0 引言
隨著現(xiàn)代汽車(chē)電子技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)內(nèi)傳統(tǒng)的零部件及總成也在向機(jī)電一體化發(fā)展。汽車(chē)中大量應(yīng)用的電子設(shè)備，不僅提高了汽車(chē)的舒適性，也對(duì)汽車(chē)的安全性提出了新的要求。為了方便駕駛員和乘客，大量汽車(chē)采用電動(dòng)車(chē)窗，許多電動(dòng)車(chē)窗都不具有防夾功能，容易造成對(duì)乘員尤其是兒童的傷害。美國(guó)交通部頒布了針對(duì)電動(dòng)車(chē)窗開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSll8，對(duì)車(chē)窗防夾相關(guān)參數(shù)做出了明確規(guī)定，并規(guī)定在2008年10月1日之后在北美出售的轎車(chē)和小型貨車(chē)都必須強(qiáng)制執(zhí)行該規(guī)定。雖然我國(guó)還沒(méi)有就該問(wèn)題做出法律上的規(guī)定，但為安全起見(jiàn)，開(kāi)發(fā)具有防夾功能的車(chē)窗控制模塊是完全必要的。
參考了文獻(xiàn)后，本文的防夾設(shè)計(jì)方案采用將霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和檢測(cè)電機(jī)電流變化情況結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾功能，該方案避免了車(chē)窗防夾系統(tǒng)易受外界環(huán)境影響的缺陷，確保防夾效果可靠，成本較低，可以不必改動(dòng)傳統(tǒng)車(chē)門(mén)的生產(chǎn)工藝，在改造電動(dòng)車(chē)窗無(wú)防夾功能的老車(chē)型時(shí)，可以不改變現(xiàn)在已成型的汽車(chē)車(chē)門(mén)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，只需替換電動(dòng)車(chē)窗升降控制器，十分方便。
1 電動(dòng)車(chē)窗防夾設(shè)計(jì)方案
所謂防夾，就是指在電動(dòng)車(chē)窗上升過(guò)程中夾住物體并達(dá)到一定力度后，讓電動(dòng)車(chē)窗自動(dòng)停止或回落，用以防止物體(尤其是人體)被夾傷。車(chē)窗的升降過(guò)程中，只有車(chē)窗上升階段需要進(jìn)行防夾控制，所定義的防夾區(qū)為從離電動(dòng)車(chē)窗玻璃無(wú)障礙上升運(yùn)動(dòng)的最大位置(頂端)4～200 mm的區(qū)域。該定義符合歐洲74/60/EEC和美國(guó)FMVSSll8的相關(guān)要求。只有在防夾區(qū)域才啟動(dòng)防夾功能。所以防夾設(shè)計(jì)首先應(yīng)該確定車(chē)窗的當(dāng)前位置。
1.1 車(chē)窗位置的確定
車(chē)窗控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)，從而控制車(chē)窗的上下移動(dòng)。在車(chē)窗移動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)和車(chē)窗的運(yùn)動(dòng)距離成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，會(huì)使霍爾傳感器產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)。當(dāng)車(chē)窗從最低位置升到頂部過(guò)程中，可以通過(guò)MCU對(duì)霍爾傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從車(chē)窗的最底端到最頂端，上下反復(fù)3次，取其平均值nth，作為標(biāo)定的基準(zhǔn)，并記錄在E2PROM中。之后，軟件控制從車(chē)窗的最底端位置開(kāi)始運(yùn)行(此時(shí)為人工操控，車(chē)窗運(yùn)行到最底端，電機(jī)堵轉(zhuǎn))，且計(jì)數(shù)從零開(kāi)始，上升過(guò)程根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值進(jìn)行加計(jì)數(shù)，下降過(guò)程根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值進(jìn)行減計(jì)數(shù)。因此，通過(guò)霍爾傳感器的脈沖輸出及計(jì)數(shù)方案可實(shí)時(shí)確定車(chē)窗的當(dāng)前位置，并根據(jù)歐洲74/60/EEC和美國(guó)FMVSSll8標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定車(chē)窗是否在防夾區(qū)域。對(duì)于本系統(tǒng)，測(cè)量過(guò)程中脈沖計(jì)數(shù)的誤差可忽略不計(jì)，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行中可能造成的誤差可用定期標(biāo)定的方式加以解決。
1.2 防夾方案的確定
本系統(tǒng)采用檢測(cè)電機(jī)電樞電流方式來(lái)確定車(chē)窗在上升過(guò)程中是否遇到障礙物，方案在具體實(shí)施過(guò)程中要解決如下問(wèn)題：
(1)確定防夾區(qū)域及車(chē)窗位置。遵照歐洲74/60/EEC和美國(guó)FMVSSll8標(biāo)準(zhǔn)確定出相應(yīng)的防夾區(qū)域及車(chē)窗位置。
(2)防夾時(shí)的電機(jī)電樞電流閾值ith的確定，即在防夾區(qū)域內(nèi)電流值上升到所設(shè)定的閾值后即認(rèn)為遇到障礙物，啟動(dòng)車(chē)窗防夾功能.這里存在的問(wèn)題是：車(chē)窗按鍵剛剛按下(無(wú)論是上升或下降)，車(chē)窗電機(jī)剛剛啟動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)還沒(méi)有建立，因而電流會(huì)有短時(shí)間的較大幅值，這時(shí)的電流幅值往往比所設(shè)定的防夾電流閾值還要大，需要將這種電流幅值較大的狀態(tài)和在車(chē)窗上升過(guò)程中遇到障礙物產(chǎn)開(kāi)來(lái)。車(chē)窗電機(jī)啟動(dòng)后延時(shí)50 ms后，再進(jìn)行電流檢測(cè)，這樣可以避免電機(jī)啟動(dòng)初期電流瞬時(shí)過(guò)沖對(duì)防夾電流閾值設(shè)定的影晌。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)用一塊可用于診斷功能的中央控制器，配合武漢吉陽(yáng)光電公司生產(chǎn)的USB-CAN200工具，將運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)反饋到PC機(jī)上，以Excel表格方式呈現(xiàn)，并可繪出圖形，進(jìn)而方便地定出閾值ith，并通過(guò)多次運(yùn)行試驗(yàn)確定合適的閾值。
(3)MCU和功率驅(qū)動(dòng)器件的選取。防夾方案中涉及到較多的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)計(jì)算，要求MCU的計(jì)算能力較高，方案中軟件的實(shí)現(xiàn)基于移植μC/OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方案，因此選擇歐洲車(chē)系上流行的、性能較高的英飛凌XCl64CS MCU，功率驅(qū)動(dòng)芯片選擇具有故障診斷功能的BTS781芯片。
2 防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)包括電動(dòng)車(chē)窗控制系統(tǒng)和電動(dòng)后視鏡控制系統(tǒng)兩部分，防夾電動(dòng)車(chē)窗是車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，在整個(gè)車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)中，采用了一種“總體分布，局部集中式”的控制方案，如圖1所示。即將左側(cè)前后兩個(gè)車(chē)門(mén)的控制作為一個(gè)ECU模塊，右側(cè)前后兩個(gè)車(chē)門(mén)的控制作為另一個(gè)ECU模塊，兩個(gè)模塊之間以及模塊與中央控制器之間均以CAN總線(xiàn)方式連接。
防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以BTS781為核心，通過(guò)ST1，ST2，IH1，IH2，IL1，IL2端口和微控制器XCl64CS芯片連接，接收微控制器發(fā)出的指令，來(lái)控制車(chē)窗的升降。通過(guò)在全橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS781的2和13號(hào)引腳上串接一個(gè)5 mΩ的電阻R37來(lái)檢測(cè)電機(jī)電樞電流變化，經(jīng)過(guò)低通濾波和放大，送入MCU的A/D端口進(jìn)行采樣，如圖2所示。
車(chē)窗位置測(cè)定采用霍爾傳感器輸出脈沖計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。采用英飛凌TLE4923霍爾傳感器，直接輸出方波信號(hào)，經(jīng)低通濾波，將脈沖信號(hào)輸入MCU對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而確定車(chē)窗的當(dāng)前位置，如圖3所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)不但要考慮控制的方便性，也要考慮將來(lái)功能的擴(kuò)展性。因此，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，即首先將μC/OS -Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核移植到XCl64CS MCU上，之后將防夾車(chē)窗控制以其中的一個(gè)任務(wù)的方式添加上去。
3.1 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核移植
所做的移植，就是將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)內(nèi)核移植到XCl64CS微控制器上。由于μC/OS-Ⅱ在讀寫(xiě)處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以一些與處理器相關(guān)的代碼要用匯編語(yǔ)言寫(xiě)，但大部分的μC/OS-Ⅱ代碼用C語(yǔ)言編寫(xiě)。移植工作主要使μC/OS-Ⅱ正確定義和使用XCl64C-S。具體請(qǐng)參考本文作者撰寫(xiě)的文章，此處不再贅述。
3.2 防夾電動(dòng)車(chē)窗軟件設(shè)計(jì)
在所設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)上將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)移植后，將防夾電動(dòng)車(chē)窗控制以任務(wù)方式加入，并參照前文內(nèi)容實(shí)現(xiàn)防夾功能，其流程圖如圖4所示。
控制器XCl64CS上電啟動(dòng)時(shí)，從E2PROM中讀取nth，ith等初始數(shù)據(jù)，檢測(cè)電源電壓，當(dāng)電壓值平穩(wěn)后，讀取E2PROM中存儲(chǔ)的車(chē)窗位置，然后讀取按鍵輸入，如果有升降車(chē)窗操作，就設(shè)置對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)芯片BTS781中的MOS管T1，T2，T3，T4。如果車(chē)窗向上運(yùn)動(dòng)，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，霍爾傳感器脈沖信號(hào)加計(jì)數(shù)，延時(shí)50 ms后，檢測(cè)電流值是否過(guò)流，在車(chē)窗上升過(guò)程中如果檢測(cè)到了過(guò)流信號(hào)，即車(chē)窗電機(jī)的電流值大于電流閾值ith，而車(chē)窗位置又處于防夾啟動(dòng)區(qū)域，則判定車(chē)窗遇堵，控制器就輸出方向開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)MOS管T1，T2，T3，T4驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)1 s后停止，防夾操作完成。不論電機(jī)升降運(yùn)動(dòng)，控制器都會(huì)通過(guò)計(jì)數(shù)程序記錄霍爾傳感器的脈沖信號(hào)數(shù)，據(jù)此可判斷車(chē)窗的相對(duì)位置，并在需要時(shí)把該位置信息寫(xiě)入 E2PROM。
4 測(cè)試
通過(guò)完成硬件的制作和軟件的編程后，制作了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。對(duì)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)后，得到如圖5所示試驗(yàn)結(jié)果，將試驗(yàn)結(jié)果用Excel圖表繪制后如圖5右上側(cè)的曲線(xiàn)圖，用示波器實(shí)際測(cè)試的電流變化曲線(xiàn)圖如圖5右下側(cè)曲線(xiàn)圖所示。示波器實(shí)際測(cè)試曲線(xiàn)變化說(shuō)明如表1所示。
從圖5中可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果繪制的圖形和示波器實(shí)際測(cè)試圖形相同，達(dá)到預(yù)期的防夾效果。
5 結(jié)語(yǔ)
闡述了一種電動(dòng)車(chē)窗的防夾設(shè)計(jì)，在不改變?cè)邪惭b結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了車(chē)窗的防夾功能。其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的電流檢測(cè)閾值，本研究在基于實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了電流閾值，制作了測(cè)試臺(tái)架。測(cè)試結(jié)果表明，本文所做的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)可靠的車(chē)窗防夾功能。