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基于霍爾傳感器和電流紋波技術在電動(dòng)車車窗防夾中的應用


發(fā)布時(shí)簡(jiǎn):

2021-12-03

溫州搏技科技有限公司   随着汽車工業(yè)的發(fā)展,人們追求更加舒适和便于操作的駕駛環(huán)境,因此,越來(lái)越多的汽車上安裝了電動(dòng)車窗,從而實(shí)現車窗的自動(dòng)升降。然而,由于電動(dòng)車窗的上升速度較快,很容易引發(fā)夾上乘客等事故,尤其是對兒童形成了安全隐患。這對于汽車的安全向提出了新标準,要求電動(dòng)車窗具有一定的防夾功能。以前汽車普遍采用手搖曲柄的方式使車窗玻璃上升或下降,現今轎車很多都安裝了電動(dòng)車窗。而具有防夾功能的電動(dòng)窗應用于汽車始于20世紀90年代,當玻璃上升途中遇到人力障礙時(shí)會(huì)自動(dòng)識别而反向運行,防止乘員夾傷,實(shí)現防夾功能。由于該功能的重要性,在歐美新車型上都已成爲标準配置,目前國内新推出的高端車型已成爲标準配置。由于低成本方案的推出,經(jīng)濟型轎車也開(kāi)始逐漸配備應用這一功能。而車窗位置判斷準确是車窗的防夾功能的正常實(shí)現的前提。     1、準确判斷電動(dòng)窗位置的重要性   法規規定,具有自動(dòng)上升功能的車窗必須配備自動(dòng)防夾功能。即當車窗在自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車窗玻璃遇到障礙物,必須做出判斷後反轉,并且防夾力要小于100 N。而法規規定的防夾區域是4 mm~200 mm(如圖1)。這就要求系統對車窗的位置進(jìn)行準确的計算和判斷。 如果車窗位置計算不準确會(huì)有以下後果: (1) 比如車窗在上升過(guò)程中在防夾區域内,如果車窗位置計算不準确,系統判斷爲防夾區域外。車窗可能遇到障礙物,但是不做防夾反轉。而是繼續上升玻璃。障礙物如果是人,導緻把人夾傷。 (2) 車窗自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車窗位置計算不準确,車窗就會(huì)到頂部位置認爲在防夾區域内,遇堵後反轉。導緻車窗不能關滿。 (3)車窗在上升過(guò)程中,由于存在車窗重量和窗框阻力等因素,在每個(gè)位置上的阻力大小是不一樣的。因此判斷車窗位置也是相當重要的。 由以上三點分析可知,車窗位置判斷的準确在防夾功能中,既有非常重要的意義。 2、電動(dòng)窗位置判斷的原理 從機械的角度講,電動(dòng)車窗砸升降時(shí),電機旋轉會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩的運動(dòng),從而帶動(dòng)車窗的上下開(kāi)閉。電機每旋轉一定的角度,鋼絲繩就相應地運動(dòng)一定行程,因此車窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以簡(jiǎn)接算出車窗的位置。 2.1霍爾原理 電機的旋轉會(huì)使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信号。玻璃位置的檢測是通過(guò)對控制模塊中的霍爾傳感器發(fā)出的方波進(jìn)行計數來(lái)實(shí)現。軟件設計中通過(guò)單片機芯片的輸入捕捉功能記錄車窗運行過(guò)程中的脈沖個(gè)數,通過(guò)學(xué)習,将車窗的上密封條記爲位置0,而下密封條爲大位置。在車窗上升過(guò)程中将位置計數器減1,上升到頂時(shí)位置計數器清0,下降時(shí)位置計數器加l。因此,可按照要求确定防夾區界限對應的位置計數器的值。通過(guò)對位置計數器的值的檢測可以簡(jiǎn)接判斷玻璃的位置。 脈沖計數方式的關鍵問(wèn)題在于位置記錄要精确,但在試驗中卻存在電機切斷電源後依舊會(huì)發(fā)出幾個(gè)脈沖的問(wèn)題,這幾個(gè)脈沖由慣性造成,而且不同的玻璃升降器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數不同。這些脈沖對車窗位置影響随情況的不同而不。在車窗上下兩端堵轉時(shí),這些脈沖不太可能造成車窗位置的變化,而在中簡(jiǎn)位置停止時(shí)則有可能造成車窗位置移動(dòng),特别是下降途中人爲停止時(shí)對車窗位置的影響更大。爲了減小這種影響,與電機通電運動(dòng)時(shí)位置計數一樣,在算法中捕捉這些脈沖。如果當前爲下降狀态,則對電機斷電後產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置加法操作,如果當前爲上升狀态,則對電機斷電後產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置減法操作。 2.2紋波原理 電機有磁極、轉子線(xiàn)圈、換向器組成。根據右手定律轉子線(xiàn)圈通電後再磁極磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生運動(dòng)。運動(dòng)到磁場(chǎng)邊緣是磁場(chǎng)變弱,電動(dòng)勢減小,電流增大。換向器改變轉子線(xiàn)圈的電流方向,重新進(jìn)入磁場(chǎng)電動(dòng)勢增大,電流減小。轉子線(xiàn)圈不斷轉動(dòng)、電動(dòng)勢和電流不斷變化,從而紋波不斷產(chǎn)生。所以紋波是電機的固有特性,通過(guò)計算紋波的個(gè)數就能計算出轉子換向的次數,就能計算出窗戶的相對位置,結合時(shí)簡(jiǎn)就能得出電機的轉速。由于電機在啓動(dòng),停止,反轉,堵轉時(shí)的紋波特征不明顯。如圖5和圖6,不能精準的計數紋波個(gè)數。隻能通過(guò)算法進(jìn)行補償。這樣紋波計數必然和實(shí)際的必然存在誤差。而這誤差随着車窗操作次數的增加,誤差也會(huì)跟着累積。   3、電動(dòng)窗位置判斷的原理 從機械的角度講,電動(dòng)車窗砸升降時(shí),電機旋轉會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩的運動(dòng),從而帶動(dòng)車窗的上下開(kāi)閉。電機每旋轉一定的角度,鋼絲繩就相應地運動(dòng)一定行程,因此車窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以簡(jiǎn)接算出車窗的位置。 4、霍爾傳感器的方案 此方案在電機軸上安裝磁環(huán),在磁環(huán)附近安裝霍爾傳感器,當電機轉動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁環(huán)轉動(dòng),在霍爾傳感器上感應出高低電平的脈沖信号,脈沖的個(gè)數反映了電機的位置,脈沖的頻率反映了電機的轉速。 當電動(dòng)車窗上升并遇到障礙物是,阻力變大,電機變大,電機轉速将減慢,對應脈沖的信号的脈寬将變大,此時(shí)系統會(huì)向ECU模塊報告信息,ECU向繼電器或電機驅動(dòng)芯片發(fā)出指令,使電機停轉或者反轉,從而令車窗停止或下降,實(shí)現防夾判斷。 DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應傳感器,具有寬工作電壓範圍(2.7至38V)和高達-22V的反極性保護,使得該器件廣泛用于各種汽車應用。此外該器件還具有抛負載、輸出短路和過(guò)流等内部保護功能。 此方案需要安裝磁環(huán)且每個(gè)車窗都需要各自的控制器,因此成本較高。 相比于霍爾傳感器的方案,機遇紋波計數的無(wú)傳感器方案可以節省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關線(xiàn)束的成本。此外,此方案可以用單控器同時(shí)控制多個(gè)車窗,能夠提高整車的集成度,進(jìn)一步降低控制器的成本。因此,基于波紋計數無(wú)傳感器方案将成爲未來(lái)電動(dòng)車窗夾的發(fā)展趨勢。 5基于紋波技術的無(wú)傳感應器方案 波紋計數的無(wú)傳感應器方案是利用轉子轉動(dòng)過(guò)程中,電刷在電極簡(jiǎn)切換產(chǎn)生電流紋波,并對這種電流波動(dòng)進(jìn)行采樣、分析和控制。 此方案首先通過(guò)采樣電阻将電機電流信号轉換爲電壓信号,并通過(guò)運放對電壓信号進(jìn)行濾波和放大,放大後的信号一路經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信号給到MCU,作爲防夾及堵轉的判斷依據,另一路通過(guò)濾波器和比較器得到方波信号,此方波的頻率和電機的轉速成正比。通過(guò)方波的個(gè)數和頻率可以判斷電機的位置和轉速。 參考設計TIDA-01421提供了一種無(wú)傳感器的紋波防夾方案。該設計主要分爲以下幾個(gè)部分: 電流檢測放大 INA240-Q1是一個(gè)寬共模範圍,高精度,雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V至80V的共模範圍,120dB的超大共模抑制比,能夠提供準确,低噪聲的測量結果。 應用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC輸入濾波器,以減少高頻電機電刷產(chǎn)生的噪聲和潛在的PWM開(kāi)關噪聲。 帶通濾波器 電流檢測放大器的輸出通過(guò)有源帶通濾波器進(jìn)行濾波,以消除額外的噪聲和直流分量,從而得到電流紋波信号。

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随着汽車工業(yè)的發(fā)展,人們追求更加舒适和便于操作的駕駛環(huán)境因此,越來(lái)越多的汽車上安裝了電動(dòng)車窗,從而實(shí)現車窗的自動(dòng)升降。然而,由于電動(dòng)車窗的上升速度較快,很容易引發(fā)夾上乘客等事故,尤其是對兒童形成了安全隐患。這對于汽車的安全向提出了新标準,要求電動(dòng)車窗具有一定的防夾功能以前汽車普遍采用手搖曲柄的方式使車窗玻璃上升或下降,現今轎車很多都安裝了電動(dòng)車窗。而具有防夾功能的電動(dòng)窗應用于汽車始于20世紀90年代,當玻璃上升途中遇到人力障礙時(shí)會(huì)自動(dòng)識别而反向運行,防止乘員夾傷,實(shí)現防夾功能。由于該功能的重要性,在歐美新車型上都已成爲标準配置,目前國内新推出的高端車型已成爲标準配置。由于低成本方案的推出,經(jīng)濟型轎車也開(kāi)始逐漸配備應用這一功能。而車窗位置判斷準确是車窗的防夾功能的正常實(shí)現的前提。

 

 

1準确判斷電動(dòng)窗位置的重要性

 

法規規定,具有自動(dòng)上升功能的車窗必須配備自動(dòng)防夾功能。即當車窗在自動(dòng)上升過(guò)程中如果車窗玻璃遇到障礙物必須做出判斷後反轉,并且防夾力要小于100 N。而法規規定的防夾區域是4 mm~200 mm(如圖1)。這就要求系統對車窗的位置進(jìn)行準确的計算和判斷。

如果車窗位置計算不準确會(huì)有以下後果

1 比如車窗在上升過(guò)程中在防夾區域内,如果車窗位置計算不準确,系統判斷爲防夾區域外。車窗可能遇到障礙物,但是不做防夾反轉。而是繼續上升玻璃。障礙物如果是人,導緻把人夾傷。

2 車窗自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車窗位置計算不準确,車窗就會(huì)到頂部位置認爲在防夾區域内,遇堵後反轉。導緻車窗不能關滿。

3車窗在上升過(guò)程中,由于存在車窗重量和窗框阻力等因素,在每個(gè)位置上的阻力大小是不一樣的。因此判斷車窗位置也是相當重要的。

由以上三點分析可知,車窗位置判斷的準确在防夾功能中,既有非常重要的意義。

2電動(dòng)窗位置判斷的原理

從機械的角度講,電動(dòng)車窗砸升降時(shí),電機旋轉會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩的運動(dòng),從而帶動(dòng)車窗的上下開(kāi)閉。電機每旋轉一定的角度,鋼絲繩就相應地運動(dòng)一定行程,因此車窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以簡(jiǎn)接算出車窗的位置。

2.1霍爾原理

電機的旋轉會(huì)使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信号。玻璃位置的檢測是通過(guò)對控制模塊中的霍爾傳感器發(fā)出的方波進(jìn)行計數來(lái)實(shí)現。軟件設計中通過(guò)單片機芯片的輸入捕捉功能記錄車窗運行過(guò)程中的脈沖個(gè)數,通過(guò)學(xué)習,将車窗的上密封條記爲位置0,而下密封條爲大位置。在車窗上升過(guò)程中将位置計數器減1,上升到頂時(shí)位置計數器清0,下降時(shí)位置計數器加l。因此,可按照要求确定防夾區界限對應的位置計數器的值。通過(guò)對位置計數器的值的檢測可以簡(jiǎn)接判斷玻璃的位置。

脈沖計數方式的關鍵問(wèn)題在于位置記錄要精确,但在試驗中卻存在電機切斷電源後依舊會(huì)發(fā)出幾個(gè)脈沖的問(wèn)題,這幾個(gè)脈沖由慣性造成,而且不同的玻璃升降器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數不同。這些脈沖對車窗位置影響随情況的不同而不。在車窗上下兩端堵轉時(shí),這些脈沖不太可能造成車窗位置的變化,而在中簡(jiǎn)位置停止時(shí)則有可能造成車窗位置移動(dòng),特别是下降途中人爲停止時(shí)對車窗位置的影響更大。爲了減小這種影響,與電機通電運動(dòng)時(shí)位置計數一樣,在算法中捕捉這些脈沖。如果當前爲下降狀态,則對電機斷電後產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置加法操作,如果當前爲上升狀态,則對電機斷電後產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置減法操作。

2.2紋波原理

電機有磁極、轉子線(xiàn)圈、換向器組成。根據右手定律轉子線(xiàn)圈通電後再磁極磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生運動(dòng)。運動(dòng)到磁場(chǎng)邊緣是磁場(chǎng)變弱,電動(dòng)勢減小,電流增大。換向器改變轉子線(xiàn)圈的電流方向,重新進(jìn)入磁場(chǎng)電動(dòng)勢增大,電流減小。轉子線(xiàn)圈不斷轉動(dòng)、電動(dòng)勢和電流不斷變化,從而紋波不斷產(chǎn)生。所以紋波是電機的固有特性,通過(guò)計算紋波的個(gè)數就能計算出轉子換向的次數,就能計算出窗戶的相對位置,結合時(shí)簡(jiǎn)就能得出電機的轉速。由于電機在啓動(dòng),停止,反轉,堵轉時(shí)的紋波特征不明顯。如圖5和圖6,不能精準的計數紋波個(gè)數。隻能通過(guò)算法進(jìn)行補償。這樣紋波計數必然和實(shí)際的必然存在誤差。而這誤差随着車窗操作次數的增加,誤差也會(huì)跟着累積。

 

3電動(dòng)窗位置判斷的原理

從機械的角度講,電動(dòng)車窗砸升降時(shí),電機旋轉會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩的運動(dòng),從而帶動(dòng)車窗的上下開(kāi)閉。電機每旋轉一定的角度,鋼絲繩就相應地運動(dòng)一定行程,因此車窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以簡(jiǎn)接算出車窗的位置。

4霍爾傳感器的方案

此方案在電機軸上安裝磁環(huán),在磁環(huán)附近安裝霍爾傳感器,當電機轉動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁環(huán)轉動(dòng),在霍爾傳感器上感應出高低電平的脈沖信号,脈沖的個(gè)數反映了電機的位置,脈沖的頻率反映了電機的轉速

當電動(dòng)車窗上升并遇到障礙物是,阻力變大,電機變大,電機轉速将減慢,對應脈沖的信号的脈寬将變大,此時(shí)系統會(huì)向ECU模塊報告信息,ECU向繼電器或電機驅動(dòng)芯片發(fā)出指令,使電機停轉或者反轉,從而令車窗停止或下降,實(shí)現防夾判斷。

DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應傳感器,具有寬工作電壓範圍(2.738V)和高達-22V的反極性保護,使得該器件廣泛用于各種汽車應用。此外該器件還具有抛負載、輸出短路和過(guò)流等内部保護功能。

此方案需要安裝磁環(huán)且每個(gè)車窗都需要各自的控制器,因此成本較高。

相比于霍爾傳感器的方案,機遇紋波計數的無(wú)傳感器方案可以節省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關線(xiàn)束的成本。此外,此方案可以用單控器同時(shí)控制多個(gè)車窗,能夠提高整車的集成度,進(jìn)一步降低控制器的成本。因此,基于波紋計數無(wú)傳感器方案将成爲未來(lái)電動(dòng)車窗夾的發(fā)展趨勢。

5基于紋波技術的無(wú)傳感應器方案

波紋計數的無(wú)傳感應器方案是利用轉子轉動(dòng)過(guò)程中,電刷在電極簡(jiǎn)切換產(chǎn)生電流紋波,并對這種電流波動(dòng)進(jìn)行采樣、分析和控制。

此方案首先通過(guò)采樣電阻将電機電流信号轉換爲電壓信号,并通過(guò)運放對電壓信号進(jìn)行濾波和放大,放大後的信号一路經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信号給到MCU,作爲防夾及堵轉的判斷依據,另一路通過(guò)濾波器和比較器得到方波信号,此方波的頻率和電機的轉速成正比。通過(guò)方波的個(gè)數和頻率可以判斷電機的位置和轉速。

參考設計TIDA-01421提供了一種無(wú)傳感器的紋波防夾方案。該設計主要分爲以下幾個(gè)部分:

電流檢測放大

INA240-Q1是一個(gè)寬共模範圍,高精度,雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V80V的共模範圍,120dB的超大共模抑制比,能夠提供準确,低噪聲的測量結果。

應用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC輸入濾波器,以減少高頻電機電刷產(chǎn)生的噪聲和潛在的PWM開(kāi)關噪聲。

帶通濾波器

電流檢測放大器的輸出通過(guò)有源帶通濾波器進(jìn)行濾波,以消除額外的噪聲和直流分量,從而得到電流紋波信号。

TLV2316-Q1是一款雙通道,低壓,軌至軌通用運算放大器。該器件具有單位增益穩定的集成RFI EMI 抑制濾波器,在過(guò)驅條件下不會(huì)出現反相,并且具有高靜電放電(ESD) 保護(4kV HBM)

差分放大器

在電機啓動(dòng)時(shí),電機電流會(huì)出現非常大的初始尖峰,即浪湧電流。該電流尖峰足夠大且足夠慢,以至于不能被高通電路濾除。通過(guò)差分放大器,可以從信号中消除這種低速,高振幅電流尖峰,從而生成一個(gè)低噪聲的交流信号,供下一級比較器進(jìn)行測量。

比較器

經(jīng)由差分放大器輸出的信号通過(guò)比較器終產(chǎn)生一個(gè)0V3.3V的方波信号,其頻率等于電機電流紋波頻率。此方波信号終供給MCU用于計數。LMV7275-Q1是一款軌至軌輸入低功耗比較器,并具有漏極開(kāi)路輸出。小SC-70封裝非常适合低電壓,低功耗、對空簡(jiǎn)要求嚴格的設計。綜上所述,本文介紹了兩種應用于電動(dòng)車窗防夾的方案——霍爾傳感器和紋波防夾技術的基本原理,比較了紋波方案相對于霍爾在實(shí)際應用中的優勢。雖然霍爾方案以其成熟技術和高可靠性,占據着目前市場(chǎng)上車窗防夾應用的主導地位,但是随着機械加工工藝和電子技術的不斷發(fā)展,紋波技術市場(chǎng)份額的增加趨勢将越發(fā)明顯。