趙建才,褚建東,汪志,王靜冬
(建新趙氏集團有限公司,浙江寧波 315615)
電動天窗是一個車內(nèi)部件,它的正常使用關(guān)乎車內(nèi)人員的安全。電動天窗的功能失效時常造成車內(nèi)人員特別是小孩的誤夾傷。隨著電動天窗使用的普遍性,電動天窗的防夾研究逐漸成為科研人員的研究熱點。周易[1]研發(fā)一種霍爾信號加上電機電流檢測的防夾系統(tǒng),該系統(tǒng)在電動天窗關(guān)閉遇到障礙物時能自動識別并使搖窗電機反轉(zhuǎn)。張志敏等[2]采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計了基于PIC18F2480微控制器及自動代碼生成器的智能電動天窗控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用霍爾傳感器測定天窗玻璃開關(guān)的實時位置,選擇永磁電機負載轉(zhuǎn)矩變化率作為障礙物檢測判斷指標。李岳林等[3]基于MATLAB對轎車電動天窗防夾系統(tǒng)進行了建模與仿真。黃啟海等[4]基于靜態(tài)防夾基本原理,提出了ATS算法的防夾原理,在控制過程中能夠?qū)崟r更新數(shù)據(jù),補償外界環(huán)境因素對防夾力的影響。史敏杰[5]研究了如何通過模糊控制算法和跟隨防夾策略來實現(xiàn)汽車電動天窗的防夾功能。
電動天窗在正常使用時的防夾功能是指天窗玻璃在自動關(guān)閉過程中遇到人體,當夾緊力達到一定值后天窗會停止關(guān)閉并立即退回一定距離,避免人體受到損傷。本文作者根據(jù)天窗電機控制原理,分析了電動天窗的防夾功能原理和防夾失效模式,提出了失效模式應(yīng)對措施,防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。
天窗電機是由驅(qū)動電機與控制器組成(如圖1所示),驅(qū)動電機的電樞上裝有磁環(huán),控制器相對應(yīng)的位置上裝有兩個霍爾轉(zhuǎn)速感應(yīng)器。
當電機在運行過程中磁環(huán)的磁信號被霍爾轉(zhuǎn)速感應(yīng)器捕捉,由此控制器可以接收到霍爾脈沖信號。當天窗在關(guān)閉過程中夾到物體時,天窗會受到該物體的反饋力使天窗移動速度下降,同時電機的旋轉(zhuǎn)速度也會下降。此時控制器接收到霍爾信號的脈寬會增大,通過前后兩段固定時間內(nèi)的霍爾脈寬的對比分析,可以模擬計算出天窗在該位置的轉(zhuǎn)速突變值ΔK。給這個轉(zhuǎn)速突變值ΔK設(shè)置一個門限值KA,當控制器監(jiān)測到ΔK≥KA時,就會啟動天窗的反轉(zhuǎn)程序,即實現(xiàn)防夾功能。天窗電機控制原理圖如圖2所示。
圖2 天窗電機控制原理
防夾失效體現(xiàn)為兩個方面:(1)天窗防夾力過小,表現(xiàn)為天窗在自動關(guān)閉過程中過于敏感,稍有振動便會反轉(zhuǎn)后退,甚至天窗自身的運行阻力變化都會導致天窗反轉(zhuǎn)后退,此類未夾到物體就觸發(fā)的反轉(zhuǎn)后退現(xiàn)象稱之為誤防夾。出現(xiàn)誤防夾問題的天窗不能滿足天窗正常關(guān)閉功能,屬于功能失效。(2)防夾力過大或防夾功能不能觸發(fā),此現(xiàn)象是有可能出現(xiàn)的,因為防夾反轉(zhuǎn)的觸發(fā)是由天窗受到阻力后通過控制器計算得到轉(zhuǎn)速突變值ΔK,再判斷ΔK是否超過設(shè)定值KA決定的。假如天窗受到阻力是緩慢增大的,那么ΔK就一直小于KA,天窗的夾緊力就會慢慢變大,只有當監(jiān)測到ΔK≥KA,天窗才會反轉(zhuǎn)。此時夾緊力有可能已經(jīng)大于100 N,甚至防夾功能沒有被觸發(fā)而發(fā)生卡死現(xiàn)象。出現(xiàn)防夾力過大問題的天窗不能滿足標準,屬于功能違規(guī)。
表1為天窗防夾國際標準對比。
表1 天窗防夾國際標準對比
對于上文中提及的防夾力過大或防夾功能不能觸發(fā)問題,在實際設(shè)計中,此效果是被需要的,例如天窗在外界環(huán)境中長期暴露,軌道進灰或者枝葉掉入其中造成阻力變大,或者在寒冷地區(qū)天窗軌道中有結(jié)冰現(xiàn)象,此時就需要天窗能夠克服緩慢增大的阻力來關(guān)閉天窗。由以上設(shè)計需求可以看出,天窗防夾的設(shè)定無法兼顧所有的狀況,需要統(tǒng)一的標準來平衡此需求。在國際標準中就形成了對防夾測試方式、測試彈簧系數(shù)、防夾范圍、防夾力要求的約定,以此來統(tǒng)一防夾力的設(shè)計及測試標準。天窗防夾國際標準為歐標(74/60/EEC、2000/4/EC)、ECE R21及美標(FMVSS118),國標GB 11552-2009修改采用的是ECE R21。
對于防夾力過大或過小的問題,通過對門限值KA(見圖3)進行合理取值可以解決,該取值過程稱之為靜態(tài)防夾力標定。根據(jù)防夾法規(guī)所允許的設(shè)計要求,對天窗防夾力參數(shù)進行調(diào)整測試,使天窗在各種條件下其防夾力均能達到法規(guī)要求而又不出現(xiàn)誤防夾現(xiàn)象的參數(shù)設(shè)定。它需要標定的靜態(tài)環(huán)境包括環(huán)境溫度-35~85 ℃,以及電壓環(huán)境9~16 V。
實際上僅僅標定門限值KA是不夠的,因為天窗還有可能出現(xiàn)失效模式中所提及的振動導致的反轉(zhuǎn)后退問題,對于該問題的解決方案同樣是從霍爾信號的脈寬分析入手。天窗在受到振動與受到障礙物阻擋時所表現(xiàn)出的脈寬變化是不一樣的:實車的振動對于天窗來說是一種低頻的阻力變化,所表現(xiàn)出的脈寬特征為間斷性出現(xiàn)較大脈寬,數(shù)量少,不連續(xù);而受到障礙物阻擋時阻力變化是連續(xù)的,所表現(xiàn)出的脈寬特征為連續(xù)的遞增性的變大。據(jù)此控制器可識別出天窗處于振動狀態(tài)還是障礙物夾緊狀態(tài)。所以天窗防夾力標定還需要調(diào)整控制器對振動識別的靈敏度,這就需要天窗裝于整車上進行壞路測試標定,以確保天窗能克服一般壞路的顛簸振動。
對于天窗在極限條件下可能出現(xiàn)的防夾功能不能觸發(fā)問題,天窗設(shè)計有堵轉(zhuǎn)保護功能。當天窗遇到障礙物卡死時,控制器收到霍爾信號不再變化,則判斷為堵轉(zhuǎn)。如該事件發(fā)生時間超過一個設(shè)定時間,如120 ms,則控制器會中斷供電,再立即反向供電,使天窗退回到一個設(shè)定的距離,確保被夾物體可以被松開。
圖3 天窗防夾分析系統(tǒng)
根據(jù)天窗電機控制原理,分析了電動天窗的防夾失效模式,提出了失效模式的應(yīng)對措施,以防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。
通過實踐證明,采取的失效模式的應(yīng)對措施能夠確保天窗在防夾功能方面安全可靠。隨著天窗防夾技術(shù)的不斷發(fā)展,還有更為精細的控制策略正在被不斷開發(fā)出來,天窗的防夾安全性能也隨之持續(xù)提高。