电动车窗防夹系统设计

孟祥和，王卫东

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253000）

电动车窗防夹系统设计

孟祥和，王卫东

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253000）

随着科学技术的不断发展，电动车窗防夹系统已经成为轿车的必备功能之一，车窗在上升过程中，能够检测到运动过程中出现的夹紧力或者障碍物，一旦出现异常现象，就会改变电机的运动方向或者停止电机的运行，现在市场上大部分轿车已经具备了这种安全功能。通过车载电源驱动车窗玻璃的升降，防止车窗夹伤乘客造成安全问题甚至生命危险，在不影响车辆方便性和外观的前提下，设计电动车窗防夹系统是非常必要的。

电动车窗；车辆安全；防夹系统设计

1 电动车窗防夹系统的发展现状

20世纪90年代，福特汽车公司开始在汽车上装备电动车窗防夹技术，目前被越来越多的汽车制造商采用，并不断研发和创新。汽车的车窗升降系统非常复杂，机械、环境等诸多因素都会影响电动车窗的自动运行情况，欧美等发达国家针对电动车窗防夹技术的研究已经有数十年，技术比较成熟，而我国的汽车电子技术研究时间并不长，汽车工业的整体发展水平较为落后，国产汽车制造商很少采用电动车窗防夹技术和装置。随着国外对汽车电子技术的可靠性、安全性要求逐渐提高，很多知名汽车制造商和研发机构都投入了大量的人力、财力，研究更加智能、高效的电动车窗防夹系统。目前采用的技术主要有：车窗升降电机传动系统、汽车运行工况和环境改变防误夹系统等。

2 电动车窗防夹系统分析

（1）设计要求。要实现有效的电动车窗防夹功能，需要对车窗的防夹区域、防夹执行动作和防夹阈值力进行定义。文章采用的为欧洲74/60/EEC或者美国MVSS118标准：防夹区域为距离门窗顶端4mm到200mm的区域；防夹阈值力为100N；遇到障碍物后，车窗电机反向运转，车窗玻璃下降一段距离后停止，等到用户的进一步操作。

（2）设计原理。要提高电动车窗的安全可靠性和实时响应性，针对运行过程中可能出现的异常情况，需要解决的问题有以下方面：判断车窗玻璃是在下降还是上升；判定车窗玻璃的位置；判定车窗电机的负载；发生异常情况的快速响应；防夹系统算法的自适应性和鲁棒性。

（3）系统总体结构。汽车的四个车门车窗采用相同的系统，为了方便系统管理和系统集成，使用LIN总线将四个车窗系统连接起来，驾驶员所在车窗系统为总线的主节点，另外三个为从节点，驾驶员使用车窗系统功能能够对全部四个车窗进行分布式控制，也可以使用CAN网络和中央控制联网，接入整车分布式控制网络。

3 电动车窗系统的硬件设计

（1）霍尔定位的硬件设计。在电动车窗系统中，霍尔传感器起到采集信号的重要作用，采用日本Allegro生产的霍尔传感器，安装方法为：安装时将四个磁钢片对称在埋置在电机的输出轴上，运用霍尔传感器来感应磁场，电机轴每转一周，霍尔传感器就能够输出四个脉冲，然后单片机捕获脉冲并计算脉冲数量。当车窗玻璃上升时，脉冲数量增加，反之脉冲数量减少。

（2）电流采样的硬件设计。在车窗玻璃上升时，如果遇到了障碍物，电机轴负载转矩就会增加，也就是说，电机轴负载转矩对障碍物的感应非常敏感，可以将其阈值作为监测障碍物的指标，但是电机轴负载转矩测量较为困难，因

此可以采用间接的方法，将测量负载转矩转化为测量电枢电流。如图1所示，电流流过电机电枢后经过采样，放大输出到单片机中，其中电容起到滤波的作用，稳压管用来保护微处理器。

图1 电流采样图

然后对上式进行转换，可以得到：

联立上述两个算式，可以得到：

4 防夹系统软件设计

（1）防夹系统的算法。从两个方面考虑电动车窗防夹系统的算法，一是电机负载转矩变化率阈值，二是防夹阈值力。按照欧洲或者美国标准，防夹阈值力为100N。对于电动车窗防夹系统的算法，其核心为车窗在上升或者自动上升状态时，通过霍尔传感器计算脉冲数量来判断车窗玻璃是否进入了防夹区域，通过障碍物检测来监测电枢电流和变化率情况，如果超出阈值则可能出现了异常情况。

（2）应用程序设计。使用微处理器内部时钟频率为8 MHz，内部存储32k字节，运行内存1k字节，ADC为10字节，是一种8位微处理器，具有较强的抗干扰能力和较为完善的功能。编写软件时，为了便于后期修改和维护，可以采用结构化或者模块化的编写方法，使用标准C语言来实现应用程序的各个功能，应用程序功能包括软件初始化、硬件初始化、脉冲计数、按键监测、障碍物监测、A/D转换等，采用μC/OS系统建立四个任务，分别是：按键监测：viod Task_KeyScan（void*pdata）；障碍物监测：void Task_ObsDetc（void*pdata）；脉冲计数：void Task_PulseCount（void*pdata）；电机控制：void Task_DcCtrl（void*pdata）；根据电动车窗防夹系统的需求，任务优先级为13、12、11、10。

5 电动车窗系统标定设计

霍尔脉冲计数和车窗防夹区域存在一个对应关系，可以通过实验来得到这个关系并制作成关系表，为了防止回程误差产生影响，当车窗玻璃在顶端时，脉冲计数为标定的最大值；车窗玻璃到达底端时，脉冲计数归零。对于玻璃在防夹阈值力下的电枢电流，也可以通过实验测得，写入单片机和存储器中，并且要随着车辆使用时间的增加不断更新，可以在车窗防夹系统出现异常时人为改写。

6 结语

综上，随着我国汽车工业的不断发展，汽车电子产品前景广阔，车窗系统是汽车的主要组成部分之一，现今电动车窗防夹系统已经成为汽车的标配，也是影响消费者购买汽车产品的因素之一，很多消费者认识到电动车窗防夹系统对于车辆安全的重要性，我国汽车制造企业和相关研究机构也针对电动车窗防夹系统进行了研究。文章设计采用霍尔脉冲定位法和电机负载转矩变化率阈值法进行了电动车窗防夹系统的设计，每个车窗都由独立的微处理器控制，使用了多任务嵌入式系统μC/OS，系统的响应性和可靠性得到了提高。总体来说，这套电动车窗防夹系统具有性能稳定、相应速度快、抗干扰能力强等优点，证实了防夹系统算法的可行性。

Design of the Clamp System of Electric Windows

MENG Xiang-he，WANG Wei-dong
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

With the continuous development of science and technology，electric windows clamp system has become a necessary function of car,which can detect movement and obstacles in the rise of windows.Once abnormal situation appears，the engine will change the movement or stop.Now most cars in the market have this safety function.The paper puts forward that car power driven windows can prevent passengers from in jury or danger.Therefore，it is necessary to design electric Windows anti clamping system without affecting the convenience and appearance of cars.

electric Windows；vehicle safety；clamping system design

U463.835

A

2095-980X（2016）10-0059-02

2016-09-05

孟祥和（1994-），男，山东济宁人，大学本科，主要研究方向：汽车工程系交通运输。