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基于霍尔传感器和电流纹波技术在电动车车窗防夹中的应用
发布时间:
2021-12-03
温州搏技科技有限公司 随着汽车工业的发展，人们追求更加舒适和便于操作的驾驶环境，因此，越来越多的汽车上安装了电动车窗，从而实现车窗的自动升降。然而，由于电动车窗的上升速度较快，很容易引发夹上乘客等事故，尤其是对儿童形成了安全隐患。这对于汽车的安全向提出了新标准，要求电动车窗具有一定的防夹功能。以前汽车普遍采用手摇曲柄的方式使车窗玻璃上升或下降，现今轿车很多都安装了电动车窗。而具有防夹功能的电动窗应用于汽车始于20世纪90年代，当玻璃上升途中遇到人力障碍时会自动识别而反向运行，防止乘员夹伤，实现防夹功能。由于该功能的重要性，在欧美新车型上都已成为标准配置，目前国内新推出的高端车型已成为标准配置。由于低成本方案的推出，经济型轿车也开始逐渐配备应用这一功能。而车窗位置判断准确是车窗的防夹功能的正常实现的前提。 1、准确判断电动窗位置的重要性 法规规定，具有自动上升功能的车窗必须配备自动防夹功能。即当车窗在自动上升过程中，如果车窗玻璃遇到障碍物，必须做出判断后反转，并且防夹力要小于100 N。而法规规定的防夹区域是4 mm~200 mm(如图1)。这就要求系统对车窗的位置进行准确的计算和判断。 如果车窗位置计算不准确会有以下后果： （1） 比如车窗在上升过程中在防夹区域内，如果车窗位置计算不准确，系统判断为防夹区域外。车窗可能遇到障碍物，但是不做防夹反转。而是继续上升玻璃。障碍物如果是人，导致把人夹伤。 （2） 车窗自动上升过程中，如果车窗位置计算不准确，车窗就会到顶部位置认为在防夹区域内，遇堵后反转。导致车窗不能关满。 （3）车窗在上升过程中，由于存在车窗重量和窗框阻力等因素，在每个位置上的阻力大小是不一样的。因此判断车窗位置也是相当重要的。 由以上三点分析可知，车窗位置判断的准确在防夹功能中，既有非常重要的意义。 2、电动窗位置判断的原理 从机械的角度讲，电动车窗砸升降时，电机旋转会带动钢丝绳的运动，从而带动车窗的上下开闭。电机每旋转一定的角度，钢丝绳就相应地运动一定行程，因此车窗运动的行程与电机的旋转的圈数成线性关系。通过计算电机旋转的圈数，可以间接算出车窗的位置。 2.1霍尔原理 电机的旋转会使得霍尔传感器产生脉冲信号。玻璃位置的检测是通过对控制模块中的霍尔传感器发出的方波进行计数来实现。软件设计中通过单片机芯片的输入捕捉功能记录车窗运行过程中的脉冲个数，通过学习，将车窗的上密封条记为位置0，而下密封条为大位置。在车窗上升过程中将位置计数器减1，上升到顶时位置计数器清0，下降时位置计数器加l。因此，可按照要求确定防夹区界限对应的位置计数器的值。通过对位置计数器的值的检测可以间接判断玻璃的位置。 脉冲计数方式的关键问题在于位置记录要精确，但在试验中却存在电机切断电源后依旧会发出几个脉冲的问题，这几个脉冲由惯性造成，而且不同的玻璃升降器产生的脉冲个数不同。这些脉冲对车窗位置影响随情况的不同而不。在车窗上下两端堵转时，这些脉冲不太可能造成车窗位置的变化，而在中间位置停止时则有可能造成车窗位置移动，特别是下降途中人为停止时对车窗位置的影响更大。为了减小这种影响，与电机通电运动时位置计数一样，在算法中捕捉这些脉冲。如果当前为下降状态，则对电机断电后产生的脉冲进行位置加法操作，如果当前为上升状态，则对电机断电后产生的脉冲进行位置减法操作。 2.2纹波原理 电机有磁极、转子线圈、换向器组成。根据右手定律转子线圈通电后再磁极磁场的作用下产生运动。运动到磁场边缘是磁场变弱，电动势减小，电流增大。换向器改变转子线圈的电流方向，重新进入磁场电动势增大，电流减小。转子线圈不断转动、电动势和电流不断变化，从而纹波不断产生。所以纹波是电机的固有特性，通过计算纹波的个数就能计算出转子换向的次数，就能计算出窗户的相对位置，结合时间就能得出电机的转速。由于电机在启动，停止，反转，堵转时的纹波特征不明显。如图5和图6，不能精准的计数纹波个数。只能通过算法进行补偿。这样纹波计数必然和实际的必然存在误差。而这误差随着车窗操作次数的增加，误差也会跟着累积。 3、电动窗位置判断的原理 从机械的角度讲，电动车窗砸升降时，电机旋转会带动钢丝绳的运动，从而带动车窗的上下开闭。电机每旋转一定的角度，钢丝绳就相应地运动一定行程，因此车窗运动的行程与电机的旋转的圈数成线性关系。通过计算电机旋转的圈数，可以间接算出车窗的位置。 4、霍尔传感器的方案 此方案在电机轴上安装磁环，在磁环附近安装霍尔传感器，当电机转动时带动磁环转动，在霍尔传感器上感应出高低电平的脉冲信号，脉冲的个数反映了电机的位置，脉冲的频率反映了电机的转速。 当电动车窗上升并遇到障碍物是，阻力变大，电机变大，电机转速将减慢，对应脉冲的信号的脉宽将变大，此时系统会向ECU模块报告信息，ECU向继电器或电机驱动芯片发出指令，使电机停转或者反转，从而令车窗停止或下降，实现防夹判断。 DRV5013-Q1是一款双极性霍尔效应传感器，具有宽工作电压范围（2.7至38V）和高达-22V的反极性保护，使得该器件广泛用于各种汽车应用。此外该器件还具有抛负载、输出短路和过流等内部保护功能。 此方案需要安装磁环且每个车窗都需要各自的控制器，因此成本较高。 相比于霍尔传感器的方案，机遇纹波计数的无传感器方案可以节省磁环、霍尔传感器及相关线束的成本。此外，此方案可以用单控器同时控制多个车窗，能够提高整车的集成度，进一步降低控制器的成本。因此，基于波纹计数无传感器方案将成为未来电动车窗夹的发展趋势。 5基于纹波技术的无传感应器方案 波纹计数的无传感应器方案是利用转子转动过程中，电刷在电极间切换产生电流纹波，并对这种电流波动进行采样、分析和控制。 此方案首先通过采样电阻将电机电流信号转换为电压信号，并通过运放对电压信号进行滤波和放大，放大后的信号一路经过AD转换成数字信号给到MCU，作为防夹及堵转的判断依据，另一路通过滤波器和比较器得到方波信号，此方波的频率和电机的转速成正比。通过方波的个数和频率可以判断电机的位置和转速。 参考设计TIDA-01421提供了一种无传感器的纹波防夹方案。该设计主要分为以下几个部分： 电流检测放大 INA240-Q1是一个宽共模范围，高精度，双向电流检测放大器。该器件具有–4V至80V的共模范围，120dB的超大共模抑制比，能够提供准确，低噪声的测量结果。 应用中可以在INA240-Q1的输入端使用一个简单的RC输入滤波器，以减少高频电机电刷产生的噪声和潜在的PWM开关噪声。 带通滤波器 电流检测放大器的输出通过有源带通滤波器进行滤波，以消除额外的噪声和直流分量，从而得到电流纹波信号。
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随着汽车工业的发展，人们追求更加舒适和便于操作的驾驶环境，因此，越来越多的汽车上安装了电动车窗，从而实现车窗的自动升降。然而，由于电动车窗的上升速度较快，很容易引发夹上乘客等事故，尤其是对儿童形成了安全隐患。这对于汽车的安全向提出了新标准，要求电动车窗具有一定的防夹功能。以前汽车普遍采用手摇曲柄的方式使车窗玻璃上升或下降，现今轿车很多都安装了电动车窗。而具有防夹功能的电动窗应用于汽车始于20世纪90年代，当玻璃上升途中遇到人力障碍时会自动识别而反向运行，防止乘员夹伤，实现防夹功能。由于该功能的重要性，在欧美新车型上都已成为标准配置，目前国内新推出的高端车型已成为标准配置。由于低成本方案的推出，经济型轿车也开始逐渐配备应用这一功能。而车窗位置判断准确是车窗的防夹功能的正常实现的前提。
1、准确判断电动窗位置的重要性
法规规定，具有自动上升功能的车窗必须配备自动防夹功能。即当车窗在自动上升过程中，如果车窗玻璃遇到障碍物，必须做出判断后反转，并且防夹力要小于100 N。而法规规定的防夹区域是4 mm~200 mm(如图1)。这就要求系统对车窗的位置进行准确的计算和判断。
如果车窗位置计算不准确会有以下后果：
（1） 比如车窗在上升过程中在防夹区域内，如果车窗位置计算不准确，系统判断为防夹区域外。车窗可能遇到障碍物，但是不做防夹反转。而是继续上升玻璃。障碍物如果是人，导致把人夹伤。
（2） 车窗自动上升过程中，如果车窗位置计算不准确，车窗就会到顶部位置认为在防夹区域内，遇堵后反转。导致车窗不能关满。
（3）车窗在上升过程中，由于存在车窗重量和窗框阻力等因素，在每个位置上的阻力大小是不一样的。因此判断车窗位置也是相当重要的。
由以上三点分析可知，车窗位置判断的准确在防夹功能中，既有非常重要的意义。
2、电动窗位置判断的原理
从机械的角度讲，电动车窗砸升降时，电机旋转会带动钢丝绳的运动，从而带动车窗的上下开闭。电机每旋转一定的角度，钢丝绳就相应地运动一定行程，因此车窗运动的行程与电机的旋转的圈数成线性关系。通过计算电机旋转的圈数，可以间接算出车窗的位置。
2.1霍尔原理
电机的旋转会使得霍尔传感器产生脉冲信号。玻璃位置的检测是通过对控制模块中的霍尔传感器发出的方波进行计数来实现。软件设计中通过单片机芯片的输入捕捉功能记录车窗运行过程中的脉冲个数，通过学习，将车窗的上密封条记为位置0，而下密封条为大位置。在车窗上升过程中将位置计数器减1，上升到顶时位置计数器清0，下降时位置计数器加l。因此，可按照要求确定防夹区界限对应的位置计数器的值。通过对位置计数器的值的检测可以间接判断玻璃的位置。
脉冲计数方式的关键问题在于位置记录要精确，但在试验中却存在电机切断电源后依旧会发出几个脉冲的问题，这几个脉冲由惯性造成，而且不同的玻璃升降器产生的脉冲个数不同。这些脉冲对车窗位置影响随情况的不同而不。在车窗上下两端堵转时，这些脉冲不太可能造成车窗位置的变化，而在中间位置停止时则有可能造成车窗位置移动，特别是下降途中人为停止时对车窗位置的影响更大。为了减小这种影响，与电机通电运动时位置计数一样，在算法中捕捉这些脉冲。如果当前为下降状态，则对电机断电后产生的脉冲进行位置加法操作，如果当前为上升状态，则对电机断电后产生的脉冲进行位置减法操作。
2.2纹波原理
电机有磁极、转子线圈、换向器组成。根据右手定律转子线圈通电后再磁极磁场的作用下产生运动。运动到磁场边缘是磁场变弱，电动势减小，电流增大。换向器改变转子线圈的电流方向，重新进入磁场电动势增大，电流减小。转子线圈不断转动、电动势和电流不断变化，从而纹波不断产生。所以纹波是电机的固有特性，通过计算纹波的个数就能计算出转子换向的次数，就能计算出窗户的相对位置，结合时间就能得出电机的转速。
由于电机在启动，停止，反转，堵转时的纹波特征不明显。如图5和图6，不能精准的计数纹波个数。只能通过算法进行补偿。这样纹波计数必然和实际的必然存在误差。而这误差随着车窗操作次数的增加，误差也会跟着累积。
3、电动窗位置判断的原理
从机械的角度讲，电动车窗砸升降时，电机旋转会带动钢丝绳的运动，从而带动车窗的上下开闭。电机每旋转一定的角度，钢丝绳就相应地运动一定行程，因此车窗运动的行程与电机的旋转的圈数成线性关系。通过计算电机旋转的圈数，可以间接算出车窗的位置。
4、霍尔传感器的方案
此方案在电机轴上安装磁环，在磁环附近安装霍尔传感器，当电机转动时带动磁环转动，在霍尔传感器上感应出高低电平的脉冲信号，脉冲的个数反映了电机的位置，脉冲的频率反映了电机的转速。
当电动车窗上升并遇到障碍物是，阻力变大，电机变大，电机转速将减慢，对应脉冲的信号的脉宽将变大，此时系统会向ECU模块报告信息，ECU向继电器或电机驱动芯片发出指令，使电机停转或者反转，从而令车窗停止或下降，实现防夹判断。
DRV5013-Q1是一款双极性霍尔效应传感器，具有宽工作电压范围（2.7至38V）和高达-22V的反极性保护，使得该器件广泛用于各种汽车应用。此外该器件还具有抛负载、输出短路和过流等内部保护功能。
此方案需要安装磁环且每个车窗都需要各自的控制器，因此成本较高。
相比于霍尔传感器的方案，机遇纹波计数的无传感器方案可以节省磁环、霍尔传感器及相关线束的成本。此外，此方案可以用单控器同时控制多个车窗，能够提高整车的集成度，进一步降低控制器的成本。因此，基于波纹计数无传感器方案将成为未来电动车窗夹的发展趋势。
5基于纹波技术的无传感应器方案
波纹计数的无传感应器方案是利用转子转动过程中，电刷在电极间切换产生电流纹波，并对这种电流波动进行采样、分析和控制。
此方案首先通过采样电阻将电机电流信号转换为电压信号，并通过运放对电压信号进行滤波和放大，放大后的信号一路经过AD转换成数字信号给到MCU，作为防夹及堵转的判断依据，另一路通过滤波器和比较器得到方波信号，此方波的频率和电机的转速成正比。通过方波的个数和频率可以判断电机的位置和转速。
参考设计TIDA-01421提供了一种无传感器的纹波防夹方案。该设计主要分为以下几个部分：
电流检测放大
INA240-Q1是一个宽共模范围，高精度，双向电流检测放大器。该器件具有–4V至80V的共模范围，120dB的超大共模抑制比，能够提供准确，低噪声的测量结果。
应用中可以在INA240-Q1的输入端使用一个简单的RC输入滤波器，以减少高频电机电刷产生的噪声和潜在的PWM开关噪声。
带通滤波器
电流检测放大器的输出通过有源带通滤波器进行滤波，以消除额外的噪声和直流分量，从而得到电流纹波信号。
TLV2316-Q1是一款双通道，低压，轨至轨通用运算放大器。该器件具有单位增益稳定的集成RFI 和EMI 抑制滤波器，在过驱条件下不会出现反相，并且具有高静电放电(ESD) 保护(4kV HBM)。
差分放大器
在电机启动时，电机电流会出现非常大的初始尖峰，即浪涌电流。该电流尖峰足够大且足够慢，以至于不能被高通电路滤除。通过差分放大器，可以从信号中消除这种低速，高振幅电流尖峰，从而生成一个低噪声的交流信号，供下一级比较器进行测量。
比较器
经由差分放大器输出的信号通过比较器终产生一个0V至3.3V的方波信号，其频率等于电机电流纹波频率。此方波信号终供给MCU用于计数。LMV7275-Q1是一款轨至轨输入低功耗比较器，并具有漏极开路输出。小型SC-70封装非常适合低电压，低功耗、对空间要求严格的设计。
综上所述，本文介绍了两种应用于电动车窗防夹的方案——霍尔传感器和纹波防夹技术的基本原理，比较了纹波方案相对于霍尔在实际应用中的优势。虽然霍尔方案以其成熟技术和高可靠性，占据着目前市场上车窗防夹应用的主导地位，但是随着机械加工工艺和电子技术的不断发展，纹波技术市场份额的增加趋势将越发明显。
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