹功能，容易造成对乘员尤其是儿童的伤害。美国交通部颁布了针对电动车窗开关系统的法规FMVSSll8，对车窗防夹相关参数做出了明确规定，并规定在2008年10月1日之后在北美出售的轿车和小型货车都必须强制执行该规定。虽然我国还没有就该问题做出法律上的规定，但为安全起见，开发具有防夹功能的车窗控制模块是完全必要的。
    参考了文献后，本文的防夹设计方案采用将霍尔传感器检测电机转速和检测电机电流变化情况结合起来实现防夹功能，该方案避免了车窗防夹系统易受外界环境影响的缺陷，确保防夹效果可靠，成本较低，可以不必改动传统车门的生产工艺，在改造电动车窗无防夹功能的老车型时，可以不改变现在已成型的汽车车门的机械结构和电路结构，只需替换电动车窗升降控制器，十分方便。

1 电动车窗防夹设计方案
    所谓防夹，就是指在电动车窗上升过程中夹住物体并达到一定力度后，让电动车窗自动停止或回落，用以防止物体(尤其是人体)被夹伤。车窗的升降过程中，只有车窗上升阶段需要进行防夹控制，所定义的防夹区为从离电动车窗玻璃无障碍上升运动的最大位置(顶端)4～200 mm的区域。该定义符合欧洲74／60／EEC和美国FMVSSll8的相关要求。只有在防夹区域才启动防夹功能。所以防夹设计首先应该确定车窗的当前位置。
1．1 车窗位置的确定
    车窗控制电机的旋转会带动钢丝绳的运动，从而控制车窗的上下移动。在车窗移动过程中，电机转动的圈数和车窗的运动距离成正比，电机转子转动一周，会使霍尔传感器产生方波脉冲信号。当车窗从最低位置升到顶部过程中，可以通过MCU对霍尔传感器输出的脉冲信号进行计数，从车窗的最底端到最顶端，上下反复3次，取其平均值nth，作为标定的基准，并记录在E2PROM中。之后，软件控制从车窗的最底端位置开始运行(此时为人工操控，车窗运行到最底端，电机堵转)，且计数从零开始，上升过程根据当前的计数值进行加计数，下降过程根据当前的计数值进行减计数。因此，通过霍尔传感器的脉冲输出及计数方案可实时确定车窗的当前位置，并根据欧洲74／60／EEC和美国FMVSSll8标准的规定确定车窗是否在防夹区域。对于本系统，测量过程中脉冲计数的误差可忽略不计，对于长期运行中可能造成的误差可用定期标定的方式加以解决。
1．2 防夹方案的确定
    本系统采用检测电机电枢电流方式来确定车窗在上升过程中是否遇到障碍物，方案在具体实施过程中要解决如下问题：
    (1)确定防夹区域及车窗位置。遵照欧洲74／60／EEC和美国FMVSSll8标准确定出相应的防夹区域及车窗位置。
    (2)防夹时的电机电枢电流阈值ith的确定，即在防夹区域内电流值上升到所设定的阈值后即认为遇到障碍物，启动车窗防夹功能．这里存在的问题是：车窗按键刚刚按下(无论是上升或下降)，车窗电机刚刚启动时，由于电机的反电动势还没有建立，因而电流会有短时间的较大幅值，这时的电流幅值往往比所设定的防夹电流阈值还要大，需要将这种电流幅值较大的状态和在车窗上升过程中遇到障碍物产开来。车窗电机启动后延时50 ms后，再进行电流检测，这样可以避免电机启动初期电流瞬时过冲对防夹电流阈值设定的影晌。实际设计中，应用一块可用于诊断功能的中央控制器，配合武汉吉阳光电公司生产的USB-CAN200工具，将运行过程中的数据反馈到PC机上，以Excel表格方式呈现，并可绘出图形，进而方便地定出阈值ith，并通过多次运行试验确定合适的阈值。
    (3)MCU和功率驱动器件的选取。防夹方案中涉及到较多的实时检测和实时计算，要求MCU的计算能力较高，方案中软件的实现基于移植μC／OS-Ⅱ实时操作系统方案，因此选择欧洲车系上流行的、性能较高的英飞凌XCl64CS MCU，功率驱动芯片选择具有故障诊断功能的BTS781芯片。

2 防夹系统硬件设计
    车门控制系统包括电动车窗控制系统和电动后视镜控制系统两部分，防夹电动车窗是车门控制系统的一个子模块，在整个车门控制系统中，采用了一种“总体分布，局部集中式”的控制方案，如图1所示。即将左侧前后两个车门的控制作为一个ECU模块，右侧前后两个车门的控制作为另一个ECU模块，两个模块之间以及模块与中央控制器之间均以CAN总线方式连接。

    防夹系统硬件设计以BTS781为核心，通过ST1，ST2，IH1，IH2，IL1，IL2端口和微控制器XCl64CS芯片连接，接收微控制器发出的指令，来控制车窗的升降。通过在全桥驱动芯片BTS781的2和13号引脚上串接一个5 mΩ的电阻R37来检测电机电枢电流变化，经过低通滤波和放大，送入MCU的A／D端口进行采样，如图2所示。

    车窗位置测定采用霍尔传感器输出脉冲计数的方式实现。采用英飞凌TLE4923霍尔传感器，直接输出方波信号，经低通滤波，将脉冲信号输入MCU对其进行计数，进而确定车窗的当前位置，如图3所示。

3 软件设计
    系统的软件设计不但要考虑控制的方便性，也要考虑将来功能的扩展性。因此，本系统的软件设计基于实时操作系统，即首先将μC／OS -Ⅱ实时操作系统内核移植到XCl64CS MCU上，之后将防夹车窗控制以其中的一个任务的方式添加上去。
3．1 μC／OS-Ⅱ实时操作系统内核移植
    所做的移植，就是将μC／OS-Ⅱ实时内核移植到XCl64CS微控制器上。由于μC／OS-Ⅱ在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现，所以一些与处理器相关的代码要用汇编语言写，但大部分的μC／OS-Ⅱ代码用C语言编写。移植工作主要使μC／OS-Ⅱ正确定义和使用XCl64C-S。具体请参考本文作者撰写的文章，此处不再赘述。
3．2 防夹电动车窗软件设计
    在所设计的硬件平台上将μC／OS-Ⅱ实时操作系统移植后，将防夹电动车窗控制以任务方式加入，并参照前文内容实现防夹功能，其流程图如图4所示。

    控制器XCl64CS上电启动时，从E2PROM中读取nth，ith等初始数据，检测电源电压，当电压值平稳后，读取E2PROM中存储的车窗位置，然后读取按键输入，如果有升降车窗操作，就设置对应的开关信号来驱动芯片BTS781中的MOS管T1，T2，T3，T4。如果车窗向上运动，计时器开始计时，霍尔传感器脉冲信号加计数，延时50 ms后，检测电流值是否过流，在车窗上升过程中如果检测到了过流信号，即车窗电机的电流值大于电流阈值ith，而车窗位置又处于防夹启动区域，则判定车窗遇堵，控制器就输出方向开关信号，通过MOS管T1，T2，T3，T4驱动电机反转1 s后停止，防夹操作完成。不论电机升降运动，控制器都会通过计数程序记录霍尔传感器的脉冲信号数，据此可判断车窗的相对位置，并在需要时把该位置信息写入E2PROM。

4 测试
    通过完成硬件的制作和软件的编程后，制作了实验台架。对台架进行测试试验后，得到如图5所示试验结果，将试验结果用Excel图表绘制后如图5右上侧的曲线图，用示波器实际测试的电流变化曲线图如图5右下侧曲线图所示。示波器实际测试曲线变化说明如表1所示。

    从图5中可见，测试结果绘制的图形和示波器实际测试图形相同，达到预期的防夹效果。

5 结语
    阐述了一种电动车窗的防夹设计，在不改变原有安装结构基础上实现了车窗的防夹功能。其关键是设计合适的电流检测阈值，本研究在基于实验的基础上给出了电流阈值，制作了测试台架。测试结果表明，本文所做的设计可实现可靠的车窗防夹功能。