孟祥和，王衛(wèi)東

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253000）

電動車窗防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟祥和，王衛(wèi)東

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動車窗防夾系統(tǒng)已經(jīng)成為轎車的必備功能之一，車窗在上升過程中，能夠檢測到運(yùn)動過程中出現(xiàn)的夾緊力或者障礙物，一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，就會改變電機(jī)的運(yùn)動方向或者停止電機(jī)的運(yùn)行，現(xiàn)在市場上大部分轎車已經(jīng)具備了這種安全功能。通過車載電源驅(qū)動車窗玻璃的升降，防止車窗夾傷乘客造成安全問題甚至生命危險，在不影響車輛方便性和外觀的前提下，設(shè)計(jì)電動車窗防夾系統(tǒng)是非常必要的。

電動車窗；車輛安全；防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 電動車窗防夾系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，福特汽車公司開始在汽車上裝備電動車窗防夾技術(shù)，目前被越來越多的汽車制造商采用，并不斷研發(fā)和創(chuàng)新。汽車的車窗升降系統(tǒng)非常復(fù)雜，機(jī)械、環(huán)境等諸多因素都會影響電動車窗的自動運(yùn)行情況，歐美等發(fā)達(dá)國家針對電動車窗防夾技術(shù)的研究已經(jīng)有數(shù)十年，技術(shù)比較成熟，而我國的汽車電子技術(shù)研究時間并不長，汽車工業(yè)的整體發(fā)展水平較為落后，國產(chǎn)汽車制造商很少采用電動車窗防夾技術(shù)和裝置。隨著國外對汽車電子技術(shù)的可靠性、安全性要求逐漸提高，很多知名汽車制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力、財(cái)力，研究更加智能、高效的電動車窗防夾系統(tǒng)。目前采用的技術(shù)主要有：車窗升降電機(jī)傳動系統(tǒng)、汽車運(yùn)行工況和環(huán)境改變防誤夾系統(tǒng)等。

2 電動車窗防夾系統(tǒng)分析

（1）設(shè)計(jì)要求。要實(shí)現(xiàn)有效的電動車窗防夾功能，需要對車窗的防夾區(qū)域、防夾執(zhí)行動作和防夾閾值力進(jìn)行定義。文章采用的為歐洲74/60/EEC或者美國MVSS118標(biāo)準(zhǔn)：防夾區(qū)域?yàn)榫嚯x門窗頂端4mm到200mm的區(qū)域；防夾閾值力為100N；遇到障礙物后，車窗電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，車窗玻璃下降一段距離后停止，等到用戶的進(jìn)一步操作。

（2）設(shè)計(jì)原理。要提高電動車窗的安全可靠性和實(shí)時響應(yīng)性，針對運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的異常情況，需要解決的問題有以下方面：判斷車窗玻璃是在下降還是上升；判定車窗玻璃的位置；判定車窗電機(jī)的負(fù)載；發(fā)生異常情況的快速響應(yīng)；防夾系統(tǒng)算法的自適應(yīng)性和魯棒性。

（3）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。汽車的四個車門車窗采用相同的系統(tǒng)，為了方便系統(tǒng)管理和系統(tǒng)集成，使用LIN總線將四個車窗系統(tǒng)連接起來，駕駛員所在車窗系統(tǒng)為總線的主節(jié)點(diǎn)，另外三個為從節(jié)點(diǎn)，駕駛員使用車窗系統(tǒng)功能能夠?qū)θ克膫€車窗進(jìn)行分布式控制，也可以使用CAN網(wǎng)絡(luò)和中央控制聯(lián)網(wǎng)，接入整車分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

3 電動車窗系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）霍爾定位的硬件設(shè)計(jì)。在電動車窗系統(tǒng)中，霍爾傳感器起到采集信號的重要作用，采用日本Allegro生產(chǎn)的霍爾傳感器，安裝方法為：安裝時將四個磁鋼片對稱在埋置在電機(jī)的輸出軸上，運(yùn)用霍爾傳感器來感應(yīng)磁場，電機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就能夠輸出四個脈沖，然后單片機(jī)捕獲脈沖并計(jì)算脈沖數(shù)量。當(dāng)車窗玻璃上升時，脈沖數(shù)量增加，反之脈沖數(shù)量減少。

（2）電流采樣的硬件設(shè)計(jì)。在車窗玻璃上升時，如果遇到了障礙物，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩就會增加，也就是說，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩對障礙物的感應(yīng)非常敏感，可以將其閾值作為監(jiān)測障礙物的指標(biāo)，但是電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩測量較為困難，因

此可以采用間接的方法，將測量負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為測量電樞電流。如圖1所示，電流流過電機(jī)電樞后經(jīng)過采樣，放大輸出到單片機(jī)中，其中電容起到濾波的作用，穩(wěn)壓管用來保護(hù)微處理器。

圖1 電流采樣圖

然后對上式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到：

聯(lián)立上述兩個算式，可以得到：

4 防夾系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）防夾系統(tǒng)的算法。從兩個方面考慮電動車窗防夾系統(tǒng)的算法，一是電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率閾值，二是防夾閾值力。按照歐洲或者美國標(biāo)準(zhǔn)，防夾閾值力為100N。對于電動車窗防夾系統(tǒng)的算法，其核心為車窗在上升或者自動上升狀態(tài)時，通過霍爾傳感器計(jì)算脈沖數(shù)量來判斷車窗玻璃是否進(jìn)入了防夾區(qū)域，通過障礙物檢測來監(jiān)測電樞電流和變化率情況，如果超出閾值則可能出現(xiàn)了異常情況。

（2）應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。使用微處理器內(nèi)部時鐘頻率為8 MHz，內(nèi)部存儲32k字節(jié)，運(yùn)行內(nèi)存1k字節(jié)，ADC為10字節(jié)，是一種8位微處理器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較為完善的功能。編寫軟件時，為了便于后期修改和維護(hù)，可以采用結(jié)構(gòu)化或者模塊化的編寫方法，使用標(biāo)準(zhǔn)C語言來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的各個功能，應(yīng)用程序功能包括軟件初始化、硬件初始化、脈沖計(jì)數(shù)、按鍵監(jiān)測、障礙物監(jiān)測、A/D轉(zhuǎn)換等，采用μC/OS系統(tǒng)建立四個任務(wù)，分別是：按鍵監(jiān)測：viod Task_KeyScan（void*pdata）；障礙物監(jiān)測：void Task_ObsDetc（void*pdata）；脈沖計(jì)數(shù)：void Task_PulseCount（void*pdata）；電機(jī)控制：void Task_DcCtrl（void*pdata）；根據(jù)電動車窗防夾系統(tǒng)的需求，任務(wù)優(yōu)先級為13、12、11、10。

5 電動車窗系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)計(jì)

霍爾脈沖計(jì)數(shù)和車窗防夾區(qū)域存在一個對應(yīng)關(guān)系，可以通過實(shí)驗(yàn)來得到這個關(guān)系并制作成關(guān)系表，為了防止回程誤差產(chǎn)生影響，當(dāng)車窗玻璃在頂端時，脈沖計(jì)數(shù)為標(biāo)定的最大值；車窗玻璃到達(dá)底端時，脈沖計(jì)數(shù)歸零。對于玻璃在防夾閾值力下的電樞電流，也可以通過實(shí)驗(yàn)測得，寫入單片機(jī)和存儲器中，并且要隨著車輛使用時間的增加不斷更新，可以在車窗防夾系統(tǒng)出現(xiàn)異常時人為改寫。

6 結(jié)語

綜上，隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子產(chǎn)品前景廣闊，車窗系統(tǒng)是汽車的主要組成部分之一，現(xiàn)今電動車窗防夾系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車的標(biāo)配，也是影響消費(fèi)者購買汽車產(chǎn)品的因素之一，很多消費(fèi)者認(rèn)識到電動車窗防夾系統(tǒng)對于車輛安全的重要性，我國汽車制造企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也針對電動車窗防夾系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文章設(shè)計(jì)采用霍爾脈沖定位法和電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率閾值法進(jìn)行了電動車窗防夾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，每個車窗都由獨(dú)立的微處理器控制，使用了多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)μC/OS，系統(tǒng)的響應(yīng)性和可靠性得到了提高。總體來說，這套電動車窗防夾系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、相應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，證實(shí)了防夾系統(tǒng)算法的可行性。

Design of the Clamp System of Electric Windows

MENG Xiang-he，WANG Wei-dong
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

With the continuous development of science and technology，electric windows clamp system has become a necessary function of car,which can detect movement and obstacles in the rise of windows.Once abnormal situation appears，the engine will change the movement or stop.Now most cars in the market have this safety function.The paper puts forward that car power driven windows can prevent passengers from in jury or danger.Therefore，it is necessary to design electric Windows anti clamping system without affecting the convenience and appearance of cars.

electric Windows；vehicle safety；clamping system design

U463.835

A

2095-980X（2016）10-0059-02

2016-09-05

孟祥和（1994-），男，山東濟(jì)寧人，大學(xué)本科，主要研究方向：汽車工程系交通運(yùn)輸。