車窗紋波防夾標(biāo)定簡介

姚高飛，江小朕，陳曉霞，馮修奇，林軍昌

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

早期的汽車普遍采用手搖曲柄的方式使車窗玻璃上升或下降，電動車窗的出現(xiàn)和運(yùn)用，一方面減輕了駕駛員和乘客的勞動強(qiáng)度，提升了操作方便性和舒適性；另一方面也由于電動車窗的上升速度較快，容易夾傷乘客。為保證乘員安全，中國GB11552—2009和北美 （FMVSS118）以及歐洲（74_60_EEC）都出臺了防夾法規(guī)，法規(guī)要求帶有自動上升功能的車窗在發(fā)生夾持時，能夠回退以解除夾持，并且要求最大夾持力不能超過100N。

1 車窗防夾原理簡述

圖1為防夾區(qū)域示意。當(dāng)前市面上的車窗防夾類型有霍爾防夾和紋波防夾之分?；魻柗缞A以其技術(shù)成熟、可靠性高，占據(jù)著車窗防夾應(yīng)用的主導(dǎo)地位。但是隨著制造工藝水平的提升、汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及整車成本的壓力，近年來，紋波防夾技術(shù)在市場上的份額也日益增多，其優(yōu)勢也越來越明顯。

圖1 防夾區(qū)域示意圖

1）霍爾防夾原理：霍爾防夾是利用在電機(jī)內(nèi)部植入的磁環(huán)和霍爾傳感器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的霍爾信號 （電機(jī)集成霍爾傳感器，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一組方波信號）并分析脈沖的速度和脈沖寬度來實現(xiàn)對車窗運(yùn)行速度、方向和位置的控制。如圖2所示。

圖2 霍爾防夾原理圖

2）紋波防夾原理：紋波防夾是通過提取電機(jī)本身在換向過程中產(chǎn)生的電流紋波來判斷和控制電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速和步進(jìn)。電機(jī)為普通電機(jī)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一組紋波信號 （一般8～10組，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的對數(shù)），紋波的個數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速和換向次數(shù)成正比。如圖3所示。

圖3 紋波防夾原理圖

相比霍爾防夾，紋波防夾方案只用到了電機(jī)的一般特性，不需要額外的霍爾元件、電機(jī)轉(zhuǎn)子上的磁環(huán)及連接線束，故整個方案的成本低于霍爾防夾。但對車門總成的精度要求比霍爾防夾高，檢測難度也大，故紋波防夾軟件的標(biāo)定工作就顯得至關(guān)重要。

圖4為眾泰某項目中所使用的電機(jī)在空轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的典型紋波信號。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)動紋波圖

2 車窗紋波防夾的標(biāo)定

電動車窗防夾的實現(xiàn)需要考慮兩個核心問題：車窗位置的精確判斷和夾物力的判斷。這就要求對車門系統(tǒng)進(jìn)行精密的防夾標(biāo)定并需要考慮整個生命周期內(nèi)車門系統(tǒng)的惡化所帶來的影響。防夾力標(biāo)定得過小，在顛簸路面、低溫環(huán)境以及車門系統(tǒng)老化后易出現(xiàn)誤防夾。防夾力標(biāo)定得過大，則容易夾傷人甚至不符合法規(guī)要求。本文重點(diǎn)介紹車窗紋波防夾的標(biāo)定原理及驗收方法。

車窗紋波防夾的標(biāo)定主要分以下幾個方面：電機(jī)和升降器紋波波形測試、電機(jī)熱保護(hù)標(biāo)定、車門靜態(tài)測試標(biāo)定、路試車動態(tài)測試標(biāo)定、車窗防夾耐久測試驗證、對下線車輛小批量抽檢波形，最終驗收。

2.1 電機(jī)、升降器紋波波形測試

對于整車來說，需要整個車門系統(tǒng)能在設(shè)計壽命內(nèi)提供一個穩(wěn)定、可靠的電機(jī)紋波信號。紋波的品質(zhì)主要由電機(jī)決定，其次是車門車窗相關(guān)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。車窗升降阻力的突變甚至車窗卡滯，都會使紋波品質(zhì)變差。所以需要對所使用的電機(jī)和升降器進(jìn)行紋波波形測試以確認(rèn)是否滿足要求。

2.1.1 紋波變化率測試

采用上位機(jī)錄取電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析在不同電壓和溫度下，紋波頻率的最大值、最小值、100ms內(nèi)紋波頻率和變化率。通常要求電機(jī)紋波頻率應(yīng)在100～1600Hz范圍內(nèi)。圖5為電機(jī)紋波波形圖。

圖5 電機(jī)紋波波形圖

2.1.2 紋波振幅測試

利用示波器捕捉采樣電阻兩端的電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的波形，利用光標(biāo)測試一個完整紋波的峰值，計算出相同的紋波振幅。一般要求電機(jī)在無負(fù)載情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，紋波電流幅值＞0.5A。

2.1.3 紋波畸變測試

利用示波器捕捉采樣電阻兩端的電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的波形，以2.5Hz的采樣標(biāo)準(zhǔn)，分析時間不小于100ms，利用FFT（快速傅立葉變換）分析紋波畸變的dB值，如果把頻率振幅的主諧波認(rèn)為是0dB，則其它諧波的振幅必須≤-6dB。如圖6所示。

圖6 諧波的振幅要求

2.1.4 紋波建立時間測試

將電動車窗上電連續(xù)工作運(yùn)行10個升降循環(huán)后，利用示波器捕捉采樣電阻兩端電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的波形，分析電機(jī)紋波信號建立的時間。通常要求車窗啟動工作后，電機(jī)紋波建立的時間應(yīng)小于20ms。圖7為紋波信號建立時間測試。

圖7 紋波信號建立時間測試

2.1.5 紋波的一致性測試

在電機(jī)運(yùn)行過程中，還必須保證電機(jī)紋波的一致性和穩(wěn)定性。圖8為標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)紋波波形。

2.2 電機(jī)熱保護(hù)標(biāo)定

車窗電機(jī)熱保護(hù)是指車窗電機(jī)在長時間運(yùn)動下，產(chǎn)生熱量沒有被及時散出，從而影響電機(jī)工作甚至燒毀。為避免此情況出現(xiàn)，車窗運(yùn)行過程中，需要進(jìn)行電機(jī)熱量的檢測，當(dāng)檢測到熱量達(dá)到一定限值時，停止電機(jī)短時間輸出，待熱量散失到可控范圍內(nèi)允許電機(jī)輸出。通過熱保護(hù)功能來降低車窗電機(jī)故障率和提高使用壽命。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)紋波波形

熱保護(hù)有硬件熱保護(hù)和軟件熱保護(hù)之分。硬件熱保護(hù)是在電機(jī)的內(nèi)部集成了保護(hù)器，一旦溫度達(dá)到開啟保護(hù)的閥值時，則電機(jī)就會停止動作進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。如果此時車窗觸發(fā)了防夾，則整個車窗也無法進(jìn)入防夾反轉(zhuǎn)，所以存在安全隱患。軟件熱保護(hù)是在防夾控制器內(nèi)部集成了熱保護(hù)算法，一旦防夾控制器檢測到滿足進(jìn)入保護(hù)的條件時，就會進(jìn)入軟件熱保護(hù)狀態(tài)，停止車窗工作保護(hù)電機(jī)不被燒毀。在進(jìn)入軟件熱保護(hù)狀態(tài)時，如果車窗觸發(fā)了防夾，則仍然允許進(jìn)行防夾反轉(zhuǎn)，以保護(hù)不會發(fā)生夾傷安全事故。

由于采用軟件熱保護(hù)后，電機(jī)內(nèi)部將不帶硬件熱保護(hù)器，故在進(jìn)行軟件熱保護(hù)標(biāo)定時需要使用帶硬件熱保護(hù)的電機(jī)，用于參考標(biāo)定熱保護(hù)限值。

2.2.1 熱保護(hù)算法

車窗長時間連續(xù)輸出時，電機(jī)會產(chǎn)生大量熱量，為避免電機(jī)過熱燒毀，由防夾控制器執(zhí)行軟件熱保護(hù)功能。如下為一種比較常用的熱保護(hù)策略。

物理過程為：車窗動作輸出時熱量累加，不輸出時熱量散失。軟件算法主要為：車窗電機(jī)總輸出時間內(nèi)積累的熱量，當(dāng)電機(jī)輸出時，時間數(shù)累加；不輸出時，時間數(shù)遞減，累加和遞減的規(guī)律相似于實際電機(jī)熱量積累和散熱的規(guī)律。

2.2.1.1 正常模式

電機(jī)每輸出一定時間如100ms時，熱量值自加1，每停止輸出一段時間如300ms時，熱量值自減1；當(dāng)時間計數(shù)值大于500進(jìn)入熱保護(hù) （具體數(shù)據(jù)需視標(biāo)定情況而定）。圖9為典型熱量變化趨勢圖。

圖9 典型熱量變化趨勢圖

2.2.1.2 熱保護(hù)模式

當(dāng)車窗進(jìn)入軟件熱保護(hù)模式時，防夾控制器會禁用某些功能，比如屏蔽車窗升降開關(guān)輸入信號、允許當(dāng)前正在執(zhí)行的自動升／降窗動作完成、允許防夾反轉(zhuǎn)等。

在熱保護(hù)模式下仍會進(jìn)行熱量的計算，當(dāng)熱量達(dá)到一定閥值時，將退出熱保護(hù)模式。圖10為熱保護(hù)狀態(tài)圖。

圖10 熱保護(hù)狀態(tài)圖

2.2.1.3 熱量累積和耗散時間比的確定

電機(jī)熱保護(hù)的標(biāo)定需要根據(jù)熱量累積和耗散的時間比例（1:X）的關(guān)系進(jìn)行循環(huán)測試，測試熱量累積和耗散的時間比例是否合理。

2.2.1.4 熱保護(hù)時間計數(shù)值的確定測試

根據(jù)熱量累積和耗散的時間比例關(guān)系進(jìn)行循環(huán)測試，在50℃的測試環(huán)境中循環(huán)測試一定數(shù)量，比如700次，獲取最大溫升的情況后 （測試環(huán)境最為惡劣），讓電機(jī)持續(xù)工作，觀察電機(jī)多長時間進(jìn)入熱保護(hù)，該時間值作為熱保護(hù)時間計數(shù)值。

2.2.1.5 熱保護(hù)策略參數(shù)的取消

分別在低溫、常溫和高溫環(huán)境下連續(xù)測試一定的循環(huán)數(shù)，如700次，再讓車窗持續(xù)工作N秒，觀察電機(jī)是否進(jìn)入熱保護(hù)，以及熱保護(hù)取消后，電機(jī)動作是否正常。

2.3 車門靜態(tài)測試標(biāo)定

對車門狀態(tài)確認(rèn)完畢后，需要對防夾力、防夾反轉(zhuǎn)距離、防夾區(qū)域進(jìn)行測試標(biāo)定。

2.3.1 車門系統(tǒng)阻力測試

車窗上電運(yùn)行后，利用示波器捕捉采樣電阻兩端電機(jī)正反轉(zhuǎn)的波形，分析車門系統(tǒng)阻力在各種電壓和溫度下的變化情況。

從圖11可以看出，在常溫下，車門系統(tǒng)阻力相對平穩(wěn)。而圖12中，在低溫-35℃下車窗阻力有較大的突變。

圖11 常溫下的車門系統(tǒng)阻力

圖12 低溫-35℃下的車門系統(tǒng)阻力

若車門狀態(tài)太差，系統(tǒng)阻力過大，將無法滿足標(biāo)定要求，需要改善車門的精度。

2.3.2 車門防夾力測試標(biāo)定

分別在不同電壓、溫度下將測力傳感器安裝在柱體A、B（前門）或者柱體B、C（后門）之間均勻選取3點(diǎn)作為測試點(diǎn) （圖13），將測力裝置安裝在車窗玻璃上，測試在各個測試點(diǎn)上的防夾力。自動控制玻璃上升，在出現(xiàn)防夾后讀取防夾力數(shù)值，每個測試點(diǎn)測試3次，計算防夾力平均值。平均值即為車窗玻璃升降的防夾力。

圖13 防夾力測試點(diǎn)

標(biāo)定過程中，測試的任何一次防夾力都不能大于100N。每次測量后需要冷卻一定時間后再進(jìn)行下一次測量。

表1為眾泰某項目中在低溫-35℃下測得的一組防夾力數(shù)據(jù)。

表1 -35℃測得的防夾力值

2.3.3 防夾反轉(zhuǎn)距離測試標(biāo)定針對每個測試點(diǎn)當(dāng)發(fā)生防夾時，需反轉(zhuǎn)到以下位置之一。允許穿過開口放置直徑200mm的半剛性柱狀試驗棒的位置，比開始回縮時的位置至少多開100mm的位置。

按以上方法測試，會存在因為障礙物高度及玻璃位置原因出現(xiàn)測試不到的點(diǎn)，這些點(diǎn)不計入評判項 （如前門玻璃前端、后門玻璃剪刀角）。

測試點(diǎn)為車窗的前端、中端、后端，針對每個測試點(diǎn)當(dāng)發(fā)生防夾時，在防夾區(qū)域檢測到防夾發(fā)生，防夾控制器驅(qū)動車窗反轉(zhuǎn)一定距離或降到底。

2.3.4 防夾區(qū)域測試標(biāo)定

按照GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部突出物》中要求進(jìn)行防夾區(qū)域試驗。

1）4mm防夾區(qū)域試驗 （圖14）：將一個直徑為3mm的圓柱型桿棒，在柱體A到B（前門）3點(diǎn)或柱體B到C（后門）3點(diǎn)均勻選取作為測試點(diǎn)，將桿棒放置在測試點(diǎn)上，驗證此時是否具有防夾功能。

圖14 防夾區(qū)域測試點(diǎn)

2）200mm防夾區(qū)域試驗：將一個直徑為200mm的圓柱型桿棒，在柱體A到B（前門）3點(diǎn)或柱體B到C（后門）3點(diǎn)均勻選取作為測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)測試5次。將桿棒放置在測試點(diǎn)上，驗證此時是否具有防夾功能。對防夾區(qū)域的測試是為了驗證在此區(qū)域內(nèi)防夾功能的有效性。

2.4 車輛動態(tài)測試標(biāo)定

為驗證實車在不同工況路段防夾功能的工作狀態(tài)，需要搭載路試車進(jìn)行動態(tài)測試驗證。

2.4.1 高速路段測試標(biāo)定

整車在高速行駛時 （如120km／h）正常操作車窗進(jìn)行升降。車窗玻璃上升到頂，下降到底為一個循環(huán)，每個車窗測試10個循環(huán)，4個車窗依次升降，不出現(xiàn)誤防夾現(xiàn)象，同時在最高時速時需測試防夾功能，要求防夾功能正常。表2為高速路況動態(tài)標(biāo)定。

表2 高速路況動態(tài)標(biāo)定

2.4.2 強(qiáng)化路況測試標(biāo)定

整車在各種強(qiáng)化路段行駛的同時操作車窗玻璃升降。玻璃上升到頂，下降到底為一個循環(huán)，4個玻璃同時升降，只允許出現(xiàn)1次誤防夾現(xiàn)象。如超出次數(shù)，則需要對軟件算法進(jìn)行力的補(bǔ)償。

從圖15可以看出，在強(qiáng)化路段，車門系統(tǒng)阻力抖動較大。①為車窗上升、下降的阻力加速度；②為車窗位置；縱坐標(biāo)的0為車窗頂部位置。表3為強(qiáng)化路況動態(tài)標(biāo)定。

圖15 強(qiáng)化路段車窗阻力波形

表3 強(qiáng)化路況動態(tài)標(biāo)定

2.5 車窗防夾耐久測試驗證

在不同的溫度下 （室溫、85℃、-35℃），對車窗防夾力和防夾區(qū)域進(jìn)行耐久循環(huán)。考慮前后車門的使用頻率，通常前門的耐久次數(shù)要高于后門，一般前門為30000個循環(huán)升降，后門為20000個循環(huán)升降。

表4為眾泰某項目在-35℃、測試電壓13.5V下耐久測試4000次循環(huán)的數(shù)據(jù)。

表4 低溫車窗防夾耐久測試

2.6 小批量波形抽檢及最終驗收

由于防夾的標(biāo)定工作非常復(fù)雜，故只對前、后、左、右4個門的一組樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集標(biāo)定。當(dāng)防夾標(biāo)定工作完成以后，考慮車門總成的一致性，通常需要對下線車輛進(jìn)行小批量波形的抽檢，以確認(rèn)批量產(chǎn)品的一致性，確保整車防夾的批量性能符合要求。

如批量驗收時，車門總成的波形與標(biāo)定時差異較大，視具體情況確認(rèn)是否需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

3 結(jié)束語

綜上所述，車窗紋波防夾的軟件標(biāo)定工作周期長、工作量大，同時車門總成的精度、升降器的性能、電機(jī)的性能以及產(chǎn)品的一致性問題都將直接影響標(biāo)定的結(jié)果。本文對于車窗紋波防夾的軟件標(biāo)定工作給出了一個參照的思路和方向。