防夹玻璃升降器工作原理

防夹玻璃升降器工作原理防夹玻璃升降器工作原理 2010 05 14 21 05 41 分类 默认分类 标签 字号大中小 订阅 防夹玻璃升降器工作原理分析 摘要 本文通过对防夹玻璃升降器的电机解析 较详细的阐明了驾驶员侧防夹玻璃升降器的防夹功能的原 理 上死点自复位原理 分析了常见故障的现象 产生原因 排除方法 关键词 防夹玻璃升降机 自复位 非防夹区 1 前言 现代轿车门窗玻璃的升降基本已经抛弃了摇把式的手动升降方式 普遍采用按钮式的电动升降方式 随着 人们对舒适性 安全性要求的提高 原本仅在高档轿车上装配的电动防夹玻璃升降器 也逐渐被更多的中 低档车所采用 成为未来玻璃升降器发展的一种趋势 所谓防夹玻璃升降器 是指当玻璃上升时 如果在上升区域内有人体某部位或物件时会立即反转一段距离 后停止 以防止夹伤乘客 目前 流行的防夹玻璃升降器从防夹功能上分主要有两类 接触式和非接触式 接触式指当电动车窗机构 感触到有异物在玻璃上 才会自动停止玻璃上升工作 非接触是指通过一套光学控制系统来检测有无异物 在电动车窗移动范围内 从而控制玻璃移动 无需异物直接接触到玻璃 这个光学控制系统主要元件是光 学传感器 它由红外线发射器和接收器组成 安装在车窗的内饰件上 能连续精确地扫描指定的区域 防夹玻璃升降器是未来玻璃升降器的发展趋势 因此深入了解防夹玻璃升降器的工作原理 对设计 开发 检测 维修都有重要意义 本文结合新开发的 xx2 号车驾驶员侧防夹玻璃升降器 通过拆解 分析 测试 等手段较详细的阐述了防夹玻璃升降器的工作原理 自复位原理 并以此为依据 结合工作中的实际情况 分析了常见故障的现象 产生原因 排除方法 提出了防夹功能方面的故障排查的一般程序及防夹玻璃升 降器对装配及检验的要求 以避免由于装配操作不当造成的故障 2防夹玻璃升降器工作结构及原理 本文主要以驾驶员侧防夹玻璃升降器为例 对接触式防夹玻璃升降器的结构 防夹原理进行阐述 2 1 防夹玻璃升降器基本结构 防夹玻璃升降器总成分两部分 升降机部分 电机部分 图 1 为玻璃升降器 2 1 1 升降机部分 升降机部分又可分为绳轮式 包含单臂式和双臂式 齿轮臂式 软轴式等 xx 车玻璃升降器的升降机部 分是典型的单臂绳轮式 其主要包含 RAIL CARRIER CABLE GUIDE BRAKET 等 这与一般电动升 降机相似 2 1 2 电机部分 一般电动玻璃升降器结构的关键是电机 内置减速器 其中电机采用可逆性永磁直流电机 电动机内有 两组绕向不同的磁场线圈 通过开关的控制可做正转和反转来实现升降 而防夹电机是在一般电机的基础上 电机中增加传感器 开关控制部分中添加处理元件来实现防夹功能 通常是在电动机中埋植磁环 感应电机转速 在电子模块中埋植霍尔元件 感应电流 并通过电子模块控 制对电动机的过流 过压及过热保护 而且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 防夹电机部分主要包含直流电机 内置减速器 和感应器两部分 一 直流电机 直流电机的质量直接关系到电动玻璃升降器的正常工作 它一定要具有体积小 重量轻 防护等级高 噪声低 电磁干扰小 运行可靠等特点 并要求有良好的耐久性 水密性 耐热 耐腐蚀 耐振动 阻燃 等性能 xx2 号车防夹玻璃升降器电机的基本参数如表 1 所表示 二 感应器 为了保证玻璃升降机具有防夹功能 要求 Power Window Swich 中的 ECU 必须包含两种功能 1 判定玻璃是在防夹区还是非防夹区 2 判定玻璃是否遇到障碍物 如果 ECU 判定玻璃处在非防夹区 并且玻璃遇到障碍物 则 ECU 将发出指令 给电机两端输出反向的 电源 促使电机反转 并在反转一段时间内停止 为了能实现 ECU 的这两种功能 则电机的感应器必须具备以下功能 1 采集并输出玻璃所处区域的信号 2 采集并输出电机转速的脉冲信号 因此一般感应器包含两部分 位置感应器和转速感应器 2 2 防夹功能原理 2 2 1 玻璃所处区域的信号采集 关闭玻璃的过程中 可能遇到障碍物 同时玻璃关闭时最终必然会接触到上侧门框上的玻璃导轨胶条 为 了既能实现防夹功能 又可以最终关闭玻璃 一般的在玻璃上升的区间内即从玻璃的上死点到下死点范围 内划分为两个区间 一 非防夹区 从玻璃上死点到以下某一范围 一般玻璃升降机的非防夹区为玻璃上死点到以下 10mm 左右 该区域内即便玻璃上升时遇到障碍物 电机也不会反转 以保证玻璃遇到上侧门框上的玻璃导轨 胶条时会停止而不是反转 二 防夹区 非防夹区以外的区域 该区域内 玻璃上升时遇到障碍物 电机会反转一段距离后 如 120 150mm 停止 以确保不会夹伤人体的某部位如手 手臂等 同时也起到自保护作用 不会因过载 而损伤电机 三 防夹区和非防夹区的识别及玻璃所处区域信号采集 如图 4 电机旋转 带动 1 拨叉齿轮 又通过 3 从动齿轮带动 2 内齿圈 其传动比位为 36 19 起到减 速的作用 5 调整钢圈为开口的钢丝环 两端伸出 3mm 左右的一段钢丝 调整钢圈套在 2 内齿圈外侧 内齿圈旋转时靠与调整钢圈间的摩擦力带动调整钢圈同步转动 调整钢圈两端伸出钢丝又带动定位环套同 步旋转 定位环套上部有止动块 下部有突出结构 其作用在于当至动块在接触 6 基板限位块前的一段距 离内 11 5 2 5mm 触发常闭状态的限位开关断开 这样就可以采集并输出了玻璃已经上升到非防夹区 内的信号 1 拨叉齿轮 2 内齿圈 3 从动齿轮 4 定位环套 5 调整钢圈 6 基板限位块 7 限位开关 2 2 2 障碍物的信号采集 障碍物及信号采集及输出是通过固化到电机内部的传感器来实现的 电机顺时针旋转 玻璃上升 此时会 在感应器的输出端产生脉冲信号 当玻璃上升过程中遇到障碍物时 电机的转速会变慢 从而改变了感应 器输出的脉冲信号 ECU 对脉冲信号判断 如果脉冲信号的频率 f 满足以下条件 则 ECU 判定玻璃遇到障碍物 2 2 3 上死点的自修正 当升降机与电机装配成玻璃升降器时会预先设定一个上死点称为假上死点 假上死点通常设定在与车门装 配的实际上死点的下方某一位置 如图 6 所示 如果假上死点在实际上死点的下方 则在玻璃升降器与车 门装配后 通过玻璃升降器作动 假上死点会自动调整到实际上死点的位置 其原理如下 如图 3 所表示首先电机顺时针作动 玻璃上升 同时 4 定位环套转动 当玻璃进入非防夹区 距离假上 死点下方 10mm 左右 定位环套下部的突出结构会触发常闭状态的限位开关 使之断开 电机继续作动 较短的时间后 定位环套上部的止动块会接触到基座 此时 玻璃上升到假上死点 由于初始设定的假上 死点位于实际上死点下方 故 虽然玻璃上升到假上死点 但距离上方的玻璃导轨胶条还存在一定距离 因此玻璃会继续上升 由于定位环套的止动块已经接触到基座 无法继续转动 而内齿圈在电机的带动下 与调整钢圈发生相对滑动 直至玻璃上升到上方的玻璃导轨胶条而停止 这样装配后的玻璃上死点与电机 的定位环套的止动块的位置实现了一致 3 常见故障分析及故障排查的一般程序 3 1 假上死点上偏移的故障现象及修正 所谓假上死点上偏移式指防夹玻璃升降器在安装到门上以前的假上死点高于实际的玻璃上死点的现象 由 于防夹电机与升夹机组装不当或者在玻璃升降器安装到门上以前对电机通电操作都可能发生假上死点上偏 移的问题 假上死点上偏移可分为两种情况 一是假上死点上偏移量较大 实际上死点处于电机设定防夹区内 二是 假上死点上偏移量较小 实际上死点仍处于电机设定非防夹区内 第一种情况下 玻璃升降器与车门装配后 使用 AUTO 档连续升起玻璃 玻璃将无法关闭 在接触到上 方的玻璃导轨胶条后会自动反转一段距离 100mm 左右 后停止 造成以上故障的原因在于实际的上死点在防夹区内 玻璃接触到上方的玻璃导轨胶条后 限位开关没有被 触发 依就处于导通状态 因此电机接触到玻璃导轨胶条后由于速度减慢导致输出的脉冲信号发生变化 ECU 在同时到接受限位开关导通和脉冲信号变化的信号后 将发出指令使电机端子电源电极互换而反转 对于以上故障 可以通过调节复为开关 如图 7 所示 来消除 具体操作如下 1 利用 Power Window Swich 按钮的寸动档按闭和玻璃 2 按住复位开关后 再使玻璃降下 重复 1 2 步骤 1 到 3 次 可以实现电机设定的假上死点与实际上死点的重合 其原理也是通过利用了调整钢圈与定位环套的相对滑动类实现的 首先利用寸动的操作闭合玻璃 此时定位环套的止动块与基板的限位块的距离最短 设其相对转角为 此时按下后面的复位开关在降下玻璃时 定位环套及调整钢圈在复位开关的作用下不再随内齿圈转动 即 调整钢圈与内齿圈发生相对转动 如此反复几次 会导致定位环套与内齿圈的相对滑动的转角 即造成在玻璃接触到导轨胶条前 定位环套的止动块就已经到达基板的限位块位置 这样电机继续转动直 到玻璃接触到导轨胶条停止 从而实现了玻璃的上死点与定位环套的止动块的一致 第二种情况 玻璃升降器装配后仍可以正常作动 不影响正常使用 仅仅是实际的非防夹区缩小了 但值 得一提的是当玻璃导轨胶条逐步老化 弹性降低 玻璃的上死点位置将逐步下降 可能会使玻璃的上死点 位置从非防夹区跃入防夹区 导致玻璃无法关闭 第二种情况在初期不易察觉 由于不影响正常使用 可 以在发生无法关闭玻璃时 通过调节复位开关来修正 3 2 限位开关不良的故障分析 升降玻璃每升夹器一次 限位开关作动两次 因此如果限位开关的耐久性能不良 设计寿命偏低 将直接 影响玻璃升降器的防夹功能 正常情况下限位开关是常闭开关 只有玻璃进入非防夹区后 限位开关才会断开 如果限位开关失效 限 位开关断开可能会一直断开 ECU 将所有区域当作非防夹区处理 这样无论玻璃在防夹区还是不防夹区 遇到障碍物都不会反转 相反 如果限位开关一直导通 ECU 将所有区域当作防夹区处理 这将发生玻 璃无法正常关闭的故障 限位开关能否正常工作 可以通过测量图 3 中 e 与 f 端子间的通断情况来判定 如果限位开关失效一般只能通过更换电机或相关零件来消除故障 电动防夹车窗的原理电动防夹车窗的原理 为了增加汽车的舒适性 很多汽车都安装了电动车窗 司机按下按钮就可以控制门窗玻璃 的升降 非常方便 但是车窗没有智能 如果司机没有注意成员的手或物体伸出窗口 就 容易被上升的玻璃夹伤 为了安全起见 现在很多乘用车都采用了电动防夹车窗 Anti Pinch WindowLifter APWL 欧洲和美国已先后立法 确定了 APWL 为汽车的标准配置 以提升行车安全和人性化程度 我国政府对 APWL 的立法也在研讨过程中 现有的 APWL 都 是在玻璃升降器的电机上安装了霍尔元件来感应电机是否受到了阻力 或者安装了其他的 光学类的传感器 这种电动车窗需要在现有的普通玻璃升降器安装额外的传感器 在本文 中介绍了一种在现有的无传感器电动车窗的基础上就能实现车窗防夹功能的车窗控制模块 1 电动防夹车窗的原理 在本系统中设计的电动防夹车窗由电动玻璃升降器和车窗控制模块组成 电动玻璃升降器由升降机部分和电机部分组成 升降机部分一般采用绳轮式 齿轮臂 式或是软轴式 电动玻璃升降器的关键是电机部分 一般都采用内置减速器的可逆性永磁 直流电机 电机内有磁场线圈 通过控制加在线圈上的电压的方向就可以控制电机的正转 和反转 就可以实现车窗玻璃的上升和下降 在基础车型的电动车窗控制电路中 控制车窗电机采用的是开关和继电器 比较容易 发生粘连等问题 而在本系统中采用智能功率驱动器件控制车窗电机 通过控制加在直流 电机上的电压方向来控制电机的转动方向 升降器电机通过的电流的变化完全反映玻璃上 升或下降过程中遇到的阻力变换情况 通过采样玻璃升降器电机通过的电流 监测电流就 可以监测玻璃升降过程中阻力的变化情况从而执行相应的操作 智能功率驱动器件可以实 现对电机的过流 过压及过热保护 而且通过监测电流自动识别玻璃上升途中遇到障碍的 状况 进而进行反转 防止夹伤 控制模块可以实现的功能 1 点按车门控制键 按键时间小于 300 ms 车窗自动上升到顶或下降到底 点按同 一开关任意键 车窗停止上升或下降 2 延时按控窗键 按键时间大于 300 ms 车窗上升或下降 上升或下降过程中释放 按键车窗即停 3 车窗运行到顶位或底位时自动停止 车窗电机断电 4 车窗玻璃在自动上升的过程中如果遇到一定的阻力会自动停下来 下降一段距离 能有效地防止人或物品的意外夹伤 2 车窗控制模块的硬件设计原理 通过对电动玻璃升降器国家标准的分析 电动车窗控制模块的控制对象就是一个供电 电压 11 15 V 工作电流不大于 15 A 堵转电流不大于 28 A 的永磁直流电机 车门控制 模块的电路主要由以下几部分组成 电源电路 微控制器部分 电动车窗驱动电路 总线 接口电路等 其中微控制器采用单片机 PIC18F2480 该单片机片内集成了 A D PWM CAN 控制器 URAT SPI 等很多非常实用的功能 采用单片机 PIC18F2480 控制功率器件的开关动作 同 时对系统状态进行实时监控 接收故障反馈信号 并通过车载网络实现与中央车身控制器 及其他车门控制器的故障信息和按键控制信息的交换 从而及时在用户界面上显示故障内 容并对车门进行实时控制 确保了行车安全 2 1 电机驱动电路的设计 车窗电机主要由飞思卡尔的智能功率模块 MC33486 外加两个 MOSFET 组成一个 H 桥来驱 动实现电机的双方向控制 两个 MOSFET 的内阻 温升 电压都和 MC33486 相匹配 在本设 计中采用 STB55NF06T4 D2PAK 封装 其正常输出连续电流最大达到为 10 A 最大峰值电 流可达 35 A 直流输入电压范围较宽 达 8 28 V 当电压高于 28 V 时具有过压保护功能 对高端及低端均能过流保护 斩波控制下频率可达 30 kHz 对检测到的高端输出电流具有 镜像特点 这些器件已提供了完善的故障检测及保护功能 因而避免了采用过多的分立元 件 大大减小了模块体积 并提高了模块的 EMC 电磁兼容 特性 2 2 电流采样电路的设计 防夹功能主要通过监测玻璃升降器电机的电流变化来实现 飞思卡尔的功率芯片 MC33486 有负载电流的线性复制功能 CurR 输出和负载电流成比 例的电流 其中 ILoad 为玻璃升降器的电机电流 这个电流通过采样电阻 R7 和限流电阻 R8 把电流转化为电压输入到单片机 ADC 的采样 端 输入到单片机端的电压为 电压进行 A D 转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流 因此 监测输入到单片 机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流 车窗上升过程 下降过程 上升过程 中遇到阻力时经过电机的电流都呈规律性的变化 而这些电流变化都通过电流采样实时地 反映到单片机中 3 车窗控制模块的软件设计 3 1 车窗的启动和停止 启动是指直流电动机由静止达到稳定转速的过程 若直接启动 即直接合闸 给电动 机加上 U 额 则启动电流 Ia U 0 Ra U Ra 很大 会带来强烈的火花现象 电流正比于 转矩 过大的转矩带来很大的冲击 电压波动影响供电的稳定性 在本系统设计的时候 电机启动采取 PWM 的方式进行 采用 2 kHz 的频率 分为 10 段 占空比从 0 逐步上升到 100 每段 10 个脉冲 共 5 ms 10 段启动时间一共 50 ms 在实验中证实 采取这种启 动方式 启动比较平稳 启动快速性较好 在车窗启动的这段时间里 电机的电流变化比 较大 无法通过监测电流的变化来实现防夹功能 同时这段时间很短 因此在启动的这段 时间内应避免实现防夹功能 而在停止的时候 不是监测到电机堵转才停止 而是监测到电机的电流超过了其正常 工作电流的一定幅度就停止电机 在本系统实验中 这个界限电流定义为 11 A 电机的电 流呈现逐步增大的趋势 连续变化 下降过程电机电流的变化见图 4 所示 电流呈现逐步 下降的趋势 连续变化 3 2 防夹算法的实现 为了实现电动玻璃的防夹功能 设计研制的车窗控制模块必须包括两种功能 1 必须能够判断是否遇到障碍物 2 判断遇到障碍后必须能够判断玻璃是在上升还是已经上升到顶部 如果车窗控制模块判断玻璃在上升过程中遇到障碍物 则控制模块发出指令 电机反 转 车窗下降一段距离后停止 如果车窗控制模块判断玻璃已经上升到最顶端 则控制模 块发出指令令电机停止 车窗关闭 车窗上升到顶部和车窗上升过程中遇到阻力直流电机的电流变化情况 在上升到最顶部和上升过程中遇到阻力两种情况下 电机的电流都从正常工作电流急剧增 大 因此可以通过监测电机的电流幅值来判断是否遇到障碍 但是电机的瞬时电流变化可 能会出现峰值 因此幅值必须是一段时间内的电流平均值 当电流平均值 A A 障碍 A 正 常 仅仅通过幅值这一个判据无法区分车窗遇到障碍是在上升过程还是到了最顶端 通过 对比图 3 图 5 发现 在车窗上升过程中遇到阻力和车窗上升到最顶端两种情况下电机电 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 电流变大要快 因此可以通过求得电流变化的斜率来区分两种情况 当 f f 阻力时 车窗 上升过程中遇到阻力 当 0 此外 还可以增加一个辅助的判据来区分车窗遇到障碍是在上升过程还是到了最顶端 从车窗开始运行在车窗上升过程中遇到阻力和车窗上升到最顶端两种情况下 牟窗的运行 时间是不一样的 当 T T 顶端时 车窗上升到最顶端 当 T T 顶端时 车窗上升过程中遇 到阻力 但是相同车型的不同车窗 由于安装的不能完全相同 因此 T 顶端会有细微的差 别 可以通过实验测出一个初始 T 顶端 把每次车窗上升到最顶端的时间记录下来 存储 到 E2PROM 中 这些数据作为调整 T 顶端的依据 这样参数 T 顶端具有了自适应性 这样通过三组判据来判断区分两种情况 当 A A 障碍 f f 阻力 T T 顶 端 时 车窗上升过程中遇到阻力 当 A A 障碍 0T 顶端 时 车窗上升到最顶端 采用三组判据增加了判断的准确性 降低了误判率 采用这三种判据 在实车实验中良好 地实现了电动车窗的防夹功能 在上升过程中遇到阻力车窗则下降一段 4 结 语 PTC 单片机 PIC18F2480 片内集成了很多功能 支持 CAN 通信和串行通信 可以在线编 程 智能功率驱动器 MC33486 不但具有宽范围电压输入 大容量 而且还有电流镜像功能 这两种元器件结合起来 通过监测车窗电机的电流来监测车窗遇到的障碍情况 在现有的 不具有防夹功能的电动车窗的基础上 不需要添加任何传感器 很容易就可以实现电动车 窗的防夹功能 这个功能的实现是很简单的 在车窗电动机的回路上串联一个双金属片开关 电动机通电后运转 而当车窗遇到障碍而 无法上升后 电动机也就不能运转了 这时就造成了电动机回路上的电流升高 电流升高 就使双金属片开关受热膨胀 开关膨胀后就切断了电流 没有了电流 电动机也就不能运 转了 从而实现了防夹手的功能 电