電動車窗防夾系統(tǒng)電流紋波算法研究

王凡

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 上海市 200092）

1 前言

電動車窗功能使駕駛員和乘客的操作變得方便，但是車窗的上升速度較快，在上升過程中推力較大，這在一定程度上存在安全隱患容易造成乘客受傷。研究表明[1]，車窗在向上移動過程中，其向上推動的防夾力可高達(dá)350N。這意味著若出現(xiàn)夾持事件，只有約8mm 厚的薄玻璃將高達(dá)35kg 的重量壓到人或者動物的肢體上，這將對被夾持的人或動物造成極大的傷害，造成窒息性傷害只需要98N 的防夾力。因此沒有防夾保護(hù)的車窗，當(dāng)向上移動時將會非常危險。

為了避免意外的發(fā)生，在國際上特別是歐美發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)制定了相應(yīng)的法律法規(guī)，如歐洲的74/60/EEC，美國的FMVSS118。對于車窗防夾系統(tǒng)的性能要求做出了明確規(guī)定，車窗防夾已成為強(qiáng)制性的汽車標(biāo)準(zhǔn)配置，為車輛的安全性、可靠性等人性化要求保駕護(hù)航。我國在2009年也頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB11552-2009 規(guī)范，對車窗防夾系統(tǒng)的作了強(qiáng)制且詳細(xì)的技術(shù)要求。

電動車窗防夾方案雖然各式各樣，本質(zhì)上都是分析電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速或者電流信號為車窗狀態(tài)信息的來源，以此來確定車窗的位置和受力來實現(xiàn)防夾?，F(xiàn)有的防夾方法大概可以分為，以霍爾傳感器為研究對象的方法，和研究電機(jī)電流的方法。接下來重點討論本文的電流紋波算法。

2 紋波防夾算法介紹

電機(jī)與蝸輪蝸桿減速器相連，通過減速器將高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩通過卷揚(yáng)輪轉(zhuǎn)化為鋼索的牽引力，然后使車窗作上下的直線運動。同理，該作用力也反向作用于電機(jī)。當(dāng)車窗遇到障礙物時，將在鋼索中產(chǎn)生反作用力。這種力將通過卷揚(yáng)輪轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩。這個轉(zhuǎn)矩會給升降電機(jī)帶來額外的負(fù)載，從而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。那么測量電機(jī)轉(zhuǎn)矩會得到與測量車窗的運行的力相同的結(jié)果。當(dāng)然，這個計算過程需要乘以常數(shù)，該常數(shù)來自機(jī)械常數(shù)值和傳動系數(shù)。

對于防夾保護(hù)來講，測量轉(zhuǎn)矩最主要的方法是測量電機(jī)電流或轉(zhuǎn)速。只要環(huán)境條件不變（電源電壓、溫度…），二者都是線性相關(guān)的。無論是測量轉(zhuǎn)速還是測量電機(jī)電流，都能反映實際防夾力的信息。在眾多防夾方案中，電流紋波防夾方案在市場上越來越獲得認(rèn)可。電流紋波防夾功能的實施，算法層面主要解決兩個問題[2]，一是障礙物的防夾力，二是車窗在上升過程中的位置。研究表明，電機(jī)在運行時候會有交流電疊加在直流電上，通俗講就是紋波。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周存在固定數(shù)量的紋波電流，根據(jù)電流紋波數(shù)量來確定車窗位置。正常上升過程中，電流平穩(wěn)且遠(yuǎn)小于啟動時的涌入電流以及堵轉(zhuǎn)電流，在車窗遇到障礙物時電流會明顯上升。因此通過分析電流大小變化，可以判斷車窗是否有障礙物。

電流紋波防夾算法需要根據(jù)電流值來獲取車窗電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。電機(jī)電流值是不能直接測量，對電機(jī)在上升過程中的工作電流進(jìn)行采樣，需要通過分流器(shunt)，也就是串聯(lián)阻值較小的采樣電阻（如2mΩ）是將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過ADC 采樣后運算放大和耦合電容來濾波去掉直流電流部分，濾波后的電壓信號傳遞給控制器。在控制器中已經(jīng)存儲了電壓大小與防夾力大小的對應(yīng)值，經(jīng)過標(biāo)定之后與獲取的電壓值信號對比來判斷車窗在上升過程中是否遇到障礙物。

圖1：電流檢測模塊系統(tǒng)

圖2：動態(tài)濾波器的框圖

圖3：電流紋波信號調(diào)理圖

電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=C*φ*I，其中C 是電機(jī)常數(shù)，φ 是每極磁通量，I是電樞電流。通過此公式可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通量和電流成正比。而一般磁通量是定值，也即是電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。當(dāng)車窗遇到障礙物時，車窗電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大電流也會增大。因此通過分析車窗電機(jī)電流來判斷車窗是否產(chǎn)生防夾。

圖4：電流紋波方案模型

圖5：電流紋波方案仿真

在電流防夾算法中，除了需要獲取電流大小，還需要檢測車窗位置來判斷車窗是否處于防夾區(qū)域內(nèi)。利用帶刷永磁電機(jī)換向時產(chǎn)生的電流脈沖來計數(shù)判斷車窗位置。電機(jī)電刷每次換向都會產(chǎn)生一個波動[3-4]，電流紋波信號經(jīng)過調(diào)理可以轉(zhuǎn)化為方波信號從而計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。電流紋波頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，通過分析電機(jī)紋波來獲取轉(zhuǎn)速信息。當(dāng)然，電機(jī)轉(zhuǎn)速通常約為70 至80rpm，但是實際上此值是通過蝸輪蝸桿減速器減速而來，內(nèi)部轉(zhuǎn)子速度要高得多。也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速需要轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子速度然后再計算紋波頻率。

車窗電機(jī)電流檢測模塊如圖1 和圖2。系統(tǒng)使用的是常規(guī)固定增益電機(jī)電流檢測方法，感測電流元件是分流電阻。這種放大器電路的優(yōu)點是硬件組件的復(fù)雜度低且控制算法成熟。由于有最小振幅的限制，需要根據(jù)最大電流來確定最大量程。雖然具有多個自動增益控制的系統(tǒng)可以區(qū)分小紋波，但需要更多的硬件組件以及控制算法來保持系統(tǒng)的穩(wěn)定并在需要時啟用/禁用它。運算放大器低通有源濾波器模擬濾波的目的，一是成為ADC 級的抗混疊濾波器(Antialiasing Filter)，第二可消除PWM 電機(jī)電流波形產(chǎn)生的開關(guān)噪聲，第三是去除來自電流信號的高頻噪聲。

數(shù)字濾波，ADC 采樣電流后將再次濾波。但這一次的濾波過程是通過帶通濾波器進(jìn)行的，主要頻率根據(jù)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整。濾波器的帶寬頻率通過兩次標(biāo)定來確定。每個低通濾波器均以一階實現(xiàn)無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器。

采集的電流信號首先經(jīng)過模擬濾波，然后進(jìn)一步通過數(shù)字濾波去除采集信號中的直流電信號。如圖3 電流紋波信號經(jīng)過調(diào)理，轉(zhuǎn)化為與霍爾脈沖信號相似的方波信號。

3 電流紋波算法建模和仿真

電流紋波方案模型如圖4，獲取車窗上升和下降過程中的電流和電壓信號，通過自適應(yīng)濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波后估計出車窗運行速度[5]。防夾探測算法模塊檢測車窗啟動，平穩(wěn)運行和制動階段的電流，并且輸出紋波脈沖。紋波補(bǔ)償和修正模塊進(jìn)行紋波進(jìn)一步處理，比如補(bǔ)償缺失的紋波，雙紋波或者多紋波信號取舍。

根據(jù)電流紋波方案模型進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖5，在車窗向上運動整個過程，從下往上包括，電機(jī)運行電流信號，霍爾脈沖信號，補(bǔ)償紋波信號，紋波脈沖信號。仿真結(jié)果表明，研究的電流紋波方案能夠有效地實現(xiàn)防夾功能。

4 結(jié)束語

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子配備率越來越高，車窗系統(tǒng)是汽車的主要組成部分之一，現(xiàn)今電動車窗防夾系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車的標(biāo)配，成了消費者購買汽車產(chǎn)品的因素之一。很多消費者認(rèn)識到電動車窗防夾系統(tǒng)對于車輛安全的重要性，因此本文針對電動車窗防夾的電流紋波方案進(jìn)行了研究?；诜缞A需要解決的核心問題，即確定車窗位置和防夾力大小進(jìn)行討論，電流紋波方案主要分析電機(jī)電流，在運行過程中每旋轉(zhuǎn)一周電流會產(chǎn)生固定數(shù)量的紋波，根據(jù)紋波數(shù)量確定車窗行程的位置。正常上升過程中，電流平穩(wěn)且遠(yuǎn)小于啟動時的涌入電流以及堵轉(zhuǎn)電流，在車窗遇到障礙物時電流會明顯上升。因此通過分析電流大小變化，可以判斷車窗是否有障礙物。獲取的電流值經(jīng)過模擬濾波和數(shù)字濾波獲取需要的電流信號。通過建模仿真指出電流紋波方案的能夠有效的進(jìn)行防夾。