許師中　蘭靛靛　方遒

摘 要：針對學(xué)生學(xué)習(xí)汽車電器實踐課程內(nèi)容提升需求，對車窗電機(jī)的工作電流信號進(jìn)行處理，利用電流紋波的周期信號與電流值，設(shè)計制作具有防夾功能的開放性汽車關(guān)窗器實驗裝置，可以使學(xué)生得到比課本更深入、更直觀的車窗防夾知識。

關(guān)鍵詞：電動車窗 防夾 實踐教學(xué)

1 引言

根據(jù)美國交通部針對電動車窗系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSll8要求，以及我國的規(guī)定[1]要求從2012年開始，使用電動玻璃升降器的新增車輛應(yīng)該具有防夾功能，所以目前國內(nèi)小車基本采用防夾電動車窗。按照防夾要求，升窗過程在防夾區(qū)域遇到100N阻力時，應(yīng)啟動防夾處理程序。這樣的表述對于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解防夾參數(shù)比較抽象，若能通過示波器觀察車窗電機(jī)工作時與標(biāo)準(zhǔn)要求對應(yīng)的相關(guān)電流參數(shù)，就比較容易理解車窗防夾機(jī)理，并能正確使用電動車窗。

《汽車電器與電子技術(shù)》理論課對“電動車窗”介紹不涉及防夾功能方面的知識，實踐課程中“電動車窗”模塊僅要求控制線路的連接，這些比較簡單。因此，設(shè)計一個實驗裝置，方便示波器觀察、測量車窗電機(jī)工作過程的電參數(shù)，并根據(jù)需要，方便在線修改控制程序及控制參數(shù)，可以滿足學(xué)生擴(kuò)展電動車窗模塊知識深度和廣度需求。

2 電動車窗防夾主要檢測方式

目前電動車窗的防夾主要有三種檢測方式：

①電流防夾判斷：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動阻力與電流大小接近線性關(guān)系進(jìn)行判斷，當(dāng)電機(jī)電流持續(xù)一段時間內(nèi)大于某個數(shù)值又小于堵轉(zhuǎn)電流時，視為遇阻需要防夾。該方法成本低，但因電流紋波的影響，對電流值采樣不夠準(zhǔn)確，只能粗略地進(jìn)行判斷。

②霍爾傳感器防夾判斷：安裝在電機(jī)上的2個或2個以上霍爾傳感器在電機(jī)轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的方波轉(zhuǎn)速信號能準(zhǔn)確定位車窗的位置，同時電機(jī)轉(zhuǎn)速即霍爾傳感器輸出的方波信號周期與所受阻力接近反比例關(guān)系，因此，利用霍爾傳感器方波信號周期變化情況判斷是否需要防夾處理[2][4]。該方法成本較高，防夾反應(yīng)速度比電流防夾方式慢，但控制較為穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

③霍爾傳感器與電流結(jié)合防夾判斷：測量電機(jī)工作電流大小，結(jié)合霍爾傳感器輸出轉(zhuǎn)速信號，可以準(zhǔn)確進(jìn)行防夾判斷[3][4]。

3 設(shè)計方案概述

本方案利用檢測電機(jī)的電流值、電流紋波周期相結(jié)合的方法設(shè)計防夾汽車關(guān)窗器。有刷直流電機(jī)在換相過程中會產(chǎn)生電流紋波，紋波個數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速和換向片的數(shù)量成比例關(guān)系，只要電流紋波經(jīng)整形成方波信號，即可替代霍爾傳感器的方波信號，能準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行車窗防夾判斷、控制[5][6]，也可增設(shè)學(xué)習(xí)功能，方便車窗防夾的調(diào)校。

圖1是霍爾傳感器信號與電流紋波信號比較，可以看出電流紋波頻率是霍爾信號頻率的10倍，電流紋波的頻率比霍爾傳感器的輸出頻率更高，那么控制系統(tǒng)判斷時間更短。根據(jù)采用的防夾算法用時計算，此方法大約只占用霍爾傳感器輸出一至二個方波信號時間，也就是說在車窗同時夾物后，霍爾傳感器得到第一個防夾數(shù)據(jù)時，基于紋波的檢測方法已經(jīng)得到10個防夾數(shù)據(jù)，已經(jīng)完成了防夾的判斷，并且進(jìn)行防夾處理了。可見電流紋波的檢測方式處理速度比霍爾傳感器更快。

本套車窗防夾系統(tǒng)采用的電流紋波——方波轉(zhuǎn)化模塊是關(guān)鍵技術(shù)電路。一般硬件的波形變換電路只在電流值變化平緩時可以正常地把近似交流信號轉(zhuǎn)化成方波信號，但在電機(jī)電流陡升階段很難把紋波信號轉(zhuǎn)化成方波信號，如圖2中電機(jī)通電瞬間、受阻上升和正常到頂階段的電流紋波信號就不容易轉(zhuǎn)化成方波信號，所以常用方法是采用性能較好的MCU進(jìn)行軟件算法處理后得到電流紋波周期[7]。

方案采用純硬件電路模塊處理后，即使電流陡升或陡降階段均可以得到電流紋波的方波周期信號[5]。這僅使用普通MCU，不需要大量算法處理，簡化了數(shù)據(jù)處理難度，適合絕大部分學(xué)生的知識和能力水平，并且可提高防夾反應(yīng)速度。我們基于這兩個信號及其特點，設(shè)計其余硬件電路，引出電機(jī)電流信號、方波信號供示波器觀察使用，并優(yōu)化防夾處理算法和軟件抗干擾方法，即可實現(xiàn)準(zhǔn)確的防夾判斷處理、實用直觀的實踐教學(xué)功能。

4 系統(tǒng)組成

4.1 硬件部分

硬件部分分為：單片機(jī)系統(tǒng)電路、信號檢測與電機(jī)驅(qū)動電路兩部分。圖3為原理框圖，圖4為實物圖，分別為兩塊PCB板，兩板用數(shù)據(jù)線相連，可以靈活跳線。信號檢測與電機(jī)驅(qū)動電路板可以匹配多種品牌和系列的MCU，MCU系統(tǒng)電路板可以自己設(shè)計，也可以外購現(xiàn)成最簡系統(tǒng)板，這種設(shè)計應(yīng)用于實踐教學(xué)，具有很好的拓展性和開放性。

4.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)系統(tǒng)采用HT66F70A單片機(jī)作為主控芯片的最簡系統(tǒng)電路，含有按鍵控制識別、數(shù)據(jù)測量及車窗電機(jī)控制信號的產(chǎn)生等功能，具有在線編程，或直接修改控制參數(shù)功能。

4.1.2 信號檢測與電機(jī)驅(qū)動電路

信號檢測與電機(jī)驅(qū)動電路具有電流信號、外部控制信號檢測和升窗電機(jī)的驅(qū)動功能。

在ACC處于OFF狀態(tài)下，系統(tǒng)檢測到中控鎖落鎖信號后，電機(jī)驅(qū)動電路根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)輸出的信號，控制繼電器給車窗電機(jī)供電，電機(jī)的工作電流經(jīng)過10 mΩ的取樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，利用差分放大電路對電壓信號進(jìn)行放大。放大后的信號分三路輸出，第一路直接送到板外測試口，用于示波器觀察電流波形;第二路信號經(jīng)過紋波平滑電路送到HT66F70A的A/D端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過簡單運算，可得到電機(jī)的電流值;第三路信號經(jīng)過低通濾波后，送到紋波---方波轉(zhuǎn)化電路，把電流紋波信號轉(zhuǎn)化成方波信號，再送到HT66F70A的外部中斷端口進(jìn)行頻率檢測，同時把方波信號輸出板外測試口，用示波器觀察變換后的方波信號。

單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)檢測的電流參數(shù)控制電機(jī)驅(qū)動電路實現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等動作，完成關(guān)窗動作后，最后模塊自動斷電。

4.2 軟件部分

根據(jù)防夾方案，應(yīng)用程序主要由學(xué)習(xí)模式與正常工作模式兩部分構(gòu)成，并包含抗1 kHz 以上干擾頻率等處理功能，軟件流程如圖5所示。

4.2.1 防夾算法簡述

防夾與正常升頂?shù)呐袛嗌婕瓣P(guān)窗器工作的可靠性，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。利用已有的電流值和方波信號，還需采用合理的算法，才能明顯減少系統(tǒng)的誤判。

車窗正常升頂與受阻升窗時（圖2），電流值與紋波幅度都增大，但電流/時間的斜率是不同的，正常升頂?shù)男甭瘦^大，即電流紋波周期變化較大;受阻狀態(tài)的斜率較為平緩，即受阻狀態(tài)下電流紋波周期變化緩慢，如圖6所示的遇阻防夾處理波形，這正是我們區(qū)分正常到頂與上升過程受阻的判斷依據(jù)。

根據(jù)設(shè)計的硬件特性，可以對電流紋波——方波轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換出來的方波信號與電流紋波的特定相位進(jìn)行精確采樣，使方波的下降沿對應(yīng)紋波電流的峰值處，單片機(jī)可利用下降沿中斷觸發(fā)對電流峰值采樣。

4.2.2 運行模式簡述

系統(tǒng)通電后，有兩種工作模式：學(xué)習(xí)模式與正常工作模式。

①學(xué)習(xí)模式：在進(jìn)入學(xué)習(xí)模式后，系統(tǒng)測量車窗防夾起始點后的幾個數(shù)據(jù)：正常上升過程、外掛重物時上升過程不同狀態(tài)下的工作電流、電流紋波周期，以及正常升窗時電機(jī)堵轉(zhuǎn)前幾個電流紋波周期和對應(yīng)電流值，保存在MCU內(nèi)作為參考值。

②工作模式：車窗玻璃上升時，系統(tǒng)同時檢測電流值和紋波周期。在電流達(dá)到防夾閾值后，若紋波周期迅速變大，且周期大于50 ms 即可判斷正常到頂，電機(jī)快速斷電;當(dāng)紋波周期變化相對緩慢時，可以判斷是遇到阻力，需要防夾處理，這時單片機(jī)系統(tǒng)需要控制電機(jī)反轉(zhuǎn)1秒（或根據(jù)實際需要），延遲一段時間后，重新進(jìn)入關(guān)窗程序，最后完成關(guān)窗動作，并自動切斷關(guān)窗器系統(tǒng)供電。

4.2.3 軟件抗干擾設(shè)計

系統(tǒng)抗干擾設(shè)計應(yīng)考慮軟、硬件配合設(shè)計，以提高整個系統(tǒng)抗干擾能力。軟件抗干擾處理從以下三個方面進(jìn)行：

①車窗電機(jī)在起動的瞬間（參見圖6），電流遠(yuǎn)大防夾電流閾值，不需電流采樣，因此在電機(jī)起動延時50ms后，單片機(jī)才開始對車窗電機(jī)進(jìn)行電流采樣。

②對1KHz以上干擾頻率的濾除處理：因為電流紋波頻率不會超過1KHz，因此1KHz以上的信號是干擾信號，將周期低于1ms的采樣點濾除不做A/D轉(zhuǎn)換，只做時間累加。

③從觸發(fā)防夾電流閾值后2～3個周期開始，計算N個周期內(nèi)，電流變化量與時間的比例系數(shù)。這種算法以數(shù)據(jù)量多的方式能極大的減小因局部擾動而造成整體的誤差。

5 結(jié)語

本實驗裝置拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，同時提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，受到學(xué)生的歡迎和好評。在學(xué)生完成《汽車電器與電子技術(shù)實訓(xùn)》課程的“電動車窗”模塊控制電路連線后，增加本實驗裝置演示內(nèi)容，利用示波器觀察電機(jī)正常工作、升窗遇阻過程的電流波形變化情況，可以清楚觀察到電機(jī)通電瞬間以及到頂堵轉(zhuǎn)時的電流都很大，車窗電機(jī)中間工作狀態(tài)電流也比較大，這些可以使學(xué)生知道電動車窗的正確使用方法：正常使用時避免電動窗頻繁啟停，以免造成電機(jī)過熱失靈或損壞;應(yīng)當(dāng)避免多扇車窗同時工作，以免模塊供電線路因工作電流劇增出現(xiàn)故障。通過遇阻電流波形與到頂電流波形的比較，用定量、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)使學(xué)生更容易理解防夾電動車窗的工作原理和防夾處理方法。

因為采用單片機(jī)系統(tǒng)板、信號檢測與電機(jī)驅(qū)動電路板兩片獨立PCB板設(shè)計模式，單片機(jī)系統(tǒng)板可以根據(jù)需要靈活配置具有在線編程接口，對于學(xué)有余力、單片機(jī)基礎(chǔ)知識比較好、動手能力較強(qiáng)的學(xué)生，也可以自己編寫控制程序或者修改控制參數(shù)，從而出現(xiàn)不同防夾效果，深入探索防夾電動車窗關(guān)鍵參數(shù)和防夾算法的優(yōu)化方法。

基金項目：廈門理工學(xué)院校級教育教學(xué)改革研究項目（項目編號：JG2019004）。

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