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三维图-无CAD图 无人驾驶电动汽车的主动防夹车窗系统的设计【三维图-无CAD图】.zip

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译文题目：Design of Anti-pinch of ElectricWindowon the Threshold of Automatic Configuration 基于自动控制临界值的电动车窗防夹设计 职称： 副教授 2106年 3 月 5 日Design of Anti-pinch of ElectricWindowon the Threshold of Automatic ConfigurationAbstract ：In this paper, the design of anti-pinch of electric window is based on the current feedback principle, when the motor load increases, the electrical current will increase, too. Using a smart chip with current feedback function to determine whether the window is blocked while it upwards. This paper presents an algorithm which will configure the current threshold automatically. It is an improvement on Anti-pinch of Electric Window in Vehicles.Key words: Threshold of Automatic Configuration,Anti-pinch of Electric Window, Feedback current1. IntroductionNowadays many cars installed electrical Windows.By the use of electrical windows, on the one hand, it reduce the labor intensity of drivers and passengers, with convenient operation. On the other hand, because of electrical windows rising fast, it always induced clamp accident. Electrical windows with anti-pinch function has become a necessity. When the window rising around an obstacle, it can be back to return to the bottom, thus avoiding accidents. Currently, there are two types of methods used to implement anti-pinch function: One way is using the sensor switch(such as Infrared sensor and Hall sensor).This method is generally relatively high cost, and this paper will not discuss it in detail. Another is that with the current feedback through the use of smart power chips. In the solution for anti-pinch this paper introduced, there are set-bottom switch and set-top switch in the window control mechanisms, achieving anti- pinch function by AD sampling current. Current feedback to achieve anti-pinch function is based on the principle that as the motor load increases, the motor current will increase accordingly12.2. Design PrinciplesFor the power window anti-pinch systems, detecting the value accurately is the key to achieve the anti-pinch function. Due to the cost price of designconstraints and door style, it is difficult to adopt infrared and mechanical sensors technology in other areas widely to achieve anti-pinch. Today, the mainstream method to achieve anti-pinch function are either detecting motor current or using Hall sensor to detect motor current. Both methods have the common features that, through detecting the force indirectly when window be contact with obstacles to achieve the anti-pinch function, it has the advantage that the hardware is relatively simple, of low cost and high reliability. This work discusses the method which needs to detect the motor current, and through this method, it can determine whether the force is over the limit, and without the need for Hall sensors can accurately determine whether there are obstacles blocking the windows3.This is the relationship diagram between the motor resistance and motor current value, as depicted in Fig.1-1.Figure 1-1 the relationship diagram between the motor resistance and motor current valueThis is the relationship diagram between the motor resistance and motor current value, as depicted in Fig.1-1. As shown in Fig.1-1, there exists linear relationship between the suffered force and the current value. When the suffered force increasing, the current increases accordingly, indicating that the resistance of the window is increasing and may have encountered the obstacles. Therefore, by detecting the motor current, we can learn the force the motor suffered exactly, in order to achieve the anti-pinch function. Normal load on the motor, that is the value of the force under Fnormal feedback on the current value of port AD Inormal. When the motor is to withstand the resistance Fmax, the port AD feedback current value is Imax. To achieve the anti-pinch function, it is assumed that it encounter the obstacle when the AD sample value exceeds the AD sample value with force value Fnormal100N(100N is presented by FMVSS118 safety norms the United States).Only overcoming gravity, friction and all kinds of interference, electric window switches can achieve anti-pinch. But if one of these value is too high, it will affect the anti-pinch function. And if it needs to determine whether it encounters obstacle accurately, or it reached the top or bottom, this work adopt a set top switch and bottom switch, that spring switch is triggered by pressure during the window ascent. It will ignore the data sampled at AD port, and assuming that the window reaches the bottom or top. Even having added the reach-top switch and reach-bottom switch, for each car, because every window in the process of lifting the resistance Fnormal bear is not same, so that it will inevitably lead to the data AD sampled is different. And with the car in the course of continuous wear and aging of the device will also lead to changes in the threshold current value. In the past, anti-pinch windows are achieved using AD for each car AD parameters need to be measured, and then caught the configuration of the current threshold, which brought a lot of maintenance.3. ImplementationsIn order to solve the problem mentioned above, this work presents a current threshold autoconfiguration program, to replace the previous fixed threshold, which greatly simplifies the system installation and testing. A similar approach can be used to find the threshold, that when the motor is under the pressure value of ,the current value sampled from AD can be thethreshold. This current value can be approximately calculated by as the formula. If only sampling the value once, the error is relatively large, so the average methodcan be used to offset the margin of error. After the first installation of windows, the first initial value is set, then adjusting the data automatically according to the history and present status. In his work the historical data will be stored in the MCUs flash, testing Ntest times.The the average threshold current and the implementation of testing procedures logo Ftest . When the first installation or turn on testing window switch, window will lift up and down automatically, using the end top switch set to test Inormal_i and Imax_i value and calculate Iclip_i. After the number of Ntest tests, is calculated. At this time the results Ntest and are stored in Flash as a historical reference data.To reflect the changes in threshold current, in process of using the car, due to constant wear and aging of the devices, it is necessary to adjust the data sampling, We can treat changes in threshold current in each lifting of window as a data sampling. When the window is not top or bottom set, we treat the current sampling as Inormal, and then find the mean of several samples as.After the switch is set to top or bottom, maintain operation of the motor 10ms, treat the current after 10ms as Imax. Then calculate the threshold current of the current with. However, in order to prevent the sampling data with large deviations, weighted average method is used to offset the deviation, when calculate the new threshold current with and replace the original value in the flash memory with the new value value 3 .The value of the threshold current changes with theNtest, as depicted in Fig.2-1Figure 2-1. Influence of Ntest on Ntest value is determined according to different models and different application environment. When Ntest greater value, the more decisive role in the historical data, current threshold changes with the environmental change more slowly, better stability. When Ntest is smaller, the current data are more bigger role, the current threshold of the current environment will be more sensitive, but the stability deteriorates. The method of Dynamic Configuration threshold current value effectively overcomes the fixed threshold current value of the anti-pinch shortcomings, improve the accuracy of the anti-pinch windows. When the current value sampled IadIclip ,it assumes that there is an obstacle, and at this point the window lift switches will be invalid, and the motor will drive down the windows some distance away in order toavoid accidents.4. System DesignThis paper is to achieve anti- pinch function by AD sampling current using Smart Power ICs. Current feedback to achieve anti-pinch function is based on the principle that as the motor load increases, the motor current will increase accordingly. The MC33887 is a monolithic H-Bridge Power IC with a load current feedback feature making it ideal for closed-loop DC motor control. It has a feedback output for real time monitoring of H-Bridge high-side current to facilitate closed loop operation for motor speed and torque control. So MC33887 is a good choice. Hardware consists of MC68HC908GR8, MC33689, MC33887 and MC338844-7.The MC33689 is an integrated power management chip with LIN driver module, and the MC33887 is a monolithic H-Bridge Power IC with a load current feedback feature, and theMC33884 is an integrated Smart switch chip, and the MC68HC908GR8 is a 8-bit microcontroller. This is a logical connection diagram between the chip, as depicted in Fig.3-1.Figure 3-1.Hardware Design of Window moduleIn this work, the MC33887 can pass the current sampled by AD through FB output to MCU, then MCU determines whether there are obstacles through the value of the current. When the current value is greater than Iclip, it can be assumed that there is an obstacle.5. ConclusionsWindow lift system is an extremely complex system, that the environment, machinery and many other factors will impact the operation of the automatic windows. In other countries, the anti-pinch power windows product research and application has been for decades, and the technology is not a matter.But in china, because Automobile electronic starts lately, the technology remains a challenge. This paper analyzes the method that through the motor current to achieve anti-pinch electric function. As each has a separate ECU electric window control, in a damaged condition, the other three can still work, increasing the system reliability and safety. This method to achieve anti-pinch function through the motor current feedback can reduce the system cost effectively.AcknowledgementThis work is supported by the National Natural Science Foundation of China under grant No. 60903011, Natural Science Foundation of Zhejiang province under grant No.Y1100689, Science and Technology Department of Zhejiang ProvinceFoundation under grant No. 2010C31122.References1 Atmel.AVR480:Anti-Pinch System for Electrical Window.2006.2 Chen Zhaolong,Fan Qingbo.The development of jamproof glass lifter based on freescale single chipmachine(SCM)J.chaohu college journal No.3,Vol.8.3 Xie Youhua, Yin Chengliang, Shu Jie.Application of LIN Bus in Power Window System Controlling. Control&Automation.2008,24(5).4 Freescale. MC9S08AW16 Data Sheet.Rev.2.5 Freescale. MC33689 Data Sheet .Rev.2.6 Freescale. MC33887 Data Sheet.Rev.2.7 Freescale. MC33993 Data Sheet.Rev.基于自动控制临界值的电动车窗防夹设计摘要：本文中，设计的电动车窗防夹原理是基于电流反馈原则进行，当电机负载增加时，电路中电流也相应增大。利用小型芯片将电流反馈形式放大，用以判断车窗在上升过程中是否被阻碍。本文中描述了一种根据电流临界值自动控制的运算法则，将有利于提高电动车窗防夹系统在汽车上的运用。关键词：自动控制临界值，电动防夹车窗，电流反馈1引言今天，越来越多的汽车都配置了电动车窗。使用电动车窗一方面可以降低驾驶员的劳动强度，给予乘客更加舒适方便的操作；但另一方面，随着电动车窗使用量的增加，也经常伴随着夹伤等安全事故。电动车窗具备防夹功能也逐渐成为必须配置，当车窗自动上升过程中碰到障碍物时能够自动下降至最低处，这样就可以避免安全事故的发生。目前，比较普遍的有两种方式用以实现防夹功能：一种方法是运用传感开关（比如红外线传感器和霍尔传感器）这种方法相较普遍方法而言成本较高，所以本文中将不再对此方法做过多的赘述。另外一种方法是运用小型功率芯片电流反馈的方法，在本文中提出的解决防夹方案中，在车窗的机械控制系统中设定一个顶部开关和一个底部开关，通对AD电流进行监测以实现防夹功能。电流反馈实现车窗防夹功能的基本原理是：电机负载增加时，通过电机的电流也随之相应增大12。2设计原则对于电动防夹车窗，精确实现防夹功能是体现其价值的关键。由于设计成本和车门型式的约束，很难通过在其它空间布置红外线和机械传感器而实现防夹。今天，比较广泛运用的方法是检测电机电流或使用霍尔传感器监测电机电流。两种方法都有共同的特点，即间接的监测当车窗遇到障碍物时产生的力，从而实现防夹功能，这样使得硬件设计更加简单，成本更低、可靠性好。这项研究讨论的方法是在不运用霍尔传感器的基础上，通过监测电机电流从而得出窗阻力是否达到设定的最低值，用以判断车窗在上升过程中是否遇到障碍物3。电机受的阻力与电机电流值关系如图1-1所示：图1-1 电机阻力与电流值关系图如图1-1所示，车窗玻璃上升过程中受到的阻力与电机反馈电流程线性关系。当阻力增大时，电机电流相应的增大，表明需要使车窗继续上升的力增加，可能是遇到障碍物阻挡。因此为了实现自动防夹功能，我们可以监测电机电流的变化从而可以精确的掌握此时电机承受了多大的阻力。当电机在正常负载情况时，其正常承受的作用力通过AD转换接口变反馈的值为Fnormal，电机达到其承受的最大阻力Fmax时，通过AD转换接口反馈的回来最大的电流值Imax。为了实现防夹功能，设定车窗上升时通过AD转换接口反馈回来的力超过车窗普通上升力+100 N时，则表明遇到了障碍物（100N的力值是根据美国安全规范条列FMVSS118标准执行）。只有克服车窗在自动上升过程中的重力、摩擦力和其他各种因素的干扰，电动车窗开关才能实现防夹，如果其中任意一项值太高，将会影响电动车窗防夹功能。如果需要准确的判定是遇到障碍物还是到达顶部或底部，还需要设置一个顶部开关和底部开关，当车窗上升至顶部/下降至底部，开关在承受一定的压力后被触发，此时电流值的增大则会被AD转换接口忽略。因为每个车窗在上升过程中承受的阻力不同，所以不可避免的导致监测的AD信号不同，甚至需要在每个车窗处增加顶部开关和底部开关。且随着汽车不断的磨损和老化过程中依然需要不断的修正设定的电流临界值。以往，AD转换器被用在每个具有电动防夹车窗的汽车上，且AD转换器参数需要测量，然后捕捉当前的电流临界值，这样会带来大量的维护和维修。3安装及过程为解决上述问题,本论文提出了一种自动控制临界值的程序,以替换之前的或临界值配置,此工作极大的提高了系统的安装和测试。采用类似逼近的方法来查找临界值，当电机运行于低于压力值Fnormal+（Fmax-Fnormal）/3时，从AD所取的当前样本值可以被认为是当前临界值。此所取的当前样本值可以采用下面的的公式来进行近似计算 IclipInormal+（Imax-Inormal）/3 。当样本数为1时，误差值将会被放大，因此采用计算平均值的方法来减小误差。当初次安装该车窗时，所设定的初始值会根据历史和当前状态进行自动调整。在其工作状态下历史数据会被存储在闪存MCU内，并测试N次。当前平均阀值电流为，测试程序的标志Ftest会生效。 当首次安装或打开测试车窗时，车窗会自动上升和下降，使用顶置开关设置测试值Inormal 、Imax并计算值Iclip_i。当测试N次后，根据公式会得到计算值。测试结果Ntest和会被存储于闪存，以替代所涉及的原始值。为响应临界值电流的变化，在车辆使用处理过程中，由于持续的磨损和设备的老化，有必要对样本数据进行调整，我们可以对每一次的车窗上升数据进行变化处理并以此作为样本数据。当车窗不在最高或最低时，我们将当前样本数据作非正常处理，并找到样本数据的平均值作为当开关被设置到顶部或底部时,保持电机运行10ms并将其置为Imax.然后按照公式： 计算当前临界值电流。尽管如此,为避免样本数据产生较大的偏差,使用加权平均法来消除此偏差,根据公式 计算出临界值电流后,用新产生的值替换存储于闪存的原始值 。临界值电流随Ntest的变化情况，如图2-1所示。图2-1 对Ntest的影响Ntest的值取决于不同的模型和不同的应用环境。当Ntest值越大，历史值更多的取决于Ntest，而电流临界值随环境的变化越慢，从而得到的稳定性更好。当Ntest越小，电流值所起的决定性因素更高，电流临界值随当前环境的变化越敏感，但同时稳定性会恶化。自动配置临界电流值的方法有效的克服了anti-pinch配置临界值电流的缺点，提高了防夹车窗的精度。当现值样本时，其判定当前存在障碍物，同时此刻车窗上升的开关被忽略，电机会继续将车窗向下拉一段距离以避免发生事故。4系统设计本论文是通过使用多块智能型片来进行电流取样从而实现防夹功能的。从电流反馈到实现防夹功能是基于电机负载增加的原则，电机电流会随着负载的增加而相应地增加。MC33887是一种高性能集成微型处理器，其负载电流反馈特征使其成为理想的直流电机闭环控制器。其能对全桥电路高端电流进行实时监控反馈，从而能促进电机速度和扭矩实现闭环控制。因此MC33887是很好的选择。硬件由MC68HC908GR8，MC33689，MC33887 和MC33884 组成4-7。MC33689是一种基于LIN驱动的综合动力管理芯片，MC33887是一种整体式的全桥集成电路并具有负载电流反馈特征，MC3384是一种集成智能开关芯片，而MC69HC908GR8则是一个8字节的微控制器。芯片间的线路原理图如图3-1。图3-1 车窗控制硬件设计图在这项工作中，MC33887能将接收到的瞬时电流值通过AD输入到FB然后输出到MCU，MCU再根据电流值判断是否有障碍物。当电流值增大到超过Iclip，可以判断当前存在障碍物。5结论车窗防夹系统是一种极端复杂的系统，环境、机器、以及许多其他的因素都会自动操纵车窗造成影响。在其他国家，防夹车窗产品的研究和应用已经持续了几十年，因此技术上已经不成问题。但在中国，由于汽车电控技术开始较晚，此项技术仍具有挑战。本论文分析了通过电机电流来实现电控防夹功能的方法。由于各模块都有单独的电控ECU来进行控制，在损坏的情况下，其余的三个部件仍可以工作，提高了系统的可靠性和安全性。通过电机反馈电流来实现防夹功能的方法能有效地减少系统成本。鸣谢本论文得到中国国家自然科学基金No.60903011的授权支持，浙江省自然科学基金No.Y1100689的授权，浙江省科技部基金会NO.2010C31122授权。参考文献：1 Atmel.AVR480:Anti-Pinch System for ElectricalWindow.2006.2 Chen Zhaolong,Fan Qingbo.The development of jamproof glass lifter based on freescale single chipmachine(SCM)J.chaohu college journal No.3,Vol.8.3 Xie Youhua, Yin Chengliang, Shu Jie.Application of LIN Bus in Power Window System Controlling.Control&Automation.2008,24(5).4 Freescale. MC9S08AW16 Data Sheet.Rev.2.5 Freescale. MC33689 Data Sheet .Rev.2.6 Freescale. MC33887 Data Sheet.Rev.2.7 Freescale. MC33993 Data Sheet.Rev.目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状、发展趋势11.3课题完成的任务22 电动车窗总体结构设计32.1 电动车窗组成结构与类型32.2电动车窗工作原理42.3电动车窗结构设计42.4车窗电机选型62.5本章小结73 车窗控制系统电路硬件设计83.1 防夹系统总框图83.2按键模块设计93.4电机控制模块设计113.5 主控制电路设计113.6 抗干扰设计123.7 本章小结134 软件设计146 结论与展望21参考文献22附录2325无人驾驶电动汽车的主动防夹车窗系统的设计摘 要近年来伴随着我国经济建设的逐步发展，汽车的生产和使用率越来越高，普通家用轿车已成为人们日常生活不可缺少的一部分。汽车行业的飞速发展，带动了其重要组成部分的汽车电子产业的快速进步，如自动调节空调、自动调节大灯、电动座椅、电动车窗、EPS/EPB等高新技术已成为了整车设计中不可或缺的配置。在汽车电子控制技术飞速发展的步伐中，安全性和舒适性是人们随时聚焦关注的话题。汽车车窗作为一个重要的功能组成部分，人们操作使用频率高，关乎乘客的乘坐舒适性感受，几乎所有的购买者都将汽车车窗是否智能化、人性化、便于操作、安全系数好等作为一个重要判定标准。在手动车窗逐步退出历史舞台，电动车窗唱主角的今天；电动车窗能否有效的防夹，保护乘车人的安全是必不可少的考虑因素。本次设计的防夹电动车窗是以PIC单片机为微型处理器，数字电路和直流电机驱动电路为基础，运用80C51的基础反馈特性，实时检测车窗在自动升降过程中电流的变化，从而判断是否遇到障碍物，采取相应的控制措施实现防夹控制。关键词：电动车窗；防夹功能；智能控制Design of Active Anti-pinch Window of Driverless Electric Vehicle AbstractWith the gradual development of economy construction in our country during these years, the production and utilization rate becoming higher and higher, ordinary family car has become an indispensible part in peoples daily life. Automobile industrys rapid development has brought rapid progress to its important components of automobile electron industry, such as RFTA, automatically adjusting headlight, power seat, power window, EPS/EPB, which has become essential configuration in vehicle design. In the rapid development of automobile electronic control, people always focus on the topic of safety and comfort. As an important functional component, automobile window is used in a high rate, related with the ride comfort for passengers. Almost all the customers take it an important criterion whether the automobile window is intelligent, humanized, easy-operated, highly-safe or not. With manual window fading from historical stage, power window becoming mainstream, the factors whether power window can anti-pinch or not, and the safety to protect passengers are considered indispensably. In this paper, anti-pinch electronic window takes PIC as microcontroller, and is based on digital circuit and DC motor driver, applying the feedback characteristic of 80C51 base to real-time detect the currency change in the process of automatic lift, in order to judge whether obstacle is met, and then take relating controlling measures to realize anti-pinch.Key words: Power Window, anti-pinch function, intelligent control.1 绪 论1.1 课题研究背景据工信部发布的统计资料，2014年中国汽车产销量分别达到2372.29万辆，同比增长7.3%，和2349.19万辆，同比增长6.9%，产销量连续6年保持世界第一。近年来随着我国汽车行业的迅速发展，汽车电子市场迅速扩大，整个市场以超过40的比例快速增长，其中车身电子产品占到整个汽车电子产品的 3540。在目前，车身电子的热点应用排名前三的是车载空调、车窗控制和车灯控制。在车身电子中，对半导体需求量排列前三位的应用域分别是：车载空调，约占44；车窗控制，约占22；车灯控制，约占10，第四位是电动车门控制。根据汽车电子专业调研公司的数据，过去几年中国汽车市场车身电子的半导体器件需求量约为19亿美元，而中国本地设计的比例大约为1015之间，预计未来几年这一比例将会迅速增长。如上所述，车窗控制产品已成为车身电子产品重要的组成部分。在汽车产业高度智能化发展的今天，各种电动控制系统也应运而生，汽车电动车窗具备防夹安全保护功能已成为人们选择购车时考虑的重要条件。这样当车窗在上升过程中遇见障碍物（如头、手、衣物等）时可以自动下降到一定距离停止或降到最低，从而可以避免一些安全事故的发生。汽车电动车窗实现智能防夹功能对汽车的安全性能而言也是一种人性化的设计。电动车窗主要由车窗升降器、连接线路、控制系统、按键、直流电机等配置构成。目前市场上车辆电动车窗普遍都具有了一键升降、手动升降、驾驶员控制、一键锁止等功能。在大大的方便了驾驶员的操作性的同时，实现电动车窗升降、防夹功能等都是建立在红外线传感器、霍尔传感器等原件监测车窗运动位置的基础上，高昂的电子设备成本也是各个整车厂商头疼的问题，且针对已经在使用的汽车没有车窗防夹功能的改造、改进也有较大的难度。在电动车窗防夹研究的发展中，另外一种方案为采用小型智能功率芯片监测玻璃上升过程中电机电流反馈，通过AD转换接口实现车窗防夹。其基本原理是：直流电机负载增加时，通过其的电流也随之相应增大。这种方法的研究对于控制生产成本来说是一个及其有效的手段，且对已经使用的老旧车型改进也相对容易实现。1.2 国内外研究现状、发展趋势现代汽车电子控制技术发展已逐步呈现网络化发展，CAN线技术、LIN线技术已经非常成熟，更前沿的技术已在往人机互联，交互式的网络化方向发展，逐步成为汽车电子技术方面的新发展方向和热门领域。不管是发动机EMS控制、车身稳定辅助ESP、汽车制动防抱死系统ABS以及电动助力转向系统EPS等，其都运用了大量的单片机作为逻辑控制的核心原件，结合CAN通讯、LIN线等网络总线技术已成为现代汽车网络总线的关键技术。20世纪80年代，德国博世汽车公司为汽车电控领域制定了全新的CAN总线技术，其目的是将本地网络的概念应用到汽车系统内，有效的解决汽车内部众多控制原件与传感器之间的数据请求、交换；然而CAN总线主要针对高达1MbPS的高速数据设计，对于普通的车窗控制、空调控制、车灯等系统，CAN模块的使用成本较高。进入21世纪后，更低成本的适用于汽车分布式系统控制的LIN总线技术被引进汽车网络，随着这一网络在汽车行业的普遍应用，基于LIN总线技术的很多电动车窗防夹控制研究也逐步趋于成熟。各大汽车半导体厂商分别推出了许多基于此类的微型控制芯片，在此基础上电动防夹车窗陆续出现在各汽车主机厂的新车型上，如奔驰W220，宝马7系，大众辉腾，雷克萨斯等车型也在中控门锁和电动车窗上使用了LIN总线技术，实现了自动升降和主动防夹功能。虽然国内的相应技术还不够成熟，但是也有很多高校和企业在这一领域投入了大量的人力进行相关研究，其中成绩比较突出的如：天津工业大学陈东旭等提出的“基于LIN总线电动车窗防夹系统设计”；长沙理工大学汽车机械工程学院在运用MATLAB进行电动车窗防夹系统建模与仿真方面也有着较深入的研究分析，提出了相应的自适应模糊控制策略；奇瑞汽车股份有限公司在根据实际生产运用的基础上，通过LIN总线接入BCM控制，实现了电动车窗的主动防夹功能，在创新的方面申请了其专利技术。1.3课题完成的任务本次课题设计主要是根据车窗电机负载增加时通过电机的电流也随之相应增大，这一基本原理。在此基础上运用美国微芯公司的80C51单片机作为MCU，双H桥直流电机驱动电路，设计出合理的硬件电路、控制软件，并运用相关软件实现汽车电动车窗的控制运动和仿真，主要完成项目如下：1) 汽车电动车窗基本结构了解；2) 电动车窗硬件电路设计，完成按键模块、电源模块、电机控制模块及相应的抗干扰模块电路，运用Proteus软件完成电路图绘制；3) 阐述防夹功能的实现，建立系统流程图，编写控制软件；4) 完成软件程序的编译、模拟，进行仿真测试。 2 电动车窗总体结构设计2.1 电动车窗组成结构与类型汽车电动车窗，区别于传统的车窗玻璃靠手摇的方式升降；是利用按键控制的直流电机驱动玻璃升降器自动升、降的门窗玻璃。在行车过程中乘客可以方便的进行开、关门窗，将车窗玻璃控制在合适的高度，停车后驾驶员离开后可以通过遥控钥匙一键升起四门车窗，更加的方便快捷。所以电动车窗又叫自动车窗，20世纪90年代初电动车窗就已陆续问世，但是由于较高的成本和工艺，仅装在高级轿车上；近些年由于汽车产业不断向模块化、平台化发展，使得零部件成本得到不断的降低，目前在在现代汽车上己被普遍采用。电动车窗系统主要由车窗玻璃、直流电机、玻璃升降器、按键、控制模块、连线等部件组成。电动车窗系统是通过按键或遥控钥匙操作升、降车窗的系统，当电动车窗按键操作时，控制模块驱动直流电机正、反转，通过玻璃升降器的连杆运动，将电机的旋转运动转换为车窗升、降的上下运动，从而实现车窗玻璃的开闭。图2.1 电动车窗基本组成结构目前普通家用轿车上常见的电动车窗玻璃升降机构有绳轮式、交臂式和软轴式等几种，其中绳轮式玻璃升降机构电机布置位置更靠上，交臂式玻璃升降机构刚性大，安装和使用不易变形使用较为广泛，图2.2、2.3分别为绳轮式和交臂式结构图。 图2.2绳轮式玻璃升降机构基本组成结构 图2.3交臂式玻璃升降机构基本组成结构2.2电动车窗工作原理汽车电动控制车窗与传统手摇操作式车窗在工作原理上的区别主要在于开关按键及控制元件上的区别较大，带有主动防夹功能的电动车窗其主要通过总线技术（CAN、LIN）由主节点向四门电机发送指令控制车窗升降，通过监测车窗的运行位置或监测电机电流变化实现主动防夹功能，其中基于LIN总线车载网络的电动车窗工作原理如图2.4所示：图2.4 基于LIN总线车载网络电动车窗工作原理图一般而言，电动车窗都有两套控制系统，一套为驾驶员侧的总开关控制系统，可由驾驶员通过总开关控制系统控制全车四个车窗的升降；另一套为分开关控制系统，分别装在其余车门的车门扶手处，可由乘客控制身边车窗的升降。总开关和分开关互不干涉，均可独立控制，分开关的控制层级低于总开关。2.3电动车窗结构设计汽车电动车窗是一个安装在汽车车门上的装置，其本身结构受车门型式、开发成本、人机布置舒适性等多方面的影响，所以在设计过程中需要考虑的边界约束条件很多。比如：四门开关按键的布置受车门内板扶手宽度影响，内板钣金结构设计又决定了电机布置和安装位置，玻璃升降受侧围弧形曲率，是否有三角窗等因素影响，还要考虑与胶条配合的密封性能。本次电动车窗结构设计采用了交臂式玻璃升降器，直流电机与玻璃升降器固定臂通过螺栓连接紧固在车门内板上，运用CATIA软件建立了玻璃升降器及周边配合件的3D模型，如图2.5所示：图2.5 玻璃升降器3D结构模型本次设计中，选用交臂式的玻璃升降器结构，主要由电机固定支架、主动臂（带扇形齿与电机啮合）、两段从动臂分别铆接与主动臂两侧，组成一个X型的连杆；上下导向槽设计为半工字型槽，以便主、从动臂的滑块在滑槽中滑动；下导向槽紧固与车门钣金上，车窗玻璃通过螺钉连接在上导向槽上。上、下导向槽及滑块的设计结构如图2.6所示：图2.6 导向槽及滑块结构图导向槽采用1.2mm厚的普通冷轧钢板冲压成型，开口处的翻边既起到防止滑块脱出的作用，又对导向槽的横向刚度起到增强作用。图2.7 主、从动臂铆接结构图主、从动臂采用X型交叉，双侧铆接的结构；使得从动臂能够跟随滑块在导轨中的滑动轨迹而升、降的作用；主、从动臂同样采用1.2mm普通冷轧钢板冲压成型，在设计时候遵循钣金件的设计原则，增加相应的加强筋等结构，用以增加整个玻璃升降器的刚性，保证车窗玻璃在升降过程中的稳定性。2.4车窗电机选型直流电机作为电动车窗系统的重要执行机构，其性能好坏直接影响到车窗系统的工作情况。尤其是运用在汽车控制中，对其性能要求比较严格，汽车电动车窗电动机由于需要控制玻璃的升降功能，所以电机必须是能够双向旋转的，通过控制系统的对输入电流方向的控制，使电机具有换向的作用，分永磁式和双绕组串励式两类。各个车门处都有一个直流电机，是一种不直接接地型电动机。为防止电路过载，电动车窗电路有一个或多个热敏开关，以免电动机因超载而烧坏。热敏开关为双金属结构，当电动机电路电流过大时，双金属片受热，产生弯曲变形，使触点打开，切断电路；当电路断开后，双金属片冷却，变形消失，触点再次闭合。如此重复开闭，使电动机的平均电流不超过规定值，从而确保电动机不致过载烧坏。有的车上还设有延时开关，可在点火开关断开后约10min内或车门打开以前，电动车窗仍接通电源，使驾驶员或乘客仍可操纵控制开关关闭车窗。直流电机参数的选择是关系到整个电动车窗正常工作的一项工作，决定其工作的主要参数包括，工作电压范围、带负荷时的转速、力矩、遇到障碍物时能承受的制动力矩和电流等。由于整车一般使用DC12V的直流电源，但其值在上电、点火及充电过程中都有一定的波动，主要在9-15V之间波动，所以选择的直流电机工作电压范围应大于此范围，一般选取DC 8-16V。根据机械机构设计可知，主动臂齿扇与电机的啮合点至转轴支点的距离为127mm，转轴支点至主动臂滑轨距离为300mm，所以其杠杆比为0.42；车窗玻璃安装在导轨上后，近似其作用力在导轨的中间点距主动臂支点145mm，如图2.8所示。图2.8 玻璃升降器力臂图示拟定玻璃重量1kg，则可计算得在玻璃上升过程中齿扇处需要的力矩为：M=1*9.8*0.145/0.42=3.38N.m所以，电机在上升过程中的负载特性应大于3.38N.m。当玻璃在上升过程中遇到障碍物时，拟定的负载为100N，则此时电机遇到的阻力矩为：M=100*0.145/0.42=34.5N.m所以，电机最大制动力矩应大于34.5N.m。根据上述的计算，配合电机驱动电路的使用，本次选用的车窗电动机是永磁式直流电动机，其主要参数如表2.1所示。表2.1永磁直流电机参数表序号项目性能参数1工作电压范围DC 8-16V2空载性能转速79r/min3电流2A4负载性能（3。5N.m）转速655 r/min5电流8A6制动性能电流23A7制动力矩13-35N.m8防护形式双金属片，热保护，防尘、防水9旋转方向双向2.5本章小结 本章通过对汽车电动车窗的总体结构相关知识介绍，确定了本次设计的机械结构，选定了电动机的型号，为后文的电路设计及软件设计做了铺垫作用。3 车窗控制系统电路硬件设计3.1 防夹系统总框图电动车窗主动防夹系统的工作原理是指驾驶员在按下玻璃上升键，车窗玻璃在自动上升过程中夹到障碍物达到一定程度后，车窗会停止上升，并回退至最底端。其中如何定义防夹区域、防夹力临界值、防夹执行动作，是实现防夹的3个重要指标。根据FMVSS118标准可知：1） 防夹区域定义为从门窗顶端4-200mm区域；2） 防夹力临界值为100N；3） 当判定遇到障碍物时，车窗电机反向工作，车窗玻璃下降一段距离后停止，等待用户的进一步指令。防夹功能只有在制定的防夹区域开启，准确的判定车窗实时所处的位置是实现主动、智能防夹的关键因素。相对于传统电动车窗系统，虽然制造成本较低，但是实际各车窗电机之间的通信控制连线比较多，导致穿过车门铰链和门洞的线束庞大复杂，可靠性降低，实际成本增高。本次设计基于检测电机电流作为判定车窗是否遇到障碍物，电机电流会根据负载变化而程线型变化，实时监测电机电流的准确性，是整个控制系统能否稳定运行的重要因素。但由于在电机启动瞬间、车窗机械阻力、重力等一些外在因素干扰下，监测的电流稳定性、准确性受影响，所以检测电流时需要对信号进行放大、滤波、防干扰等处理，保证检测电流的准确与稳定。电路硬件部分设计可分为按键控制模块、电源转换模块、80C51单片机控制模块、电流采样、双H桥电机驱动模块、计数模块，由于单片机自带有A/D转换接口，此次设计将不需要设计数据转换模块。图3.1 主动防夹电流检测系统总框图如图所示,当采样到按钮信号时,MCU启动,运行电机控制程序。MCU根据接收到的信号判定是执行车窗上升还是下降的模式；如果是上升模式则控制电机正转，驱动玻璃升降器上升，如果是下降模式则控制电机反转。在每一种模式执行过程中,MCU还需要及时接收反馈信号，在上升模式中,有两种情况使得电机发生堵转进入制动模式,即玻璃上升置顶和上升过程中遭遇防夹力,这两种情况的区别判断主要是电机驱动车窗上边缘至窗顶距离d是否位于4mm处。当d4mm时,MCU启动防夹控制模块使车窗停止上升或下降至最低点,否则停止电机运转，车窗关闭。在下降模式中,阻力主要来自车窗运行至底部的阻挡力,所以直接停止电机即可2。3.2按键模块设计 由于车门内板布置空间限制，且为了不使按键繁多复杂，电动车窗按键开关都将手动上升模块和自动上升模块集成在一起。主要区别在于各个模块的按键行程和按键力值不同。按键模块电路硬件如图3.2所示：图3.2按键模块电路图设计按键作为电动车窗进行升、降的信号输入来源，整个电路中由于单片机MCU的工作电压为5V，所以按键的电压与MCU回路的工作电压一致，均为5V。按键信号通过 针脚10、针脚11、针脚12接入芯片的I/O通道，使得控制直流电机的回路被接通，车窗进行升降，并通过程序监控电机电流的变化，进一步来控制车窗电机的工作。图中K1表示车窗上升按键、K2表示车窗下降按键、K3表示模拟车窗上升过程中遇到的障碍信号。三个旁路电容C41、C42、C43的作用主要滤除杂波、平衡由于机械按键的弹性作用导致在按下或释放的瞬间由于触点抖动而产生的不平稳性。当按键未按下时，回路输出高电平，同时向电容进行充电，当按键按下后，电源-按键-地的回路接通，此时该电路输出低电平，同时电容向放电，由于按键的机械弹性作用，使得按键被按下或释放时，会伴随着一段时间的触点机械抖动，然后其按键才稳定下来，在触点抖动的期间来检测按键通断与否的状态，是很容易判断出错的，此时电容的作用便是去抖的功能。即是在按键被按下时会有一段前沿抖动，这时电容的正端的电位不会突然变化，所以按键的抖动不会使输出的高电平波形抖动，同理，当按键被释放时会有一段时间的后沿抖动，又因为此时电容已完成放电，已经没有了高电位的存在，而电容两端的电位又不会突变，所以可以是输出电平保持低电平而不抖动。电路中设计三个旁路电容的主要作用是滤除高频杂波及防止抖动功能，根据旁路电容的计算原则RC=3（T/2）C=3（T/2）/R，其中T为回路的电源周期，50HZ时，T=0.02S，R为电路的等效电阻，由于输入电压为+5V，电流取值为1mA,则单个回路的等效电阻为5，代入计算得C=600F，由于在进行电路设计时没有这一规格的电容，考虑到电容值越小，对高频杂波的滤除效果更好，按5倍的规格选取旁路电容100PF。3.3 电压转换模块设计由于整车电源输出电压为直流+12V，且伴随着各种工况下波动较大，而PIC芯片需要稳定的+5V直流稳压电源，所以需要在80C51芯片之前设计电源转换模块，保证MCU正常稳定工作，如图3.3所示：图3.3 电压转换模块电路图设计 12V的电压电源通过整车连线被接入设计电路进行转换，其中三个旁路电容C31、C32、C33的作用是抑制电路中可能出现的自激震荡，滤除杂波，有极性的电解电容C32滤除低频杂波，无极性的电容C31、C33则是滤除高频杂波的，这就填补了电解电容的不足。7805作为一个典型的+12V转换+5V的封装原件，VI为输入端，VO为输出端，GND表示接地。在7805的前侧并联两个大小不同、极性不同的电容，滤除了高频、低频杂波，从而能得到更平滑的波形。电容值的选择如电源设计模块类似，C31、C33选择100PF的电容能够滤除高频杂波，C32选择一最小规格0.001PF的电容能够更好的滤除低频杂波。R31是一个放电电阻，其作用是当电压转换成功时，发光二级管D31电路导通，LED灯发光，标示此时电压转换模块工作正常，电压由+12V转换至+5V，串联一个电阻是为了保护发光二级管。之所以设计电压转换模块，是由于整车输入的电源电压为+12V且很不稳定，不能直接用于PIC芯片的工作电压，通过此电路的转换可以为芯片提供5V的电源供电，同时12V为电机驱动模块提供启动电压。这样的设计是单片机电路设计中常用的一种方法，避免了由于不同原件需要的工作电压不同造成多个输入的问题，将电压转换电路设计集成在PIC板上，节省了更多的空间及线路连接。电路图上的两个模拟电压检测元件为Protus仿真设计软件自带的虚拟测量原件，是为了更方便设计者观察电路中各个节点的电压值变化，只在仿真图中出现，不制作入PCB板。3.4电机控制模块设计电机控制模块主要是接收MCU的控制信号，驱动电机正反转，有使用继电器控制电机电机正反转的设计，也有使用功率智能芯片驱动电机的；目前在高端轿车上较多的使用集成功能强大，带电流采样反馈的MC33486芯片；由于本次设计旨在通过Proteus软件对主动防夹车窗遭遇障碍物时电机的停止和反向运动，所以采用由三极管组成的H桥式驱动电路，电路结构如图3.4所示：图3.4电机驱动模块电路图设计电路的工作原理是：当A点为低电平时，Q3，Q2截止，Q7，Q1导通，电机左端呈现高电平；当B点为高电平时，Q8，Q4截止，Q6，Q5导通，电机右端呈现低电平，因此，在A为0，B为1时，电动机正转；反之，在A为1，B为0时，电动机反转；而当A点和B点同为高电平或低电平时，电动机停止转动，其中电路中的电阻都起着限流作用。3.5 主控制电路设计主控制电路图主要是指单片机的最小系统，主要包含复位电路和晶振电路在内。51系列单片机引脚大致可以分为4类：电源、时钟、控制、I/O；1） 电源： VCC，芯片电源，接+5V； VSS，接地。2） 时钟： XTAL1、XTAL2 晶体震荡电路反相输入端和输出端。3） 控制线:控制线共有 4 根：ALE/PROG:地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲；PSEN:外 ROM 读选通信号；RST/VPD:复位/备用电源；EA/Vpp:内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源4） I/O 线： 80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。 P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号10。 如图所示RST引脚给系统提供复位信号，当程序出现运行错误时，将会重置系统。，图中X1部分为晶振，起到了提供时钟信号的作用。其中的电容是保护信号的稳点，不会产生干扰，VCC是由电源转换模块提供，设计三个LED灯电路是为了在进行仿真运行时更直观的判断电机的工作情况，当D1灯亮时车窗处于上升状态，D2亮时车窗处于下降状态，D3亮时电机停止工作。图3.5主控制电路设计3.6 抗干扰设计抗干扰设计是数字电路设计需要考虑的一个非常重要的方面，由于外部因素，内部电路原件之间的相互作用，各种信号都会受到不同程度的干扰，从而影响整个系统的正确稳定运行。随着单片机技术的发展，单片机在汽车电子控制系统、测控系统等得到了广泛的广泛应用，采取的抗干扰措施如隔离、屏蔽、接地以及计算机浮空等抗干扰措施来减小干扰影响。软件抗干扰技术是当系统受干扰后，使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到人们的重视。在实际应用中，软件抗干扰研究的内容主要是：一、采取软件的方法消除模拟输入信号的嗓声(如数字滤波技术)；二、由于干扰而使得程序运行混乱时使程序重入正轨的方法如：指令冗余、软件陷阱、软件“看门狗”技术等。本次设计中主要采取的抗干扰设计就是增加限位电阻、上拉电阻、增加旁路电容等措施以最大限度的减小干扰影响。3.7 本章小结 本章通过对电动车窗防夹电路基本原理框架的建立，完成了电源转换模块、按键模块、电机驱动模块、主控制模块的设计，基本完成了整个电路的硬件设计，为后文的软件设计、仿真测试奠定了基础。 4 软件设计 4.1电动车窗防夹方案实现 汽车电动车窗要准确的实现防夹功能，核心在于防夹逻辑控制，一般需要满足以下两个条件：1) 准确判断是否遇到了障碍物，且要区分是在防夹区域遇到障碍物还是车窗玻璃上升到顶端后的堵转。根据FMVSS118标准，防夹力临界值为100N，车窗上升过程中遇到阻力和车窗上升到最顶端遇到阻力两种情况下电机电流增大的快慢是不一样的，车窗上升过程中遇到阻力情况下要比车窗上升到最顶端情况下电流变化要快。因此可通过求得电流变化的斜率来区分两种情况。当ff阻力时，车窗上升过程中遇到阻力；当0ff阻力时，车窗上升到最顶端。2) 此外，还需要判断车窗是否在防夹区域遇到了障碍物。由于车窗直流电机在正常上升情况下，电流波动较小，上升速度均匀；通过设定到达防夹区域的运行时间T，来判断车窗的位置。但是由于不同的车辆所受影响因素不同，T值不可能很准确。这就需要在设计完成后，通过大量的试验和标定测试，将数次车窗上升至防夹区域的时间T取平均值后储存在EEPROM中，类似于整车标定工作。这样，通过对防夹区域和防夹力值的双重判断，就可以将误差的概率将至最低，从而实现电动车窗的主动防夹功能。4.2系统流程图如图4.1就是系统的简化的流程图，其中的MCU初始化，开关按键信息输入，实时电流监测反馈、电机正反转驱动等功能的实现都是由具体的不同步骤完成，完成程序编写后录入Proteus软件进行仿真，后文进行详细描述。4.3本章小结本章再次阐述了电动车窗的主动防夹功能实现方案，构架出了防夹程序的流程图，利用Keil软件编写好程序。至此阶段，实现防夹功能的设计工作结束，后续将是硬件调试、软件编译、仿真测试及问题排查等工作。图4.1 程序流程简图5硬件调试及软件仿真5.1 硬件检测及调试硬件电路设计完成后，应当印制成相应的PCB板，首先检测PCB板各焊接点是否完好，有无虚焊、漏焊情况，各连线是否有并线等问题。将制作好的电路板接入+12V的直流电源中，观察在电源转换模块设计的发光二级管是否发光，由于此时的单片机芯片还未烧录程序，所以只有通过利用万用表测量各节点的输出电压是否与设计吻合、电流大小是否合理；发光二级管有没有亮，按键开关是否能正常动作、电机正、反转正常等等进行判定。电路硬件检测完成后，利用烧录软件将编译完成的HEX程序烧录进单片机，即可进行相应的实物测试工作。本次设计由于重点内容是软件仿真，所以硬件验证方面将不再多述。5.2 程序编译利用Proteus进行80C51单片机仿真时，程序按C语言程序编码规则编写，定义sbit K1 = P