基于全橋馬達驅動(dòng)的電動(dòng)車(chē)窗防夾設計

近幾年來(lái)，汽車(chē)電子市場(chǎng)的增長(cháng)非常顯著(zhù)，這主要歸功于一些新的應用，如增強整車(chē)性能、安全性和舒適性等。為此，就必須在汽車(chē)的不同位置安裝大量的電子模塊，以及電子線(xiàn)束。

基于節省空間和減少重量的原則，汽車(chē)的電氣系統架構正在從單一電子控制模組和集中控制系統轉向分散控制技術(shù)。另外，裝配成本的降低和整車(chē)系統可靠性的提高，需要將以前使用的機電操作功能轉移到電子模組里，其結果是產(chǎn)生了一系列有關(guān)分散電子模組的標準，其中包括越來(lái)越多的基于標準的汽車(chē)協(xié)議（如LIN和CAN）及其特性（如自主安全操作、診斷、保護和通信能力）。

1、窗戶(hù)升降器原理

目前，很多自動(dòng)控制裝置都具有觸發(fā)關(guān)閉系統的功能，如窗戶(hù)和車(chē)門(mén)。這也同時(shí)暗示著(zhù)發(fā)生意外事故的危險，如人身體或動(dòng)物的某一部分被這些自動(dòng)裝置夾住和壓住。一個(gè)具體實(shí)例就是汽車(chē)的自動(dòng)窗戶(hù)升降器。由于窗戶(hù)玻璃施加于障礙物上的力量足夠大，因此足以壓碎人體的某一部份器官。

按照相關(guān)安全規范的建議，自動(dòng)窗戶(hù)升降裝置必須裝備所謂的“防夾傷”功能。該防夾傷功能是指∶

■在關(guān)閉窗戶(hù)的時(shí)候檢測障礙物的存在。

■限制施加于障礙物的力量的大小。

■向相反方向移動(dòng)窗戶(hù)，以釋放障礙物。

現有的解決方案不是機械式的，就是機電一體化的。在機械機構中，防夾檢測是通過(guò)固定于窗戶(hù)支柱上的環(huán)境感應片內的開(kāi)關(guān)進(jìn)行的。該開(kāi)關(guān)一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，在環(huán)境感應片上施加有壓力的時(shí)候開(kāi)啟。該方案很簡(jiǎn)單，但是感應片很貴，并且潛在的安裝和維護比較復雜。在某些情況，該方法無(wú)法滿(mǎn)足某些安全標準，舉例來(lái)說(shuō)，如果窗戶(hù)形狀呈現為銳角，力量就不是以直角方向施加于感應片表面(見(jiàn)圖1)，用以激勵開(kāi)關(guān)所必需的力量不是接觸不到感應片，就是比規范所要求的力量大很多。

有一種基于馬達速度監視的替代方案，通過(guò)傳感器(霍爾效應傳感器、編碼器等)完成有關(guān)功能。其防夾環(huán)境檢測是通過(guò)檢查馬達速度的變化實(shí)現的。馬達由繼電器控制，繼電器以整個(gè)電池為動(dòng)力啟動(dòng)馬達。當以最大力矩啟動(dòng)馬達時(shí)，施加于障礙物上的力在啟動(dòng)時(shí)可以達到最大值。本文使用VNH2SP30監視由于馬達負載變化所導致的功率變化。

圖1. 汽車(chē)窗戶(hù)原理圖

對窗戶(hù)升降系統的具體要求是在啟動(dòng)階段，檢測已經(jīng)存在的障礙狀態(tài)。事實(shí)再一次表明，在汽車(chē)窗戶(hù)升降器升起時(shí)，有幾種情況可能發(fā)生夾傷事故。兩種最常見(jiàn)的可能情形是∶

■窗戶(hù)玻璃的位置非?？拷皯?hù)支柱，而且阻塞物體正好位于玻璃和窗戶(hù)支柱之間。

■如果窗戶(hù)模胚的形狀為一個(gè)銳角，這樣大部份情況下都容易發(fā)生夾傷現象(見(jiàn)圖1)。

窗戶(hù)升降器的動(dòng)力來(lái)自一個(gè)直流馬達。它直接提供旋轉運動(dòng)，并通過(guò)與轉子和磁鼓的耦合來(lái)提供變速運動(dòng)。電樞電路和轉子外形如圖2所示。

圖2. 直流馬達

正常情況（軟啟動(dòng)）下，在開(kāi)始啟動(dòng)階段，馬達功率的增加與其角速度成正比，稍後就以一定常數增加。軟啟動(dòng)開(kāi)始期間的夾傷可能性比進(jìn)入穩定狀態(tài)的可能性大。因此，在具體實(shí)施時(shí)有必要定義兩個(gè)在不同時(shí)期運行的馬達功率閾值。如果檢測到的防夾狀況達到了夾傷閾值，窗戶(hù)玻璃就在下降的過(guò)程中停下來(lái)以免事故發(fā)生；如果是在上升過(guò)程中，它將會(huì )下降一個(gè)固定的長(cháng)度。

2、硬件實(shí)施

本系統的設計原理見(jiàn)圖3，具體實(shí)施方案見(jiàn)圖8。采用的元器件介紹如下:

■ ST72F324微控制器∶內部頻率為8MHz，32k字節HDFlash，1k字節RAM，10bit ADC。

■ L4979穩壓器∶用于軟件失效時(shí)微控制器中數據的自動(dòng)恢復，器件中還嵌入了一個(gè)可編程看門(mén)狗定時(shí)器。

■ 用于PC串行端口的ST232通信接口。

■ VNH2SP30全橋馬達驅動(dòng)器，適合各種汽車(chē)電子應用。

圖3窗戶(hù)升降器原理圖

其中，穩壓器啟用（Voltage Regulator Enable）連接器（圖4中的第5項）上安裝一個(gè)跳線(xiàn)，以便啟用穩壓器，提供系統所需的5V電壓。

上升按鈕(Up key，圖4中的第8項)和下降按鈕（Down key，圖4中的第7項)管腳配置為輸入上拉模式，使其通常處于高電平(5V)；如果按下UP或DOWN按鈕，將顯示兩種不同情況:

■ Short Touch: 如果按下按鈕的時(shí)間少于100ms，窗戶(hù)玻璃將一直上升或下降（取決于按下的按鈕屬性），直到窗戶(hù)的上邊沿或下邊沿接觸到位為止。

■ Long Touch∶如果按鈕按下的時(shí)間超過(guò)100ms，窗戶(hù)將按照具體接觸狀況上升或下降，具體依賴(lài)于按鈕的屬性。

Window Up switch管腳(圖4中的第6項)也配置為輸入上拉模式，且必須連接到一個(gè)用來(lái)指示窗戶(hù)運行結束的機械開(kāi)關(guān)，以便了解是否接觸到了門(mén)窗的上方極限位置。

微控制器可以通過(guò)ICP連接器(圖4中的第4項)進(jìn)行重新編程。PC7連接器（見(jiàn)圖4中的第9項）上的跳線(xiàn)通過(guò)一個(gè)具有固定占空比（50%）和頻率（20kHz）的PWM信號驅動(dòng)VNH2SP30，此時(shí)沒(méi)有防夾傷功能。在驅動(dòng)有防夾傷功能的窗戶(hù)升降器時(shí)，必須斷開(kāi)PC7跳線(xiàn)。具有防夾傷功能情況下的操作流程如圖5所示。

在打開(kāi)電源或重啟後，微控制器對所有使用過(guò)的外設 (輸入/輸出、定時(shí)器、ADC和SCI)進(jìn)行初初始化，并啟動(dòng)一個(gè)只能執行停止重新設定或關(guān)掉線(xiàn)路等指令的無(wú)限環(huán)路（infinite loop）。

重設防夾標志符，微控制器將輪詢(xún)訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)key管腳。在這一階段，微處理器工作于SLOWMODE模式，以降低功耗。

圖4. PCB布局

圖5. 防夾傷功能流程圖

一旦按下按鈕，選擇的將是常規操作模式，并設置或重置VNH2SP30的INA和INB管腳，具體取?于被按按鈕是上升鍵或下降鍵，Timer B Out Compare管腳用來(lái)為VNH2SP30提供一個(gè)頻率為20kHz、占空比為30%的PWM信號，而Timer A Output Compare管腳用來(lái)隨機應變地執行任務(wù)，執行時(shí)間為1ms。在1ms的任務(wù)執行期間，通過(guò)ST7 ADC采集電流感應，平均采集時(shí)間為10ms。

要知道是否會(huì )發(fā)生夾傷，必須將功率和平均功率與相應閾值進(jìn)行比較。所考慮閾值的大小取決于上升啟動(dòng)階段是否已經(jīng)完成，或者軟啟動(dòng)依然在進(jìn)行中。除非按下了某一按鍵或發(fā)生了夾傷現象，占空比均以線(xiàn)性增加到100%為止，而PWM則變成一個(gè)常數(圖6)。

在這一點(diǎn)系統等待下一事件∶按下某一按鈕或夾傷現象發(fā)生。如果按下了某一按鈕，馬達將停止運行——重置VNH2SP30的PWM管腳，并設定INA和INB使馬達立即?住，使車(chē)窗玻璃停止。萬(wàn)一發(fā)生夾傷現象，首先應該檢查Window Up開(kāi)關(guān)。

如果玻璃到達了窗戶(hù)上方極限，將驅動(dòng)馬達運行800ms，將窗戶(hù)玻璃鎖定。否則，如果玻璃處于上行過(guò)程中，馬達將下行800ms，以釋放被夾物體；如果玻璃處于下行過(guò)程中，馬達就停止運行。

圖6. VNH2SP30的PWM信號

3、PC接口

在接通線(xiàn)路板電源後，VNH2SP30按照有關(guān)參數的默認值（PWM、軟啟動(dòng)持續時(shí)間、兩個(gè)閾值，或固定PWM頻率和占空比）進(jìn)行編程。借助串行端口，使用PC接口與VNH2SP30之間交換數據，可對上述參數進(jìn)行修改或采集數據。使用PC接口時(shí)，必須保證馬達已經(jīng)停止。

從圖7可以看出程序掩碼，使用掩碼上方的滑塊可進(jìn)行如下改動(dòng)∶

■PWM頻率∶可能值為5、10、15或20kHz，默認值為20kHz。降低頻率可以聽(tīng)到某些噪聲，具體取?于所使用的馬達。

■軟啟動(dòng)持續時(shí)間∶大概范圍為800ms至2.5s之間，默認值為800ms 。

■閾值1∶在軟啟動(dòng)期間使用，具體取?于車(chē)窗特徵，默認值為55。增加該閾值，就增加了啟動(dòng)防夾措施之前施加于障礙物上的力量。

■閾值2∶用于軟啟動(dòng)開(kāi)始之後。默認值為20。同上相同，如果增加該閾值，就增加了啟動(dòng)防夾措施之前施加于障礙物上的力量。

如果安裝PC7跳線(xiàn)，微控制器就產(chǎn)生一個(gè)具有固定頻率和固定占空比的PWM信號，其中，頻率和占空比的大小可以通過(guò)調整圖7所示的掩碼中部的數據框中的數字實(shí)現。

在設定好所有數值後按“Send”按鈕，這樣在下一次驅動(dòng)汽車(chē)窗戶(hù)時(shí)就可以使用這些新的數據了。

也可以每毫秒采集一些信號:

■瞬時(shí)電流∶它是從VNH2SP30的CS管腳讀取的電流，平均持續時(shí)間約10ms，僅僅用來(lái)忽略噪聲。

■完整電流∶它也是從VNH2SP30的CS管腳讀取的電流，但是平均持續時(shí)間約100ms。它與瞬時(shí)電流波形相似，只是有延遲。

■差分電流∶它是上述兩個(gè)電流的差值，且是根據閾值進(jìn)行比較的結果。

在選擇了上述任一選項之後，按“Send”按鈕，這同時(shí)也改變了PWM頻率和軟啟動(dòng)等。

信號采集只有按下線(xiàn)路板上的“UP”和“DOWN”鍵之後才能開(kāi)始，在按下軟件上的“Acquis.Stop”按鈕之後才停止。一旦停止信號采集，將在安裝軟件的目錄下生成一個(gè)“.csv”文件。所生成的每個(gè)文件由兩欄組成∶第一個(gè)帶有時(shí)間(ms)信息，第二個(gè)是信號的數值。

圖7. PC軟件

圖8 基于VNH2SP30的汽車(chē)窗戶(hù)防夾傷實(shí)施方案