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随着(zhe)汽车工业的发展，人们追(zhui)求更加舒(shu)适和便于操作的驾驶(shi)环(huan)境，因此(ci)，越来(lai)越多的(de)汽车上安(an)装了电(dian)动(dong)车(che)(che)(che)窗(chuang)(chuang)，从而实现车(che)(che)(che)窗(chuang)(chuang)的(de)自(zi)动(dong)升(sheng)降。然而，由(you)于(yu)电(dian)动(dong)车(che)(che)(che)窗(chuang)(chuang)的(de)上升(sheng)速度较(jiao)快(kuai)，很容易引发夹上乘客等(deng)事故(gu)，尤其是对儿(er)童形成了安(an)全隐患。这(zhei)对于(yu)汽车(che)(che)(che)的(de)安(an)全向提出了新(xin)标准，要求电(dian)动(dong)车(che)(che)(che)窗(chuang)(chuang)具有一定的(de)防(fang)夹功(gong)能。以前汽车(che)(che)(che)普遍采用手摇曲柄的(de)(de)方式使(shi)车(che)(che)(che)窗(chuang)玻璃(li)上升或下降，现(xian)今(jin)轿车(che)(che)(che)很多(duo)都安装了(le)电(dian)动(dong)车(che)(che)(che)窗(chuang)。而具有防(fang)(fang)(fang)夹(jia)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)电(dian)动(dong)窗(chuang)应用于汽车(che)(che)(che)始于20世纪90年代，当玻璃(li)上升途中遇到人力障碍时会自动(dong)识别而反向运(yun)行，防(fang)(fang)(fang)止乘(cheng)员夹(jia)伤，实现(xian)防(fang)(fang)(fang)夹(jia)功(gong)(gong)能(neng)(neng)。由(you)于该(gai)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)重要性，在欧美新车(che)(che)(che)型上都已(yi)成为(wei)标准配(pei)置，目前国内新推(tui)出的(de)(de)高端(duan)车(che)(che)(che)型已(yi)成为(wei)标准配(pei)置。由(you)于低(di)成本(ben)方案的(de)(de)推(tui)出，经济型轿车(che)(che)(che)也开始逐(zhu)渐配(pei)备(bei)应用这一功(gong)(gong)能(neng)(neng)。而车(che)(che)(che)窗(chuang)位置判断(duan)准确是车(che)(che)(che)窗(chuang)的(de)(de)防(fang)(fang)(fang)夹(jia)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)正常实现(xian)的(de)(de)前提(ti)。

 

 

1、准确(que)判断电动窗位(wei)置(zhi)的重要(yao)性

 

法规规定(ding)，具有自(zi)(zi)动上升功能的车窗必须(xu)配备自(zi)(zi)动防夹功能。即当车窗在自(zi)(zi)动上升过(guo)程(cheng)中，如果车窗玻璃遇(yu)到障碍物，必(bi)须做(zuo)出(chu)判断(duan)后(hou)反转，并且防夹力要小于100 N。而法规(gui)规(gui)定的防夹区域是4 mm~200 mm(如图(tu)1)。这就(jiu)要求系统对车窗的位置进行准确的计算和判断(duan)。

如果车窗位置计算不准确会有以(yi)下后果：

（1） 比如车窗(chuang)在上(shang)升过程(cheng)中在防(fang)夹(jia)区域(yu)内，如果(guo)(guo)车窗(chuang)位(wei)置计算不(bu)准确，系(xi)统判断为防(fang)夹(jia)区域(yu)外。车窗(chuang)可能遇到(dao)障碍(ai)物，但是(shi)不(bu)做防(fang)夹(jia)反(fan)转。而是(shi)继(ji)续上(shang)升玻璃。障碍(ai)物如果(guo)(guo)是(shi)人(ren)，导致把人(ren)夹(jia)伤。

（2） 车(che)(che)窗(chuang)自(zi)动(dong)上升(sheng)过程中(zhong)，如果车(che)(che)窗(chuang)位置计算不(bu)准确，车(che)(che)窗(chuang)就会(hui)到顶(ding)部(bu)位置认为在防夹区域内(nei)，遇堵后反转。导(dao)致车(che)(che)窗(chuang)不(bu)能(neng)关满。

（3）车窗(chuang)在上(shang)升过程中，由于(yu)存在车窗(chuang)重量和(he)窗(chuang)框阻(zu)力(li)等(deng)因(yin)素(su)，在每个位置(zhi)(zhi)上(shang)的阻(zu)力(li)大小是不一样的。因(yin)此判断车窗(chuang)位置(zhi)(zhi)也是相当重要(yao)的。

由以上三点分析可知(zhi)，车窗位置判断(duan)的准确在防(fang)夹功(gong)能(neng)中，既有非常重(zhong)要(yao)的意(yi)义(yi)。

2、电动窗位置判断的原理

从(cong)机(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)的角(jiao)度(du)讲，电(dian)(dian)动车(che)窗(chuang)砸(za)升(sheng)降时，电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)旋(xuan)转会(hui)带动钢丝(si)绳(sheng)的运(yun)动，从(cong)而带动车(che)窗(chuang)的上下开(kai)闭。电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)每旋(xuan)转一定的角(jiao)度(du)，钢丝(si)绳(sheng)就相应地运(yun)动一定行程(cheng)，因此车(che)窗(chuang)运(yun)动的行程(cheng)与电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)的旋(xuan)转的圈数成线性关(guan)系。通过计算电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)旋(xuan)转的圈数，可以间接算出车(che)窗(chuang)的位置。

2.1霍尔(er)原理(li)

电机的(de)(de)(de)旋转(zhuan)会使得霍尔传感器(qi)(qi)产生(sheng)脉冲(chong)信号。玻(bo)璃(li)位(wei)置(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)检测是通过(guo)对控制模(mo)块中(zhong)的(de)(de)(de)霍尔传感器(qi)(qi)发(fa)出的(de)(de)(de)方(fang)波进行计(ji)数来实现。软件设计(ji)中(zhong)通过(guo)单片机芯片的(de)(de)(de)输入捕(bu)捉功(gong)能记(ji)录(lu)车窗运行过(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)脉冲(chong)个数，通过(guo)学习(xi)，将(jiang)车窗的(de)(de)(de)上(shang)密封条(tiao)记(ji)为(wei)位(wei)置(zhi)(zhi)0，而下(xia)密封条(tiao)为(wei)最大位(wei)置(zhi)(zhi)。在(zai)车窗上(shang)升(sheng)过(guo)程中(zhong)将(jiang)位(wei)置(zhi)(zhi)计(ji)数器(qi)(qi)减1，上(shang)升(sheng)到顶时位(wei)置(zhi)(zhi)计(ji)数器(qi)(qi)清(qing)0，下(xia)降时位(wei)置(zhi)(zhi)计(ji)数器(qi)(qi)加(jia)l。因此，可按(an)照(zhao)要求确定防(fang)夹区界限对应的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)计(ji)数器(qi)(qi)的(de)(de)(de)值。通过(guo)对位(wei)置(zhi)(zhi)计(ji)数器(qi)(qi)的(de)(de)(de)值的(de)(de)(de)检测可以(yi)间接判断玻(bo)璃(li)的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)。

脉(mai)冲(chong)计(ji)数方式(shi)的(de)关键问题(ti)在于位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)记录要精确，但(dan)在试验中(zhong)(zhong)却存在电(dian)机(ji)切(qie)断电(dian)源(yuan)后(hou)依旧会发出几个脉(mai)冲(chong)的(de)问题(ti)，这(zhei)几个脉(mai)冲(chong)由惯性造(zao)成(cheng)，而且不同(tong)(tong)的(de)玻璃升(sheng)降(jiang)器产生(sheng)(sheng)的(de)脉(mai)冲(chong)个数不同(tong)(tong)。这(zhei)些脉(mai)冲(chong)对(dui)(dui)车(che)窗位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)影(ying)响随情况的(de)不同(tong)(tong)而不。在车(che)窗上(shang)下(xia)(xia)两端堵转时，这(zhei)些脉(mai)冲(chong)不太可能造(zao)成(cheng)车(che)窗位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)变化(hua)，而在中(zhong)(zhong)间(jian)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)停止时则有(you)可能造(zao)成(cheng)车(che)窗位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)移动(dong)(dong)，特别是(shi)下(xia)(xia)降(jiang)途中(zhong)(zhong)人为(wei)停止时对(dui)(dui)车(che)窗位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)影(ying)响更大(da)。为(wei)了(le)减(jian)小这(zhei)种影(ying)响，与电(dian)机(ji)通(tong)电(dian)运动(dong)(dong)时位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)计(ji)数一样，在算(suan)法中(zhong)(zhong)捕捉(zhuo)这(zhei)些脉(mai)冲(chong)。如果当前(qian)(qian)为(wei)下(xia)(xia)降(jiang)状态(tai)，则对(dui)(dui)电(dian)机(ji)断电(dian)后(hou)产生(sheng)(sheng)的(de)脉(mai)冲(chong)进行位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)加(jia)法操(cao)作，如果当前(qian)(qian)为(wei)上(shang)升(sheng)状态(tai)，则对(dui)(dui)电(dian)机(ji)断电(dian)后(hou)产生(sheng)(sheng)的(de)脉(mai)冲(chong)进行位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)减(jian)法操(cao)作。

2.2纹波原(yuan)理

电(dian)(dian)(dian)(dian)机有磁(ci)极(ji)(ji)、转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)线圈、换(huan)向器组成。根据(ju)右手定律转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)线圈通电(dian)(dian)(dian)(dian)后(hou)再(zai)磁(ci)极(ji)(ji)磁(ci)场的(de)作用下产生运动。运动到磁(ci)场边缘是(shi)磁(ci)场变(bian)弱，电(dian)(dian)(dian)(dian)动势减(jian)小，电(dian)(dian)(dian)(dian)流增(zeng)大。换(huan)向器改变(bian)转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)线圈的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流方向，重新进(jin)入磁(ci)场电(dian)(dian)(dian)(dian)动势增(zeng)大，电(dian)(dian)(dian)(dian)流减(jian)小。转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)线圈不断转(zhuan)(zhuan)(zhuan)动、电(dian)(dian)(dian)(dian)动势和电(dian)(dian)(dian)(dian)流不断变(bian)化，从(cong)而纹(wen)(wen)波(bo)不断产生。所以纹(wen)(wen)波(bo)是(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)机的(de)固有特性，通过计(ji)算(suan)(suan)纹(wen)(wen)波(bo)的(de)个数就能(neng)计(ji)算(suan)(suan)出(chu)转(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)换(huan)向的(de)次数，就能(neng)计(ji)算(suan)(suan)出(chu)窗户(hu)的(de)相(xiang)对位置，结合时间就能(neng)得出(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)机的(de)转(zhuan)(zhuan)(zhuan)速。由于电机在启(qi)动，停止，反转(zhuan)，堵转(zhuan)时的(de)纹波特征不明显。如图(tu)5和(he)图(tu)6，不能精准的(de)计数(shu)纹波个数(shu)。只(zhi)能通(tong)过算(suan)法(fa)进行补偿。这(zhei)样纹波计数(shu)必(bi)然和(he)实际的(de)必(bi)然存在误差(cha)(cha)。而(er)这(zhei)误差(cha)(cha)随着(zhe)车窗操作(zuo)次数(shu)的(de)增加(jia)，误差(cha)(cha)也会跟着(zhe)累积(ji)。

 

3、电动窗位置判断(duan)的原理

从机械的(de)(de)角度讲(jiang)，电(dian)动(dong)(dong)车窗砸升降时，电(dian)机旋转(zhuan)会带动(dong)(dong)钢丝绳(sheng)的(de)(de)运动(dong)(dong)，从而带动(dong)(dong)车窗的(de)(de)上下开(kai)闭。电(dian)机每旋转(zhuan)一定(ding)(ding)的(de)(de)角度，钢丝绳(sheng)就相(xiang)应地运动(dong)(dong)一定(ding)(ding)行(xing)程(cheng)，因此车窗运动(dong)(dong)的(de)(de)行(xing)程(cheng)与(yu)电(dian)机的(de)(de)旋转(zhuan)的(de)(de)圈(quan)数(shu)成线性关系。通过计算电(dian)机旋转(zhuan)的(de)(de)圈(quan)数(shu)，可(ke)以间(jian)接算出车窗的(de)(de)位置。

4、霍尔传感器的(de)方案

此方案在(zai)电(dian)机轴(zhou)上(shang)安装(zhuang)磁(ci)(ci)环(huan)，在(zai)磁(ci)(ci)环(huan)附近安装(zhuang)霍尔传感(gan)(gan)器，当电(dian)机转动(dong)时带动(dong)磁(ci)(ci)环(huan)转动(dong)，在(zai)霍尔传感(gan)(gan)器上(shang)感(gan)(gan)应出高(gao)低电(dian)平(ping)的(de)(de)脉(mai)冲信号(hao)，脉(mai)冲的(de)(de)个数反映了电(dian)机的(de)(de)位置，脉(mai)冲的(de)(de)频率反映了电(dian)机的(de)(de)转速(su)。

当电动车窗上升并遇到障碍物是，阻力变大，电机变大，电机转速将减慢，对应脉冲的信号的脉宽将变大，此时系统会向ECU模块报告信息，ECU向继电器或电机驱动芯片发出指令，使电机停转或者反转，从而令车窗停止或下降，实现防夹判断。

DRV5013-Q1是一款双极性霍尔效应传感器，具有宽工作电压范围（2.7至38V）和高达-22V的反极性保护，使得该器件广泛用于各种汽车应用。此外该器件还具有抛负载、输出短路和过流等内部保护功能。

此方案需(xu)要安装磁环且每(mei)个车窗都需(xu)要各(ge)自的(de)控制器，因此成(cheng)本较高。

相比于(yu)(yu)霍尔传(chuan)感器(qi)的(de)方(fang)案，机遇纹波计数的(de)无(wu)传(chuan)感器(qi)方(fang)案可以节省磁环、霍尔传(chuan)感器(qi)及(ji)相关线束(shu)的(de)成本。此外，此方(fang)案可以用单控(kong)器(qi)同(tong)时(shi)控(kong)制多个车(che)窗，能够提高整车(che)的(de)集成度，进(jin)一步降低控(kong)制器(qi)的(de)成本。因此，基于(yu)(yu)波纹计数无(wu)传(chuan)感器(qi)方(fang)案将成为(wei)未来电动车(che)窗夹的(de)发展趋势。

5基于纹波技术的无传感应器方案

波纹计数(shu)的(de)无传感应器方(fang)案是利用转子转动过程中(zhong)，电(dian)(dian)刷(shua)在电(dian)(dian)极间(jian)切(qie)换产生电(dian)(dian)流纹波，并(bing)对这种电(dian)(dian)流波动进(jin)行(xing)采样、分析和控(kong)制。

此方案首先通过采样电阻将电机电流信号转换为电压信号，并通过运放对电压信号进行滤波和放大，放大后的信号一路经过AD转换成数字信号给到MCU，作为防夹及堵转的判断依据，另一路通过滤波器和比较器得到方波信号，此方波的频率和电机的转速成正比。通过方波的个数和频率可以判断电机的位置和转速。

参考设计TIDA-01421提供了一种无传感器的纹波防夹方案。该设计主要分为以下几个部分：

电流检测放大(da)

INA240-Q1是一个宽共模范围，高精度，双向电流检测放大器。该器件具有–4V至80V的共模范围，120dB的超大共模抑制比，能够提供准确，低噪声的测量结果。

应用中可以在INA240-Q1的输入端使用一个简单的RC输入滤波器，以减少高频电机电刷产生的噪声和潜在的PWM开关噪声。

带(dai)通滤波器

电(dian)流(liu)检测放(fang)大器(qi)的输出通过有源带(dai)通滤(lv)波器(qi)进行滤(lv)波，以消除额外的噪(zao)声和(he)直流(liu)分量(liang)，从(cong)而(er)得(de)到(dao)电(dian)流(liu)纹波信号。

TLV2316-Q1是一款双通道，低压，轨至轨通用运算放大器。该器件具有单位增益稳定的集成RFI 和EMI 抑制滤波器，在过驱条件下不会出现反相，并且具有高静电放电(ESD) 保护(4kV HBM)。

差分放大器(qi)

在电(dian)(dian)机启动时(shi)，电(dian)(dian)机电(dian)(dian)流(liu)会出(chu)现非常大的(de)初始尖峰(feng)，即浪涌电(dian)(dian)流(liu)。该电(dian)(dian)流(liu)尖峰(feng)足够(gou)大且足够(gou)慢，以至于不能(neng)被(bei)高(gao)通电(dian)(dian)路滤除(chu)。通过差分放(fang)大器，可以从(cong)信(xin)号(hao)中消除(chu)这种(zhong)低(di)速，高(gao)振幅电(dian)(dian)流(liu)尖峰(feng)，从(cong)而生成(cheng)一个(ge)低(di)噪声的(de)交流(liu)信(xin)号(hao)，供下一级比较器进行测量。

比较器

经由差分放大器输出的信号通过比较器最终产生一个0V至3.3V的方波信号，其频率等于电机电流纹波频率。此方波信号最终供给MCU用于计数。LMV7275-Q1是一款轨至轨输入低功耗比较器，并具有漏极开路输出。小型SC-70封装非常适合低电压，低功耗、对空间要求严格的设计。综上所述(shu)，本(ben)文(wen)介绍了(le)两种应(ying)用于(yu)电(dian)动(dong)车窗防(fang)夹(jia)的(de)方案——霍尔传感(gan)器和纹(wen)波(bo)防(fang)夹(jia)技术(shu)(shu)的(de)基本(ben)原理(li)，比较了(le)纹(wen)波(bo)方案相对于(yu)霍尔在(zai)实际应(ying)用中(zhong)的(de)优(you)势。虽然霍尔方案以(yi)其成熟技术(shu)(shu)和高可靠(kao)性，占(zhan)据着目前市场上车窗防(fang)夹(jia)应(ying)用的(de)主导地位(wei)，但是随着机械(xie)加工(gong)工(gong)艺和电(dian)子技术(shu)(shu)的(de)不断发展，纹(wen)波(bo)技术(shu)(shu)市场份额的(de)增(zeng)加趋势将越发明显。