汽車電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王正勤 （安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系，安徽 蕪湖241002）

周定華 （奇瑞汽車有限公司，安徽 蕪湖241002）

隨著汽車走入普通家庭，成為生活出行常用工具，汽車電子設(shè)備的舒適性、安全性和個(gè)性化需求越來越受到購(gòu)車者的關(guān)注。其中車窗升降的控制模式是各種汽車產(chǎn)品的一個(gè)突出賣點(diǎn)。目前，汽車車窗升降的控制已經(jīng)由機(jī)械手搖控制被電動(dòng)控制所代替，從而提高了汽車的便捷性和可操控性，然而由于缺乏人性化的電動(dòng)式車窗升降控制，由此可能會(huì)對(duì)乘客（如兒童）造成傷害。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種汽車電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)?安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2014KYZ02）。。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由控制器、電機(jī)、柔性連接器、鋼纜滾筒、窗滑道和滑輪等組成（見圖1）。

車窗電動(dòng)升降電機(jī)工作時(shí)，通過獲取感應(yīng)線圈上的電壓變化信號(hào)并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)來準(zhǔn)確判斷電機(jī)工作狀態(tài)，如堵轉(zhuǎn)、正常上升、下降等工況，將上述工況下的電機(jī)線圈上的電壓變化處理成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并由控制器根據(jù)防夾工況需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，最終實(shí)現(xiàn)汽車車窗防夾功能［1］。

圖1 電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)主要由控制模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、防夾測(cè)控模塊等部分構(gòu)成。

2.1 控制模塊

電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)使用μc68HC908AB32系列微處理器，其內(nèi)部具有EEPROM、看門狗電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、輸入／出、低壓中斷電路CAN／LIN總線控制器等模塊，通過設(shè)置處理器中的LIN通信電路實(shí)現(xiàn)了車身與其他門模塊的通信?？刂颇K由復(fù)位電路、晶振電路、電源電路，升降系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵檢測(cè)電路、紋波信號(hào)檢測(cè)電路、LIN通信電路、按鍵檢測(cè)電路、紋波信號(hào)檢測(cè)電路、8個(gè)通道升降開關(guān)輸入、門開關(guān)狀態(tài)輸入、電源管理模塊、診斷接口、報(bào)警接口和電流放大電路等組成（見圖2）。

2.2 電源模塊

汽車內(nèi)部使用5、12V2種電源，以便為各種電子設(shè)備儀器供電，但由于輸出不穩(wěn)定，影響供電效果，因而在實(shí)際使用中需按額定供電輸出，為此在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)要將其輸出的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理。具體來說，可以在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)采用穩(wěn)壓電源電路芯片LM2576（見圖3）。電路穩(wěn)壓電源芯片LM2576停止輸出時(shí)，電路中的電感L1會(huì)立刻放電，其放電過程能夠?yàn)檎麄€(gè)電路供電，此時(shí)由于穩(wěn)壓二極管1N4001是回路中的一部分，而且可以承受很大電流，所以穩(wěn)壓二極管1N4001可以起到反向保護(hù)的作用。電容C6和C7為電解電容，其作用是濾除高低頻干擾。總體而言，該電源模塊可以有效抵抗來自自身及外界的干擾，使輸出的電壓穩(wěn)定有效。

圖2 控制模塊框圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)合理有效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其目的是調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)程序的啟動(dòng)頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與一般電動(dòng)機(jī)的工作方式有異，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用脈沖控制方式工作，只有按照一定規(guī)律對(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外采用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為3相、4相、5相和6相等，工作方式有單n拍、雙n拍、3n拍等。研究表明，電動(dòng)機(jī)的相數(shù)越多，其工作方式就越多［2］。為此，采用3相6拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制模式（見表1）。

圖3 電源模塊電路圖

電動(dòng)車窗電機(jī)一般為工作電流不大于15A、堵轉(zhuǎn)電流不大于28A的永磁直流電機(jī)，其供電電源電壓一般采用11～15V。由于使用該類電動(dòng)機(jī)常常需要滿足控制沖擊電流正反相的要求，因而在設(shè)計(jì)中對(duì)車窗電動(dòng)機(jī)功率要求較大。為此，車窗電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用MC33486智能功率芯片，該芯片的功能主要是采集電機(jī)電流信號(hào)并傳送至微控制器，利用微控制器芯片中自帶的A／D轉(zhuǎn)換器將電機(jī)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過數(shù)字信號(hào)達(dá)到雙向控制車窗電動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)車窗防夾的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖4所示。

表1 3相6拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制模式

2.4 防夾測(cè)控模塊

防夾測(cè)控模塊基于LIN總線系統(tǒng)，即4個(gè)車門控制器在一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作，其中駕駛員所在的車門是主控制結(jié)點(diǎn)，其余車門是從結(jié)點(diǎn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)主控節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)車門的分布式測(cè)控。為此選用Motorola公司8位汽車級(jí)通用芯片，該芯片可以直接通過汽車電池供電。此外，該芯片還集成了LIN物理層芯片以應(yīng)用于防夾電動(dòng)車窗升降系統(tǒng)［3］。防夾測(cè)控模塊示意圖如圖5所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

3 電機(jī)電流紋波特性分析

電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生電流紋波特性對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)影響較大。如果電流紋波變化的上升沿和下降沿過于突變，諧波也不穩(wěn)定，這樣的電機(jī)紋波很難通過對(duì)其提取和數(shù)字化，難以用于判斷電機(jī)工作狀況，如上升或下降、堵轉(zhuǎn)等狀態(tài)，因而在設(shè)計(jì)時(shí)要避免選擇產(chǎn)生不穩(wěn)定電流諧波的電機(jī)。而產(chǎn)生穩(wěn)定電流諧波的電機(jī)工作時(shí)，電流紋波變化的上升沿和下降沿具有明顯區(qū)別，易于數(shù)字化處理和判斷電機(jī)工作狀況，如上升或下降、堵轉(zhuǎn)等狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇產(chǎn)生穩(wěn)定電流諧波的電機(jī)。

圖5 防夾測(cè)控模塊示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)車窗升降時(shí)因誤觸發(fā)造成的安全隱患，對(duì)汽車電動(dòng)車窗防夾技術(shù)進(jìn)行了研究，通過檢測(cè)系統(tǒng)電機(jī)電流波形變化結(jié)合防夾測(cè)控模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防夾功能。該技術(shù)方案在不改動(dòng)傳統(tǒng)車門生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)便于企業(yè)的生產(chǎn)改造與技術(shù)推廣。今后，對(duì)汽車電動(dòng)車窗防夾力的精確控制以及對(duì)異常脈沖的分析和去除誤操作的診斷，還需要進(jìn)一步研究并加以完善。

［1］ 馬偉澤，張申科，汪宏杰 .采用霍爾傳感器的汽車電動(dòng)車窗防夾設(shè)計(jì) ［J］.汽車工程，2008，30（12）：1122－1124.

［2］ 劉曉明，邵亞輝，吳浩威，等 .無傳感器汽車車窗防夾設(shè)計(jì) ［J］.微電機(jī)，2007（4）：48－50.

［3］ 王旭芳，鄭太雄，程安宇，等 .基于CAN／LIN總線的車門控制系統(tǒng)開發(fā) ［J］.汽車技術(shù)，2008（1）：42－46.