基于電流紋波的電動(dòng)車窗位置的準(zhǔn)確性判斷方法探討

作者/王道成 秦浩 上海鎣石汽車技術(shù)有限公司

　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車電子部件越來越多地被應(yīng)用于現(xiàn)代汽車中，為汽車提供了更好的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。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(dòng)車窗。而具有防夾功能的電動(dòng)窗應(yīng)用于汽車始于20世紀(jì)90年代，當(dāng)玻璃上升途中遇到人力障礙時(shí)會(huì)自動(dòng)識(shí)別而反向運(yùn)行，防止乘員夾傷，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)配置，目前國內(nèi)新推出的高端車型已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。由于低成本方案的推出，經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確是車窗的防夾功能的正常實(shí)現(xiàn)的前提。

　　1準(zhǔn)確判斷電動(dòng)窗位置的重要性

　　法規(guī)規(guī)定，具有自動(dòng)上升功能的車窗必須配備自動(dòng)防夾功能。即當(dāng)車窗在自動(dòng)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(duì)車窗的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和判斷。

　　圖1 法規(guī)防夾區(qū)域

　　如果車窗位置計(jì)算不準(zhǔn)確會(huì)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(jì)算不準(zhǔn)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。

　　圖2 防夾車窗

　　2) 車窗自動(dòng)上升過程中，如果車窗位置計(jì)算不準(zhǔn)確，車窗就會(huì)到頂部位置認(rèn)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(gè)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(dāng)重要的。

　　由以上三點(diǎn)分析可知，車窗位置判斷的準(zhǔn)確在防夾功能中，既有非常重要的意義。

　　2電動(dòng)窗位置判斷的原理

　　從機(jī)械的角度講，電動(dòng)車窗砸升降時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車窗的上下開閉。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一定的角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)一定行程，因此車窗運(yùn)動(dòng)的行程與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。通過計(jì)算電機(jī)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(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。玻璃位置的檢測(cè)是通過對(duì)控制模塊中的霍爾傳感器發(fā)出的方波進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)中通過單片機(jī)芯片的輸入捕捉功能記錄車窗運(yùn)行過程中的脈沖個(gè)數(shù)，通過學(xué)習(xí)，將車窗的上密封條記為位置0，而下密封條為最大位置。在車窗上升過程中將位置計(jì)數(shù)器減1，上升到頂時(shí)位置計(jì)數(shù)器清0，下降時(shí)位置計(jì)數(shù)器加l。因此，可按照要求確定防夾區(qū)界限對(duì)應(yīng)的位置計(jì)數(shù)器的值。通過對(duì)位置計(jì)數(shù)器的值的檢測(cè)可以間接判斷玻璃的位置。

　　圖3 霍爾原理

　　脈沖計(jì)數(shù)方式的關(guān)鍵問題在于位置記錄要精確，但在試驗(yàn)中卻存在電機(jī)切斷電源后依舊會(huì)發(fā)出幾個(gè)脈沖的問題，這幾個(gè)脈沖由慣性造成，而且不同的玻璃升降器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)不同。這些脈沖對(duì)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(shí)，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(shí)則有可能造成車窗位置移動(dòng)，特別是下降途中人為停止時(shí)對(duì)車窗位置的影響更大。為了減小這種影響，與電機(jī)通電運(yùn)動(dòng)時(shí)位置計(jì)數(shù)一樣，在算法中捕捉這些脈沖。如果當(dāng)前為下降狀態(tài)，則對(duì)電機(jī)斷電后產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置加法操作，如果當(dāng)前為上升狀態(tài)，則對(duì)電機(jī)斷電后產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置減法操作。

　　2.2紋波原理

　　電機(jī)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(chǎng)的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)邊緣是磁場(chǎng)變?nèi)?，電?dòng)勢(shì)減小，電流增大。換向器改變轉(zhuǎn)子線圈的電流方向，重新進(jìn)入磁場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)增大，電流減小。轉(zhuǎn)子線圈不斷轉(zhuǎn)動(dòng)、電動(dòng)勢(shì)和電流不斷變化，從而紋波不斷產(chǎn)生。所以紋波是電機(jī)的固有特性，通過計(jì)算紋波的個(gè)數(shù)就能計(jì)算出轉(zhuǎn)子換向的次數(shù)，就能計(jì)算出窗戶的相對(duì)位置，結(jié)合時(shí)間就能得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　圖4 紋波原理

　　由于電機(jī)在啟動(dòng)，停止，反轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)時(shí)的紋波特征不明顯。如圖5和圖6，不能精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)紋波個(gè)數(shù)。只能通過算法進(jìn)行補(bǔ)償。這樣紋波計(jì)數(shù)必然和實(shí)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(huì)跟著累積。

　　圖5 特殊場(chǎng)景一

　　圖6 特殊場(chǎng)景二

　　出于舒適性對(duì)機(jī)構(gòu)噪聲要求和電機(jī)機(jī)構(gòu)的壽命保護(hù)。往往要求車窗到頂和到底停止做軟停止，即不是做堵轉(zhuǎn)停止，而是通過準(zhǔn)確判斷車窗的位置，在接近頂或底的時(shí)候，停止對(duì)電機(jī)的輸出，通過慣性將車窗關(guān)滿。通過策略經(jīng)過幾次的操作車窗后才關(guān)閉軟停止，做堵轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)車窗位置，消除誤差積累。這對(duì)車窗位置判斷精準(zhǔn)度提出了更大的挑戰(zhàn)。

　　3判斷基于電流紋波的電動(dòng)車窗位置的準(zhǔn)確性的3種方法

　　3.1霍爾比較法

　　軟件開發(fā)前期，使用霍爾電機(jī)來開發(fā)紋波計(jì)數(shù)算法。開發(fā)2套算法。一套霍爾計(jì)數(shù)。一套紋波計(jì)數(shù)。通過霍爾計(jì)數(shù)值做車窗位置參考。來矯正紋波計(jì)數(shù)。給紋波補(bǔ)償和標(biāo)定提供基準(zhǔn)參考。通過高低溫高低壓組合多次實(shí)驗(yàn)，如果通過霍爾計(jì)數(shù)得出的車窗位置和紋波計(jì)數(shù)得出的車窗位置做差值。如果在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程始終是小于4 mm。那么可以認(rèn)為紋波計(jì)算算法是準(zhǔn)確的。此方法適用于算法開發(fā)階段，非常方便于開發(fā)者，方便做算法優(yōu)化和標(biāo)定值選取。但是由于霍爾傳感器精度不高，(一般一個(gè)霍爾電機(jī)上會(huì)裝有2個(gè)霍爾傳感器，一個(gè)用于計(jì)算霍爾方波個(gè)數(shù)，一個(gè)用于相位判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向)所以霍爾方法本身也會(huì)存在一定的誤差。只能做參考。真正紋波防夾升降器在產(chǎn)品階段是沒有霍爾傳感器的。

　　3.2多次不到頂和到底操作后4 mm防夾法

　　有軟停止功能的紋波計(jì)數(shù)的誤差清除策略往往是車窗操作經(jīng)過一個(gè)標(biāo)定值的次數(shù)n后進(jìn)行堵轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)(前n次的停止做軟停止，誤差會(huì)累積)。因此我們可以通過n操作升降窗不到頂和底，不讓車窗做堵轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)消除累積誤差。在第n+1次后拿4 mm測(cè)試棒放在窗頂(如圖7.)，讓其做4mm防夾反轉(zhuǎn)。如果能堵轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，那么接下來要撤掉4 mm測(cè)試棒，執(zhí)行自動(dòng)升窗，如果也能完成自動(dòng)升降并關(guān)滿車窗。則可以說明紋波計(jì)數(shù)算法是比較準(zhǔn)確的。

　　為什么第n+1次后防夾反轉(zhuǎn)后還要做確認(rèn)是否能自動(dòng)升窗把窗關(guān)滿這一項(xiàng)。因?yàn)榈趎+1次能防夾反轉(zhuǎn)有可能是誤差是向下誤差，比如在4 mm處軟件算法可能認(rèn)為是10 mm處或其他。那么誤差較大的情況下也可防夾反轉(zhuǎn)。這種情況執(zhí)行自動(dòng)上升的時(shí)候，在車窗0位置就有可能誤認(rèn)為是防夾區(qū)域，從而導(dǎo)致關(guān)窗時(shí)候遇到頂又做防夾反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致關(guān)窗不滿。如果誤差是向上偏的，比如在10 mm位置，紋波計(jì)數(shù)算法認(rèn)為是在小于4 mm的非防夾區(qū)域，就不做防夾反轉(zhuǎn)。那么車窗就會(huì)在4 mm棒處停止升窗。

　　此方法簡單直接，不需要借助太多的測(cè)試工具，可操作性強(qiáng)，適用于整個(gè)過程。非常適用于測(cè)試人員測(cè)試驗(yàn)收。

　　圖7 4 mm防夾測(cè)試

　　3.3紋波計(jì)數(shù)清零判斷法

　　紋波計(jì)數(shù)算法里，軟件里必然有用來代表紋波個(gè)數(shù)或車窗位置的變量，無論哪種策略，紋波的累積誤差的終究是必須消除的。那么在消除清0的前一個(gè)值就是誤差的累積值。通過監(jiān)控這個(gè)值。如果這個(gè)值始終對(duì)應(yīng)的車窗位置是小于4 mm，那么肯定這個(gè)紋波計(jì)數(shù)算法是比較準(zhǔn)確的。此方法判斷的準(zhǔn)確性最高，適用用與整個(gè)過程。但是需要借助較多的其他輸出顯示工具。比較適用于開發(fā)人員。不方便測(cè)試人員。

　　4結(jié)論

　　本文首先闡述了電動(dòng)車窗位置判斷準(zhǔn)確性的重要性，然后分別介紹了基于霍爾的和基于電流檢測(cè)的電動(dòng)窗的位置的判斷原理。就基于紋波的電動(dòng)車窗位置的準(zhǔn)確性的判斷3個(gè)方法進(jìn)行了列舉詳細(xì)的闡述。綜合全文可知，電動(dòng)窗的位置的判斷的準(zhǔn)確性對(duì)車窗的防夾功能的正常實(shí)現(xiàn)影響很大。因此，希望本文檔內(nèi)容能夠給國內(nèi)整車廠和供應(yīng)商在防夾電動(dòng)窗開發(fā)和評(píng)估工人員一些參考。

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