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基于霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動(dòng)車(chē)車(chē)窗防夾中的應用


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2021-12-03

溫州搏技科技有限公司 ? 隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展,人們追求更加舒適和便于操作的駕駛環(huán)境,因此,越來(lái)越多的汽車(chē)上安裝了電動(dòng)車(chē)窗,從而實(shí)現車(chē)窗的自動(dòng)升降。然而,由于電動(dòng)車(chē)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隱患。這對于汽車(chē)的安全向提出了新標準,要求電動(dòng)車(chē)窗具有一定的防夾功能。以前汽車(chē)普遍采用手搖曲柄的方式使車(chē)窗玻璃上升或下降,現今轎車(chē)很多都安裝了電動(dòng)車(chē)窗。而具有防夾功能的電動(dòng)窗應用于汽車(chē)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)識別而反向運行,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(chē)型上都已成為標準配置,目前國內新推出的高端車(chē)型已成為標準配置。由于低成本方案的推出,經(jīng)濟型轎車(chē)也開(kāi)始逐漸配備應用這一功能。而車(chē)窗位置判斷準確是車(chē)窗的防夾功能的正常實(shí)現的前提。 ? ? 1、準確判斷電動(dòng)窗位置的重要性 ? 法規規定,具有自動(dòng)上升功能的車(chē)窗必須配備自動(dòng)防夾功能。即當車(chē)窗在自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車(chē)窗玻璃遇到障礙物,必須做出判斷后反轉,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(chē)窗的位置進(jìn)行準確的計算和判斷。 如果車(chē)窗位置計算不準確會(huì )有以下后果: (1)?比如車(chē)窗在上升過(guò)程中在防夾區域內,如果車(chē)窗位置計算不準確,系統判斷為防夾區域外。車(chē)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,導致把人夾傷。 (2)?車(chē)窗自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車(chē)窗位置計算不準確,車(chē)窗就會(huì )到頂部位置認為在防夾區域內,遇堵后反轉。導致車(chē)窗不能關(guān)滿(mǎn)。 (3)車(chē)窗在上升過(guò)程中,由于存在車(chē)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(chē)窗位置也是相當重要的。 由以上三點(diǎn)分析可知,車(chē)窗位置判斷的準確在防夾功能中,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(chē)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(chē)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(chē)窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以間接算出車(chē)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)生脈沖信號。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(chē)窗運行過(guò)程中的脈沖個(gè)數,通過(guò)學(xué)習,將車(chē)窗的上密封條記為位置0,而下密封條為大位置。在車(chē)窗上升過(guò)程中將位置計數器減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,可按照要求確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間接判斷玻璃的位置。 脈沖計數方式的關(guān)鍵問(wèn)題在于位置記錄要精確,但在試驗中卻存在電機切斷電源后依舊會(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(chē)窗位置影響隨情況的不同而不。在車(chē)窗上下兩端堵轉時(shí),這些脈沖不太可能造成車(chē)窗位置的變化,而在中間位置停止時(shí)則有可能造成車(chē)窗位置移動(dòng),特別是下降途中人為停止時(shí)對車(chē)窗位置的影響更大。為了減小這種影響,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。如果當前為下降狀態(tài),則對電機斷電后產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置加法操作,如果當前為上升狀態(tài),則對電機斷電后產(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)圈通電后再磁極磁場(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(hù)的相對位置,結合時(shí)間就能得出電機的轉速。由于電機在啟動(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。只能通過(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。而這誤差隨著(zhù)車(chē)窗操作次數的增加,誤差也會(huì )跟著(zhù)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(chē)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(chē)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(chē)窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以間接算出車(chē)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號,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(chē)窗上升并遇到障礙物是,阻力變大,電機變大,電機轉速將減慢,對應脈沖的信號的脈寬將變大,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(chē)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,具有寬工作電壓范圍(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(chē)應用。此外該器件還具有拋負載、輸出短路和過(guò)流等內部保護功能。 此方案需要安裝磁環(huán)且每個(gè)車(chē)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(guān)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(chē)窗,能夠提高整車(chē)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)傳感器方案將成為未來(lái)電動(dòng)車(chē)窗夾的發(fā)展趨勢。 5基于紋波技術(shù)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,電刷在電極間切換產(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)采樣電阻將電機電流信號轉換為電壓信號,并通過(guò)運放對電壓信號進(jìn)行濾波和放大,放大后的信號一路經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信號給到MCU,作為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號,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。該設計主要分為以下幾個(gè)部分: 電流檢測放大 INA240-Q1是一個(gè)寬共模范圍,高精度,雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V至80V的共模范圍,120dB的超大共模抑制比,能夠提供準確,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(guān)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號。

溫州搏技科技有限公司

 

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展,人們追求更加舒適和便于操作的駕駛環(huán)境,因此,越來(lái)越多的汽車(chē)上安裝了電動(dòng)車(chē)窗,從而實(shí)現車(chē)窗的自動(dòng)升降。然而,由于電動(dòng)車(chē)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隱患。這對于汽車(chē)的安全向提出了新標準,要求電動(dòng)車(chē)窗具有一定的防夾功能。以前汽車(chē)普遍采用手搖曲柄的方式使車(chē)窗玻璃上升或下降,現今轎車(chē)很多都安裝了電動(dòng)車(chē)窗。而具有防夾功能的電動(dòng)窗應用于汽車(chē)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)識別而反向運行,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(chē)型上都已成為標準配置,目前國內新推出的高端車(chē)型已成為標準配置。由于低成本方案的推出,經(jīng)濟型轎車(chē)也開(kāi)始逐漸配備應用這一功能。而車(chē)窗位置判斷準確是車(chē)窗的防夾功能的正常實(shí)現的前提。

 

 

1、準確判斷電動(dòng)窗位置的重要性

 

法規規定,具有自動(dòng)上升功能的車(chē)窗必須配備自動(dòng)防夾功能。即當車(chē)窗在自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車(chē)窗玻璃遇到障礙物,必須做出判斷后反轉,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(chē)窗的位置進(jìn)行準確的計算和判斷。

如果車(chē)窗位置計算不準確會(huì )有以下后果

1 比如車(chē)窗在上升過(guò)程中在防夾區域內,如果車(chē)窗位置計算不準確,系統判斷為防夾區域外。車(chē)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,導致把人夾傷。

2 車(chē)窗自動(dòng)上升過(guò)程中,如果車(chē)窗位置計算不準確,車(chē)窗就會(huì )到頂部位置認為在防夾區域內,遇堵后反轉。導致車(chē)窗不能關(guān)滿(mǎn)。

3車(chē)窗在上升過(guò)程中,由于存在車(chē)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(chē)窗位置也是相當重要的。

由以上三點(diǎn)分析可知,車(chē)窗位置判斷的準確在防夾功能中,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(chē)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(chē)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(chē)窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以間接算出車(chē)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)生脈沖信號。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(chē)窗運行過(guò)程中的脈沖個(gè)數,通過(guò)學(xué)習,將車(chē)窗的上密封條記為位置0,而下密封條為大位置。在車(chē)窗上升過(guò)程中將位置計數器減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,可按照要求確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間接判斷玻璃的位置。

脈沖計數方式的關(guān)鍵問(wèn)題在于位置記錄要精確,但在試驗中卻存在電機切斷電源后依舊會(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(chē)窗位置影響隨情況的不同而不。在車(chē)窗上下兩端堵轉時(shí),這些脈沖不太可能造成車(chē)窗位置的變化,而在中間位置停止時(shí)則有可能造成車(chē)窗位置移動(dòng),特別是下降途中人為停止時(shí)對車(chē)窗位置的影響更大。為了減小這種影響,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。如果當前為下降狀態(tài),則對電機斷電后產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行位置加法操作,如果當前為上升狀態(tài),則對電機斷電后產(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)圈通電后再磁極磁場(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(hù)的相對位置,結合時(shí)間就能得出電機的轉速。由于電機在啟動(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。只能通過(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。而這誤差隨著(zhù)車(chē)窗操作次數的增加,誤差也會(huì )跟著(zhù)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(chē)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(chē)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(chē)窗運動(dòng)的行程與電機的旋轉的圈數成線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)計算電機旋轉的圈數,可以間接算出車(chē)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號,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(chē)窗上升并遇到障礙物是,阻力變大,電機變大,電機轉速將減慢,對應脈沖的信號的脈寬將變大,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(chē)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,具有寬工作電壓范圍(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(chē)應用。此外該器件還具有拋負載、輸出短路和過(guò)流等內部保護功能。

此方案需要安裝磁環(huán)且每個(gè)車(chē)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(guān)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(chē)窗,能夠提高整車(chē)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)傳感器方案將成為未來(lái)電動(dòng)車(chē)窗夾的發(fā)展趨勢。

5基于紋波技術(shù)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,電刷在電極間切換產(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)采樣電阻將電機電流信號轉換為電壓信號,并通過(guò)運放對電壓信號進(jìn)行濾波和放大,放大后的信號一路經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信號給到MCU,作為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號,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。該設計主要分為以下幾個(gè)部分:

電流檢測放大

INA240-Q1是一個(gè)寬共模范圍,高精度,雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V80V的共模范圍,120dB的超大共模抑制比,能夠提供準確,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(guān)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號。

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

在電機啟動(dòng)時(shí),電機電流會(huì )出現非常大的初始尖峰,即浪涌電流。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,可以從信號中消除這種低速,高振幅電流尖峰,從而生成一個(gè)低噪聲的交流信號,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號通過(guò)比較器終產(chǎn)生一個(gè)0V3.3V的方波信號,其頻率等于電機電流紋波頻率。此方波信號終供給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封裝非常適合低電壓,低功耗、對空間要求嚴格的設計。綜上所述,本文介紹了兩種應用于電動(dòng)車(chē)窗防夾的方案——霍爾傳感器和紋波防夾技術(shù)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(yōu)勢。雖然霍爾方案以其成熟技術(shù)和高可靠性,占據著(zhù)目前市場(chǎng)上車(chē)窗防夾應用的主導地位,但是隨著(zhù)機械加工工藝和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,紋波技術(shù)市場(chǎng)份額的增加趨勢將越發(fā)明顯。

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