用于实践教学的防夹汽车关窗器设计

许师中　兰靛靛　方遒

摘 要：针对学生学习汽车电器实践课程内容提升需求，对车窗电机的工作电流信号进行处理，利用电流纹波的周期信号与电流值，设计制作具有防夹功能的开放性汽车关窗器实验装置，可以使学生得到比课本更深入、更直观的车窗防夹知识。

关键词：电动车窗 防夹 实践教学

1 引言

根据美国交通部针对电动车窗系统的法规FMVSSll8要求，以及我国的规定[1]要求从2012年开始，使用电动玻璃升降器的新增车辆应该具有防夹功能，所以目前国内小车基本采用防夹电动车窗。按照防夹要求，升窗过程在防夹区域遇到100N阻力时，应启动防夹处理程序。这样的表述对于学生学习、理解防夹参数比较抽象，若能通过示波器观察车窗电机工作时与标准要求对应的相关电流参数，就比较容易理解车窗防夹机理，并能正确使用电动车窗。

《汽车电器与电子技术》理论课对“电动车窗”介绍不涉及防夹功能方面的知识，实践课程中“电动车窗”模块仅要求控制线路的连接，这些比较简单。因此，设计一个实验装置，方便示波器观察、测量车窗电机工作过程的电参数，并根据需要，方便在线修改控制程序及控制参数，可以满足学生扩展电动车窗模块知识深度和广度需求。

2 电动车窗防夹主要检测方式

目前电动车窗的防夹主要有三种检测方式：

①电流防夹判断：根据电机转动阻力与电流大小接近线性关系进行判断，当电机电流持续一段时间内大于某个数值又小于堵转电流时，视为遇阻需要防夹。该方法成本低，但因电流纹波的影响，对电流值采样不够准确，只能粗略地进行判断。

②霍尔传感器防夹判断：安装在电机上的2个或2个以上霍尔传感器在电机转动时，产生的方波转速信号能准确定位车窗的位置，同时电机转速即霍尔传感器输出的方波信号周期与所受阻力接近反比例关系，因此，利用霍尔传感器方波信号周期变化情况判断是否需要防夹处理[2][4]。该方法成本较高，防夹反应速度比电流防夹方式慢，但控制较为稳定，抗干扰能力强。

③霍尔传感器与电流结合防夹判断：测量电机工作电流大小，结合霍尔传感器输出转速信号，可以准确进行防夹判断[3][4]。

3 设计方案概述

本方案利用检测电机的电流值、电流纹波周期相结合的方法设计防夹汽车关窗器。有刷直流电机在换相过程中会产生电流纹波，纹波个数与电机转速和换向片的数量成比例关系，只要电流纹波经整形成方波信号，即可替代霍尔传感器的方波信号，能准确、快速地进行车窗防夹判断、控制[5][6]，也可增设学习功能，方便车窗防夹的调校。

图1是霍尔传感器信号与电流纹波信号比较，可以看出电流纹波频率是霍尔信号频率的10倍，电流纹波的频率比霍尔传感器的输出频率更高，那么控制系统判断时间更短。根据采用的防夹算法用时计算，此方法大约只占用霍尔传感器输出一至二个方波信号时间，也就是说在车窗同时夹物后，霍尔传感器得到第一个防夹数据时，基于纹波的检测方法已经得到10个防夹数据，已经完成了防夹的判断，并且进行防夹处理了。可见电流纹波的检测方式处理速度比霍尔传感器更快。

本套车窗防夹系统采用的电流纹波——方波转化模块是关键技术电路。一般硬件的波形变换电路只在电流值变化平缓时可以正常地把近似交流信号转化成方波信号，但在电机电流陡升阶段很难把纹波信号转化成方波信号，如图2中电机通电瞬间、受阻上升和正常到顶阶段的电流纹波信号就不容易转化成方波信号，所以常用方法是采用性能较好的MCU进行软件算法处理后得到电流纹波周期[7]。

方案采用纯硬件电路模块处理后，即使电流陡升或陡降阶段均可以得到电流纹波的方波周期信号[5]。这仅使用普通MCU，不需要大量算法处理，简化了数据处理难度，适合绝大部分学生的知识和能力水平，并且可提高防夹反应速度。我们基于这两个信号及其特点，设计其余硬件电路，引出电机电流信号、方波信号供示波器观察使用，并优化防夹处理算法和软件抗干扰方法，即可实现准确的防夹判断处理、实用直观的实践教学功能。

4 系统组成

4.1 硬件部分

硬件部分分为：单片机系统电路、信号检测与电机驱动电路两部分。图3为原理框图，图4为实物图，分别为两块PCB板，两板用数据线相连，可以灵活跳线。信号检测与电机驱动电路板可以匹配多种品牌和系列的MCU，MCU系统电路板可以自己设计，也可以外购现成最简系统板，这种设计应用于实践教学，具有很好的拓展性和开放性。

4.1.1 单片机系统电路

单片机系统采用HT66F70A单片机作为主控芯片的最简系统电路，含有按键控制识别、数据测量及车窗电机控制信号的产生等功能，具有在线编程，或直接修改控制参数功能。

4.1.2 信号检测与电机驱动电路

信号检测与电机驱动电路具有电流信号、外部控制信号检测和升窗电机的驱动功能。

在ACC处于OFF状态下，系统检测到中控锁落锁信号后，电机驱动电路根据单片机系统输出的信号，控制继电器给车窗电机供电，电机的工作电流经过10 mΩ的取样电阻转化为电压信号，利用差分放大电路对电压信号进行放大。放大后的信号分三路输出，第一路直接送到板外测试口，用于示波器观察电流波形;第二路信号经过纹波平滑电路送到HT66F70A的A/D端口进行模数转换，通过简单运算，可得到电机的电流值;第三路信号经过低通滤波后，送到纹波---方波转化电路，把电流纹波信号转化成方波信号，再送到HT66F70A的外部中断端口进行频率检测，同时把方波信号输出板外测试口，用示波器观察变换后的方波信号。

单片机系统根据检测的电流参数控制电机驱动电路實现电机正转、反转、停止等动作，完成关窗动作后，最后模块自动断电。

4.2 软件部分

根据防夹方案，应用程序主要由学习模式与正常工作模式两部分构成，并包含抗1 kHz 以上干扰频率等处理功能，软件流程如图5所示。

4.2.1 防夹算法简述

防夹与正常升顶的判断涉及关窗器工作的可靠性，是整个系统的关键。利用已有的电流值和方波信号，还需采用合理的算法，才能明显减少系统的误判。

车窗正常升顶与受阻升窗时（图2），电流值与纹波幅度都增大，但电流/时间的斜率是不同的，正常升顶的斜率较大，即电流纹波周期变化较大;受阻状态的斜率较为平缓，即受阻状态下电流纹波周期变化缓慢，如图6所示的遇阻防夹处理波形，这正是我们区分正常到顶与上升过程受阻的判断依据。

根据设计的硬件特性，可以对电流纹波——方波转换模块转换出来的方波信号与电流纹波的特定相位进行精确采样，使方波的下降沿对应纹波电流的峰值处，单片机可利用下降沿中断触发对电流峰值采样。

4.2.2 运行模式简述

系统通电后，有两种工作模式：学习模式与正常工作模式。

①学习模式：在进入学习模式后，系统测量车窗防夹起始点后的几个数据：正常上升过程、外挂重物时上升过程不同状态下的工作电流、电流纹波周期，以及正常升窗时电机堵转前几个电流纹波周期和对应电流值，保存在MCU内作为参考值。

②工作模式：车窗玻璃上升时，系统同时检测电流值和纹波周期。在电流达到防夹阈值后，若纹波周期迅速变大，且周期大于50 ms 即可判断正常到顶，电机快速断电;当纹波周期变化相对缓慢时，可以判断是遇到阻力，需要防夹处理，这时单片机系统需要控制电机反转1秒（或根据实际需要），延迟一段时间后，重新进入关窗程序，最后完成关窗动作，并自动切断关窗器系统供电。

4.2.3 软件抗干扰设计

系统抗干扰设计应考虑软、硬件配合设计，以提高整个系统抗干扰能力。软件抗干扰处理从以下三个方面进行：

①车窗电机在起动的瞬间（参见图6），电流远大防夹电流阈值，不需电流采样，因此在电机起动延时50ms后，单片机才开始对车窗电机进行电流采样。

②对1KHz以上干扰频率的滤除处理：因为电流纹波频率不会超过1KHz，因此1KHz以上的信号是干扰信号，将周期低于1ms的采样点滤除不做A/D转换，只做时间累加。

③从触发防夹电流阈值后2～3个周期开始，计算N个周期内，电流变化量与时间的比例系数。这种算法以数据量多的方式能极大的减小因局部扰动而造成整体的误差。

5 结语

本实验装置拓展实验教学内容广度和深度，同时提高学生学习兴趣，受到学生的欢迎和好评。在学生完成《汽车电器与电子技术实训》课程的“电动车窗”模块控制电路连线后，增加本实验装置演示内容，利用示波器观察电机正常工作、升窗遇阻过程的电流波形变化情况，可以清楚观察到电机通电瞬间以及到顶堵转时的电流都很大，车窗电机中间工作状态电流也比较大，这些可以使学生知道电动车窗的正确使用方法：正常使用时避免电动窗频繁启停，以免造成电机过热失灵或损坏;应当避免多扇车窗同时工作，以免模块供电线路因工作电流剧增出现故障。通过遇阻电流波形与到顶电流波形的比较，用定量、严谨的数据使学生更容易理解防夹电动车窗的工作原理和防夹处理方法。

因为采用单片机系统板、信号检测与电机驱动电路板两片独立PCB板设计模式，单片机系统板可以根据需要灵活配置具有在线编程接口，对于学有余力、单片机基础知识比较好、动手能力较强的学生，也可以自己编写控制程序或者修改控制参数，从而出现不同防夹效果，深入探索防夹电动车窗关键参数和防夹算法的优化方法。

基金项目：厦门理工学院校级教育教学改革研究项目（项目编号：JG2019004）。

参考文献：

[1]国家质检总局、国家标准化管理委员会.GB 11552-2009乘用车内部凸出物[S].北京：中国标准出版社出版.2010年.

[2]马伟泽，张申科，汪宏杰.采用霍尔传感器的汽车电动车窗防夹设计[J].汽车工程，2008，30（12）：1122-1124.

[3]Freescale Semiconductor，Inc.  Anti-Pinch Window Lift Reference Design [DB/OL]. http：//cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/fact_sheet/RDS12VRFS.pdf？fpsp=1.

[4]吴志红，陈雅莹，朱元等.车窗防夹算法的探究和实[J].电子产品世界，2009（1）：88-90.

[5]许师中.基于电流纹波纯硬件波形转化的车窗防夹设计[J].厦门理工学院学报，2014，（2）2，P11-16  1673-4432.

[6]涂超平，刘幸辉等.基于 AutoChipsAC781 xMCU 的車窗纹波防夹系统设计[J].中国集成电路 2021 （3）61-65，77.

[7]王凡.电动车窗防夹系.电流纹波算法研究[J].电子技术与软件工程.2020，（12）83-84.