0 引言
隨著現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的進步，汽車內(nèi)傳統(tǒng)的零部件及總成也在向機電一體化發(fā)展。汽車中大量應(yīng)用的電子設(shè)備，不僅提高了汽車的舒適性，也對汽車的安全性提出了新的要求。為了方便駕駛員和乘客，大量汽車采用電動車窗，許多電動車窗都不具有防夾功能，容易造成對乘員尤其是兒童的傷害。美國交通部頒布了針對電動車窗開關(guān)系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSll8，對車窗防夾相關(guān)參數(shù)做出了明確規(guī)定，并規(guī)定在2008年10月1日之后在北美出售的轎車和小型貨車都必須強制執(zhí)行該規(guī)定。雖然我國還沒有就該問題做出法律上的規(guī)定，但為安全起見，開發(fā)具有防夾功能的車窗控制模塊是完全必要的。
參考了文獻后，本文的防夾設(shè)計方案采用將霍爾傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速和檢測電機電流變化情況結(jié)合起來實現(xiàn)防夾功能，該方案避免了車窗防夾系統(tǒng)易受外界環(huán)境影響的缺陷，確保防夾效果可靠，成本較低，可以不必改動傳統(tǒng)車門的生產(chǎn)工藝，在改造電動車窗無防夾功能的老車型時，可以不改變現(xiàn)在已成型的汽車車門的機械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，只需替換電動車窗升降控制器，十分方便。
1 電動車窗防夾設(shè)計方案
所謂防夾，就是指在電動車窗上升過程中夾住物體并達到一定力度后，讓電動車窗自動停止或回落，用以防止物體(尤其是人體)被夾傷。車窗的升降過程中，只有車窗上升階段需要進行防夾控制，所定義的防夾區(qū)為從離電動車窗玻璃無障礙上升運動的最大位置(頂端)4～200 mm的區(qū)域。該定義符合歐洲74/60/EEC和美國FMVSSll8的相關(guān)要求。只有在防夾區(qū)域才啟動防夾功能。所以防夾設(shè)計首先應(yīng)該確定車窗的當前位置。
1.1 車窗位置的確定
車窗控制電機的旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運動，從而控制車窗的上下移動。在車窗移動過程中，電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)和車窗的運動距離成正比，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，會使霍爾傳感器產(chǎn)生方波脈沖信號。當車窗從最低位置升到頂部過程中，可以通過MCU對霍爾傳感器輸出的脈沖信號進行計數(shù)，從車窗的最底端到最頂端，上下反復(fù)3次，取其平均值nth，作為標定的基準，并記錄在E2PROM中。之后，軟件控制從車窗的最底端位置開始運行(此時為人工操控，車窗運行到最底端，電機堵轉(zhuǎn))，且計數(shù)從零開始，上升過程根據(jù)當前的計數(shù)值進行加計數(shù)，下降過程根據(jù)當前的計數(shù)值進行減計數(shù)。因此，通過霍爾傳感器的脈沖輸出及計數(shù)方案可實時確定車窗的當前位置，并根據(jù)歐洲74/60/EEC和美國FMVSSll8標準的規(guī)定確定車窗是否在防夾區(qū)域。對于本系統(tǒng)，測量過程中脈沖計數(shù)的誤差可忽略不計，對于長期運行中可能造成的誤差可用定期標定的方式加以解決。
1.2 防夾方案的確定
本系統(tǒng)采用檢測電機電樞電流方式來確定車窗在上升過程中是否遇到障礙物，方案在具體實施過程中要解決如下問題：
(1)確定防夾區(qū)域及車窗位置。遵照歐洲74/60/EEC和美國FMVSSll8標準確定出相應(yīng)的防夾區(qū)域及車窗位置。
(2)防夾時的電機電樞電流閾值ith的確定，即在防夾區(qū)域內(nèi)電流值上升到所設(shè)定的閾值后即認為遇到障礙物，啟動車窗防夾功能.這里存在的問題是：車窗按鍵剛剛按下(無論是上升或下降)，車窗電機剛剛啟動時，由于電機的反電動勢還沒有建立，因而電流會有短時間的較大幅值，這時的電流幅值往往比所設(shè)定的防夾電流閾值還要大，需要將這種電流幅值較大的狀態(tài)和在車窗上升過程中遇到障礙物產(chǎn)開來。車窗電機啟動后延時50 ms后，再進行電流檢測，這樣可以避免電機啟動初期電流瞬時過沖對防夾電流閾值設(shè)定的影晌。實際設(shè)計中，應(yīng)用一塊可用于診斷功能的中央控制器，配合武漢吉陽光電公司生產(chǎn)的USB-CAN200工具，將運行過程中的數(shù)據(jù)反饋到PC機上，以Excel表格方式呈現(xiàn)，并可繪出圖形，進而方便地定出閾值ith，并通過多次運行試驗確定合適的閾值。
(3)MCU和功率驅(qū)動器件的選取。防夾方案中涉及到較多的實時檢測和實時計算，要求MCU的計算能力較高，方案中軟件的實現(xiàn)基于移植μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)方案，因此選擇歐洲車系上流行的、性能較高的英飛凌XCl64CS MCU，功率驅(qū)動芯片選擇具有故障診斷功能的BTS781芯片。
2 防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計
車門控制系統(tǒng)包括電動車窗控制系統(tǒng)和電動后視鏡控制系統(tǒng)兩部分，防夾電動車窗是車門控制系統(tǒng)的一個子模塊，在整個車門控制系統(tǒng)中，采用了一種“總體分布，局部集中式”的控制方案，如圖1所示。即將左側(cè)前后兩個車門的控制作為一個ECU模塊，右側(cè)前后兩個車門的控制作為另一個ECU模塊，兩個模塊之間以及模塊與中央控制器之間均以CAN總線方式連接。
防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計以BTS781為核心，通過ST1，ST2，IH1，IH2，IL1，IL2端口和微控制器XCl64CS芯片連接，接收微控制器發(fā)出的指令，來控制車窗的升降。通過在全橋驅(qū)動芯片BTS781的2和13號引腳上串接一個5 mΩ的電阻R37來檢測電機電樞電流變化，經(jīng)過低通濾波和放大，送入MCU的A/D端口進行采樣，如圖2所示。
車窗位置測定采用霍爾傳感器輸出脈沖計數(shù)的方式實現(xiàn)。采用英飛凌TLE4923霍爾傳感器，直接輸出方波信號，經(jīng)低通濾波，將脈沖信號輸入MCU對其進行計數(shù)，進而確定車窗的當前位置，如圖3所示。
3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計不但要考慮控制的方便性，也要考慮將來功能的擴展性。因此，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于實時操作系統(tǒng)，即首先將μC/OS -Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核移植到XCl64CS MCU上，之后將防夾車窗控制以其中的一個任務(wù)的方式添加上去。
3.1 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核移植
所做的移植，就是將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r內(nèi)核移植到XCl64CS微控制器上。由于μC/OS-Ⅱ在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)，所以一些與處理器相關(guān)的代碼要用匯編語言寫，但大部分的μC/OS-Ⅱ代碼用C語言編寫。移植工作主要使μC/OS-Ⅱ正確定義和使用XCl64C-S。具體請參考本文作者撰寫的文章，此處不再贅述。
3.2 防夾電動車窗軟件設(shè)計
在所設(shè)計的硬件平臺上將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)移植后，將防夾電動車窗控制以任務(wù)方式加入，并參照前文內(nèi)容實現(xiàn)防夾功能，其流程圖如圖4所示。
控制器XCl64CS上電啟動時，從E2PROM中讀取nth，ith等初始數(shù)據(jù)，檢測電源電壓，當電壓值平穩(wěn)后，讀取E2PROM中存儲的車窗位置，然后讀取按鍵輸入，如果有升降車窗操作，就設(shè)置對應(yīng)的開關(guān)信號來驅(qū)動芯片BTS781中的MOS管T1，T2，T3，T4。如果車窗向上運動，計時器開始計時，霍爾傳感器脈沖信號加計數(shù)，延時50 ms后，檢測電流值是否過流，在車窗上升過程中如果檢測到了過流信號，即車窗電機的電流值大于電流閾值ith，而車窗位置又處于防夾啟動區(qū)域，則判定車窗遇堵，控制器就輸出方向開關(guān)信號，通過MOS管T1，T2，T3，T4驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)1 s后停止，防夾操作完成。不論電機升降運動，控制器都會通過計數(shù)程序記錄霍爾傳感器的脈沖信號數(shù)，據(jù)此可判斷車窗的相對位置，并在需要時把該位置信息寫入 E2PROM。
4 測試
通過完成硬件的制作和軟件的編程后，制作了實驗臺架。對臺架進行測試試驗后，得到如圖5所示試驗結(jié)果，將試驗結(jié)果用Excel圖表繪制后如圖5右上側(cè)的曲線圖，用示波器實際測試的電流變化曲線圖如圖5右下側(cè)曲線圖所示。示波器實際測試曲線變化說明如表1所示。
從圖5中可見，測試結(jié)果繪制的圖形和示波器實際測試圖形相同，達到預(yù)期的防夾效果。
5 結(jié)語
闡述了一種電動車窗的防夾設(shè)計，在不改變原有安裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了車窗的防夾功能。其關(guān)鍵是設(shè)計合適的電流檢測閾值，本研究在基于實驗的基礎(chǔ)上給出了電流閾值，制作了測試臺架。測試結(jié)果表明，本文所做的設(shè)計可實現(xiàn)可靠的車窗防夾功能。