0引言

为了增加汽车的舒适性,很多汽车都安装了电动车窗,司机按下按钮就可以控制车窗玻璃的升降,非常方便,但是车窗尚未实现智能化。研究发现,电动车窗关闭过程中向上推动的力量最强可达52.6kg,最弱的力量亦达16.6kg。尤其是有窗框的电动车窗,力量通常较大,约在32.2～52.6kg之间。

当发生意外情况时,即使是成年人也没有足够的力量制止,更不用说是小孩或老人,所以电动车窗夹人的事故就时有发生。为了安全起见,欧洲和美国已先后立法,确定了防夹电动车窗为汽车的标准配置,以提升行车安全和人性化程度。相应的,国外很多汽车也都安装了防夹电动车窗。我国政府对防夹电动车窗的立法也在研讨过程中[1]。目前一些轿车上配备的防夹电动车窗技术是不是已经很成熟、完善,是否适应不同结构的车窗还值得研究。本文提出了一种基于功率检测的电动车窗防夹算法,有效的实现了不同结构的车窗防夹功能。硬件方面采用了Melexis公司MLX81100作为电动车窗防夹系统的硬件解决方案。

1功能需求

具有防夹功能的电动车窗由带嵌入式计算机系统的控制板和传动机构组成,传动机构同样由电机和机械升降机构两大部分组成。防夹电动车窗系统框图如图1所示。通过一定的算法结合传感器信号进行位置探测,精度高,安装方便,生产成本低,寿命长,并且具备防夹功能,避免了事故的发生。控制系统的核心技术是定位算法和防夹算法。

车窗定位算法:用来保证车窗的完全打开或关闭,以及车窗位置的精确定位。普通电动车窗的位置探测采用的是机械式的限位开关,存在精度低,不容易安装,生产成本高,寿命短等一系列缺点,为了解决上述缺点,本系统使用开关式的HALL传感器对车窗位置进行探测。

车窗防夹算法:用来保证车窗在运行过程中遇到障碍物时,保护障碍物不被夹伤和损坏摇窗电机。对此,欧洲和美国制定了相应的标准,规定车窗运行中遇到障碍物后必须反转以释放障碍物,并规定了被夹障碍物的最大受力。

车窗防夹系统应该具有的主要功能有:(1)手动/自动上升功能;(2)手动/自动下降功能;(3)童锁功

能;(4)LIN网络功能;(5)上升过程中的防夹功能;(6)电机保护功能;(7)休眠功能。

2防夹电动车窗硬件结构

现在许多轿车车窗玻璃的升降已经抛弃了摇把式的手动升降方式,一般都改用按钮式的电动升降方式,即使用电动玻璃升降器来控制,即电动车窗。轿车用的电动车窗多是由电动机、减速器、导绳、导向板、玻璃安装托架等组成。因导绳的材料或制作工艺方式不同,又分为绳轮式、软轴式和塑料带式3种电动玻璃升降器。电动车窗一般使用双向永磁或绕线(双绕线串联式)电动机,每个车窗安装有一只电动机。

电动车窗功能包括升、降和防夹控制。车窗电机的额定功率一般在20～30W,额定电压一般为12V,速比为1:50～72,空载转速为60～120r/min,堵转转矩7～16N・m,堵转电流<35A[2-4]。电动车窗

节点是一个LIN从节点。

本项目选用Melexis公司的MLX81100,MLX81100是一个适合在大电流场合应用的汽车级通用的LIN节点,该芯片可以直接通过汽车电池供电,内部具有一个16位的MLX16RICS-CPU和一个4位的MLX4通讯CPU。MLX4用来处理总线通讯,可以支持LIN1.3、LIN2.0、J2602和GM-LAN,MLX4的软件

代码由Melexis提供。MLX16具备硬件乘法器和除法器,软件代码由用户编写,两个处理器通过完善的保护和共享机制进行数据的交换和协调运作。同时,该芯片还集成了LIN物理层芯片,正常工作电压高达18V,保护电压高达40V,具有通过LIN和多种外部唤醒功能,同时具有2kbyte的RAM和32kbyte的Flash,并具有128byte的EEPROM、丰富的内外部中断、6个通用IO、3个双通道PWM、3个独立的定时

器、一个速度高达8Mhz的全双工SPI和一个全双工双缓冲UART。很适合应用于防夹电动车窗系统。

电动车窗防夹系统硬件结构如图2所示。本课题选用的电动车窗玻璃升降器采用了轮绳式传动机构,主要使用在国产桑塔纳轿车上,速比1:63,空载转速为80r/min左右,堵转转矩12N・m左右,堵转电流<23A。使用了两个汽车级继电器来控制电机的运转方向,有效的降低了使用固态继电器的成本;由于该芯片集成了LIN物理层芯片和电源转换模块,所以整个电路的LIN网络接口以及供电电路得到了极大的简化;通过PWM调速,有效的抑制了电机启动时的电流尖峰,达到了电机软启动的效果;控制系统通过Hall信号获得电动车窗的实时位置并实时存储[5-6]。

3防夹电动车窗控制算法与测试

电动车窗在打开的过程中要克服重力、摩擦力、各种干扰后才能进行防夹。防夹算法设计过程中要克服的主要问题是:(1)在探测区域(4～200mm)内精确的探测障碍物并迅速释放障碍物;(2)保证被夹障碍物的最大受力小于10kg;(3)克服防夹电动车窗机械参数及电气参数随着使用时间变化(老化、变形、磨损等等)对防夹算法的影响;(4)克服环境的变化(温度、湿度、结冰等)对防夹算法的影响。

本课题设计了一个基于虚拟仪器的实时电流电压采集软件,该软件通过PCI-6010基本多功能数据采集卡对电流和电压信号进行实时的监控和记录。利用该采集软件得到的本课题中电动车窗在有障碍物作用时的波形如图3所示,图3中基本上处于一条直线的是电机两端的电压,波动幅度很大的是通过电机的电流。

本课题采用电机功率检测的方法来判断是否有障碍物被夹住:(1)在车窗上升的过程中,防夹算法不断计算电机在时间△T内的平均输出功率W;(2)用算出的平均输出功率W与前一段时间内计算的电机平均输出功率进行W′比较;(3)当平均输出功率差值大于某个设定的阀值△W,W-W′>△W就可以做出有障碍物被夹的判断;

(4)立即停止电机并降下车窗,以释放障碍物。

实际的开发过程中,通过大量的实验选定了合适的△T和△W,作为该防夹算法的关键参数。采用该防夹算法后车窗上升过程中遇到障碍物时的电压电流波形图如图4所示。在图4的位置1处,电动车窗系统收到上升命令,开始上升,同时防夹算法启动;位置2处有外界障碍物在上升中施加压力,防夹算法探测到电机功率明显增大;位置3处,防夹算法判断出电机功率变化大于阀值△W,得出有障碍物的结论,马上刹车电机,然后车窗下降,车窗下降过程中不接受任何外部命令,直到下降到底部。

该模块主要完成对来自按键和网络的打开/关闭/停止车窗命令的处理,并在上升时完成防夹功能,对应的程序框图如图5所示。

4结束语

大量的实验证明,该防夹算法是有效的、可靠的和稳定的,并较好的克服了电动车窗防夹系统设计过程中所面临的主要问题。基于虚拟仪器的实时电流电压采集软件也可以较好的帮助终端客户,针对不同型号的车窗选定不同防夹参数。