關于紋波電機測評方法研究

【摘" 要】介紹紋波電機的測評方法，包括紋波電機的紋波品質(zhì)測試、防夾工況分析、防夾功能測試方法、誤防夾測試方法，最后結合現(xiàn)有的測試結果，說明紋波電機在某些工況下的不佳表現(xiàn)。

【關鍵詞】紋波電機；紋波品質(zhì)；防夾；誤防夾

中圖分類號：U463.631" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0069-05

Research on Test and Evaluation Method of Ripple Motor

FAN Xue，LAI Jianbin，HE Wei，JI Cheng，XIA Minghe，ZOU Shengxing

（BYD Auto Industry Company Limited，Shenzhen 518118，China）

【Abstract】This paper introduces the test and evaluation method of ripple motor，including ripple quality test of ripple motor，analysis of anti-pinch condition，test method of anti-pinch function，test method of 1 anti pinch. Finally，according to the existing test results，the poor performance of ripple motor under some working conditions is pointed out.

【Key words】ripple motor；ripple quality；anti-pinch；1 anti-pinch

隨著國標GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》的實施，以及現(xiàn)在越來越受關注的人機安全要求，電動汽車的車窗防夾技術在全世界的使用范圍率呈現(xiàn)出上升的趨勢。目前，由霍爾元件組成的傳感器技術因其技術可靠且有著豐富優(yōu)異的汽車應用實例，在汽車行業(yè)有著不可忽視的地位。最近幾年，隨著模擬電子技術和數(shù)字電子技術的成長和迭代，與霍爾元件組成的傳感器技術相比，紋波技術因其造價低廉、可靠性強，使得該技術在汽車制造領域深受青睞，市場占有率也在不斷增加[1]。

1" 紋波防夾原理

1.1" 紋波定義

紋波技術是借助直流電動機在進行換向的操作中，生成的電流波形變化由碳刷與換向器的接觸和摩擦導致，然后對這種電流中出現(xiàn)微小波形的變化采取取樣、解析和控制的電子技術。其中單位時間內(nèi)的紋波波形數(shù)量與電機的轉(zhuǎn)速和電樞的片數(shù)成正比。圖1為紋波產(chǎn)生機理，圖2為紋波信號波形圖。

1.2" 紋波防夾工藝原理

紋波防夾工藝原理是通過控制車窗玻璃的移動軌跡，以及檢測電機的工作電流最大值變動程度來達到車窗玻璃防夾的目的，通過識別紋波的個數(shù)確定玻璃窗當前位置，通過電流大小確定防夾的判斷。使用的普通電機每當運行一周，同時會生成一組紋波信號，紋波波形數(shù)量與電機運轉(zhuǎn)速度和換向次數(shù)呈現(xiàn)出正相關的狀態(tài)[2]。如圖3所示。

1.3" 電流采樣原理

紋波電機旋轉(zhuǎn)方向由微控制器（MCU）來進行管理，繼電器可以起到搭建微小電流和大電流轉(zhuǎn)換的橋梁，取樣電路主要功能是同時取樣紋波信號和電流最大值，二者一起作為車窗防夾功能的輸入信號[1]。如圖4所示。

2" 紋波參數(shù)的測試方法

穩(wěn)定性高的紋波信號對于一個優(yōu)秀可靠的紋波防夾功能尤為重要，可以起到?jīng)Q定性的作用。影響紋波參數(shù)的因素是電機的相關參數(shù)和車門車窗等相關運動參數(shù)，因此需要從電機紋波參數(shù)入手，通過一系列紋波參數(shù)的測試來確定紋波是否符合電動汽車的相關設計要求。

2.1" 紋波頻率測試

電機在空載狀態(tài)下運行，紋波頻率推薦在400～1400Hz之間。

測試方法：（16±0.1）V，空載，常溫，85℃，-40℃，使用示波器選取車窗在上升或下降過程波形穩(wěn)定的波段（圖5），計算公式：f=1/T，T為相鄰波峰的時間差。圖6、圖7分別為車窗上升、下降過程波形。某車型測試結果見表1。

2.2" 紋波振幅測試

電機在無負載情況下運轉(zhuǎn)，紋波電流幅值推薦≥0.4A（峰值），最大的紋波振幅必須小于10倍的最小幅值，相鄰振幅差值≤較小的30%。

測試方法：（9±0.1）V，空載，常溫，85℃，-40℃，使用示波器選取車窗在上升或下降過程波形穩(wěn)定的波段（圖7，至少包含10組以上波峰），讀取對應的峰值數(shù)據(jù)。某車型測試結果見表2。

2.3" 紋波建立時間測試

電機在無負載情況下運轉(zhuǎn)，電機紋波建立時間推薦＜20ms。

測試方法：（16±0.1）V，空載，常溫，85℃，-40℃，將電動汽車車窗持續(xù)10個升降操作，運用示波器檢測取樣電阻上的由電機正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的紋波波形，研究電機紋波信號生成的時間，電流變化開始至第1個紋波形成的時間即為紋波建立時間T1（圖8）。某車型測試結果見表3。

2.4" 紋波畸變測試

電機在空載和負載情況下運轉(zhuǎn)，在設置頻率振幅的主諧波為0dB作為基準的條件下，其他諧波的振幅最佳范圍應小于-6dB。

測試方法：（14±0.1）V，空載，負載，常溫，85℃，-40℃，運用示波器檢測取樣電阻上的由電機正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的紋波波形，把2.5Hz作為取樣頻率基準，解析時間大于等于100ms，通過FFT（快速傅立葉變換）方法來對紋波畸變的dB值進行深度解析，在設置頻率振幅的主諧波作為dB的基準零點的條件下，其他諧波的最佳振幅范圍小于-6dB，如圖9所示[2]。某車型測試結果見表4。

2.5" 紋波一致性測試

電機在空載和負載情況下運轉(zhuǎn)，正常升降過程中，要求電機紋波的一致性和穩(wěn)定性。

測試方法：9～16V，空載，負載，常溫，85℃，-40℃，運用示波器檢測取樣電阻上的由電機正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的紋波波形，確保電機中紋波波形的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。圖10為標準電機紋波波形。

2.6" 紋波能量要求測試

參考紋波能量功率角度推薦要求：基波頻率fn和一次諧波2fn占紋波總能量百分比[P（fn）+P（2fn）]/（Ptotal）＞70%；基波頻率fn占紋波總能量百分比P（fn）/（Ptotal）＞50%。

測試方法：（14±0.1）V，空載，負載，常溫，85℃，-40℃，采用示波器檢測取樣電阻上的由電機正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的波形，把2.5Hz作為取樣頻率基準，解析時間大于等于100ms，能量以積分方式計算基波或諧波的面積，滿足上文能量要求。某車型紋波能量計算結果見圖11～圖16和表5。

3" 紋波電機的防夾工況分析

整車車窗防夾體系構成元素：駕駛方側(cè)向開關、乘客方側(cè)向開關、遙控裝置、四門防夾升降電機、車身控制模塊BCM等。其中防夾裝置與BCM的聯(lián)系主要和LIN線相關。

本節(jié)著重講述一些已被忽略的防夾工況，同時紋波電機的防夾功能是否能實現(xiàn)，其中誤防夾工況在紋波電機測試中出現(xiàn)的概率很大，需要重視。

3.1" 防夾工況

3.1.1" 常見防夾失效工況

常見防夾失效工況見圖17，在這些常見的防夾失效工況中，紋波電機表現(xiàn)正常。

3.1.2" 兒童鎖信號啟動，防夾功能失效

1）玻璃升降電機從BCM發(fā)出的信號讀取兒童鎖開關狀態(tài)，未收到信號時，默認兒童鎖為開啟狀態(tài)。

2）兒童鎖開關可以阻斷車窗玻璃升降開關的輸入信號。

3）當車窗玻璃處于運動狀態(tài)時，啟動兒童鎖，玻璃能夠馬上停止運動[3]。

3.1.3" 非初始化模式下，防夾功能失效（表6）

防夾系統(tǒng)初始化工作步驟：①開啟點火開關到ON擋；②關閉全部車窗，上拉車窗開關持續(xù)1s以上。

3.2" 誤防夾工況

誤防夾現(xiàn)象為：車窗玻璃自動上升過程中，因發(fā)生某些工況，使車窗玻璃反轉(zhuǎn)向下運動的現(xiàn)象。

1）高速路工況（60～120km/h），可能發(fā)生誤防夾。

2）強化路工況（搓板路、石塊路、長波路、魚鱗路、卵石路、扭曲路），可能發(fā)生誤防夾。

3）快速關門工況（關門速度≤2.5m/s），可能發(fā)生誤防夾。測試的紋波電機車型中，快速關門工況發(fā)生誤防夾的概率很大，關門速度甚至在1.5m/s左右就發(fā)生誤防夾。其中關門速度2.5m/s屬于暴力關門（用戶暴力操作），2.0m/s屬于大力關門（車門較難關，或者用戶第1次未關上車門，第2次大概率會大力關門）。

4）高低溫環(huán)境工況（85℃、-40℃），可能發(fā)生誤防夾。測試的紋波電機車型中，低溫工況發(fā)生誤防夾的概率較大，需重點關注。

3.3" 防夾性能測試

依據(jù)GB 11552對帶有防夾功能的車窗、天窗及隔斷系統(tǒng)來說，防夾區(qū)域、防夾力和防夾反轉(zhuǎn)距離是重點檢測項，對于紋波電機控制的車窗也是如此。

3.3.1" 防夾區(qū)域測試

在電動車窗、天窗及隔斷系統(tǒng)中，在防夾區(qū)域內(nèi)均勻選取不少于3個點作為測試點，用測試棒觀察電動車窗在自動上升過程碰到測試棒后，是否發(fā)生反轉(zhuǎn)，驗證防夾的有效性，要求防夾區(qū)域為4～200mm，如圖18所示。

3.3.2" 防夾力測試

在電動車窗、天窗及隔斷系統(tǒng)中，在防夾區(qū)域內(nèi)均勻選取3個點作為測試點，用防夾力測試儀（剛度為10N/mm±0.5N/mm）測試電動車窗在自動上升過程發(fā)生防夾時的力值，要求防夾力≤100N。如圖19、圖20所示。

3.3.3" 防夾反轉(zhuǎn)距離

在電動車窗、天窗及隔斷系統(tǒng)中，在防夾區(qū)域內(nèi)均勻選取不少于3個點作為測試點，用測試棒觀察電動車窗在自動上升過程碰到測試棒發(fā)生反轉(zhuǎn)后，測量反轉(zhuǎn)距離。要求滿足下列任一位置：①允許穿過開口放置直徑200mm的半剛性柱狀試驗棒的距離；②關閉初始位置；③比開始后退位置最少多開50mm的距離；④天窗傾斜運動的情況下，最大角度開啟位置。如圖21所示。

4" 紋波電機的整車測試項目

根據(jù)目前對裝配紋波電機的電動車窗在整車測試過程中，除了防夾功能的正常實現(xiàn)，對于防夾性能和防夾的可靠性更要重點關注測試。根據(jù)紋波電機的紋波波形的特性，在國標的基礎上，我們細化了多種工況用于驗證紋波電機在整車測試中的性能和可靠性。

4.1" 防夾區(qū)域測試工況

整車狀態(tài)：車輛停放在平直地面，整車電源處于OK/START擋，整車P擋。

在防夾區(qū)域測試過程中，發(fā)現(xiàn)無論是紋波電機還是霍爾電機，車窗自動上升位置處于最底部時，防夾功能正常（4～200mm均正常）；但測試4mm位置防夾時，當初始上升位置在其他某些位置時（尤其是離頂部10mm甚至更?。?，紋波電機不發(fā)生防夾的概率大。

針對GB 11552中的防夾區(qū)域測試要求，我們細化測試區(qū)域和方法，見表7。按照表中方法測試發(fā)現(xiàn)，霍爾電機基本都能實現(xiàn)防夾功能，紋波電機在離頂部10mm甚至更小位置時（繼續(xù)調(diào)整距離，摸清防夾的邊界距離），防夾功能失效概率較大。

4.2" 防夾力測試

常溫下，整車電源處于OK/START擋，整車P擋，在防夾區(qū)域內(nèi)均勻選取3個點作為測試點，用防夾力測試儀分別測試電動車窗在自動上升過程4mm和200mm位置的防夾力。

測試結果發(fā)現(xiàn)：霍爾電機表現(xiàn)穩(wěn)定，且防夾力多數(shù)集中在70N左右，防夾效果優(yōu)秀；而紋波電機表現(xiàn)不太穩(wěn)定，同個區(qū)域的3個測試點的防夾力差異稍大，且防夾力大多數(shù)在90N左右（主觀感受防夾力大，有明顯疼痛感），甚至某些測試點超過100N，不符合國標要求。

4.3" 誤防夾測試工況

4.3.1" 快速關門

常溫下，整車電源處于OK/START擋，整車P擋，在電動車窗自動上升過程中，快速關門，從正常關門速度逐漸加大，直到2.5m/s左右，測試過程中記錄發(fā)生誤防夾的關門速度。如圖22所示。

測試結果發(fā)現(xiàn)：霍爾電機關門速度直到2.5m/s（暴力關門），基本不會發(fā)生誤防夾，紋波電機在2.0m/s（大力關門）甚至更小關門速度都有較大概率發(fā)生誤防夾。

4.3.2" 高低溫工作

低溫-30℃，高溫50℃（系統(tǒng)零部件類85℃）下，整車退電貯存4h以上，時間到后，在該溫度環(huán)境下上電，重復操作按鍵使車窗進行連續(xù)自動升降循環(huán)，直到出現(xiàn)熱保護，記錄出現(xiàn)誤防夾的次數(shù)，計算誤防夾率。圖23為步入式高低溫試驗箱。

測試結果發(fā)現(xiàn)：霍爾電機在高低溫工況下基本不會發(fā)生誤防夾，紋波電機在低溫下較大概率發(fā)生誤防夾。

4.3.3" 強化路工況

依據(jù)3.2小節(jié)中制定的強化路況，按照規(guī)定時速行駛，至少電動車窗自動上升15～20次，記錄發(fā)生誤防夾的工況，計算誤防夾率，一般要求＜3%。

測試結果發(fā)現(xiàn)：霍爾電機在強化路工況下基本不會發(fā)生誤防夾，紋波電機在卵石路下小概率發(fā)生誤防夾。

4.3.4" 高速路工況

依據(jù)3.2小節(jié)中制定的高速路況，按照規(guī)定時速行駛，至少電動車窗自動上升5次，記錄發(fā)生誤防夾的工況，一般要求不允許出現(xiàn)誤防夾。

測試結果發(fā)現(xiàn)：霍爾電機和紋波電機在高速路況基本不會發(fā)生誤防夾。

5" 結論

本文介紹了紋波電機的定義、防夾原理和在整車上的應用，主要介紹紋波電機的紋波品質(zhì)測試項目和方法，同時在國標的基礎上解讀并細化工況，制定相關的測試方法和要求，測試紋波電機在整車上的功能實現(xiàn)和可靠性是否滿足標準要求。

同時根據(jù)現(xiàn)有的測試結果，重點說明在某些工況下紋波電機在整車防夾測試中的不佳表現(xiàn)，開發(fā)和測試人員可以重點關注。目前公司正在全系車型推廣紋波電機的應用，希望本文的內(nèi)容對紋波電機項目的推廣有實際意義。

參考文獻：

[1] 邵炳清. 電機紋波技術在車窗防夾上的應用[J]. 上汽汽車，2016（2）：38-41.

[2] 姚高飛，江小朕，陳曉霞，等. 車窗紋波防夾標定簡介[J]. 汽車電器，2020（5）：63-67.

[3] 王海青，李彥鋒，楊天征，等. 汽車玻璃升降系統(tǒng)防夾功能分析研究[J]. 汽車電器，2020（6）：38-40.

（編輯" 楊" 景）

作者簡介

范學，工程師，研究方向為汽車試驗技術；賴劍斌，工程師，研究方向為開閉/升降系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、車身系統(tǒng)；何偉，工程師，研究方向為汽車試驗技術；吉成，工程師，研究方向為開閉/升降系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、車身系統(tǒng)；夏明和，研究方向為車身附件系統(tǒng)；鄒圣星，工程師，研究方向為汽車試驗技術。