汽车电动车窗无传感器防夹系统的研究.doc

图 1 车窗正常上升时电流波形图 2 车窗上升过程中遇到障碍时电流波形Figure2 The current waveform when the window encounters obstacles during upThe research about Sensor-less Anti-pinch System for Automotive Electric Window(贵州大学) 邱 云 峰王 义 尹 杰QIU Yun-feng WANG Yi YIN Jie摘 要: 为 了能够有效地解决电动车窗存在的安全隐患 , 现在很多汽车都采用了电动车窗防夹系统 。 本文在车窗控制模块基础 上 , 加 入 防 夹 电 路 。 通 过 PIC18F258 微控制器对车窗电机电流进行采样和处理 , 采用结合电流 幅值法和电流积分法的方法来 判断车窗是否遇到障碍物 , 从而实现防夹功能 。通过多次实验证明本文中设计的无传感器防夹系统防夹效果良好 。关 键 词: 车 窗 防 夹; CAN 总 线 技 术; PIC18F258; 无 传 感 器; 电 动 车 窗中 图 分 类 号: TP273文 献 标 识 码: AAbstract: In order to effectively reduce the hidden trouble of electric window on automobile , many cars now use the electric win-dows anti -pinch systems . It adds anti -pinch circuit based on the window control module .PIC18F258 microcontroller samples and process the current of electric window motor .The method of combining current amplitude and current integral method is used to de- termine whether the window encounter obstacles, to achieve anti -pinch function. Through several experiments, it shows that the sen- sor-less anti-pinch system has good effects.Key words: Anti-pinch; CAN Bus; PIC18F258; Without Sensor; Automotive Electric Window技术 创新波形), 可以看出电机在启动时有一个瞬间的冲击电流大约为9.5A,之后电机电流缓慢上升,但幅度不大,此时车窗平稳上升。当车窗到顶以后,产生了一个约为 10A 的堵转电流。前 言现代汽车中越来越多电子设备的应用 ,一方面提高了汽车 的舒适性 ,但同时也对汽车的安全性提出了新的要求,例如汽 车的电动车窗。能够自动升降的电动车窗给操作带来方便的同 时也存在安全隐患,车窗在自动上升会存在夹到人手臂的危险。 因而必须采取一定的防夹措施来提高电动车窗的安全性。本文 中所描述的电动车窗防夹系统在不影响车辆舒适性和电动车 窗正常工作前提下,能够有效地解决电动车窗存在的安全隐患。车 窗 电 机 的 电 流 特 性1车窗电机电压和电流有如下关系:Figure1 The current waveform when the window normally rises图 2 为车窗上升过程中遇到障碍时的电流变化情况(40m?采样电阻的两端电压波形),可以从中看出车窗遇到障碍时电机 电流会增大(图 3 中 A、B、C 三点间对应的电流曲线),当障碍力 增大时,电机电流也相应增大。(图 3 中 C 点所加的阻碍力大于 B 点所加的力)(1)其中 R 为电机等效电阻,L 为电机等效电感,I(S)为电机电流 拉普拉斯变换量,U(S)为电机电压拉普拉斯变换量,f 为电机转动 中的阻力和摩擦力,J 为转动惯量,S 为拉普拉斯算子,K1 为电机 反电动势系数,K2 为电机转矩系数。由于电动机两端电压,转动 惯量 J,等效电感 L,电阻以及 K1,K2 对于一个确定的电机系统 可以视为不变。所以当阻力 f 增大时,关系式要维持成立,I(S)必 随之增大。即当车窗在上升过程中遇到障碍物时 ,导致阻力增 大 ,从而电机转速变小,电流随之增大。因此可以通过采样电机 电流,来间接的确定电机所受阻力大小由于电动车窗的防夹功能只在车窗自动上升的过程中启 动,因此只需研究车窗上升过程中电机电流特性。下图 1 所示为车窗正常上升时的电流变化情况 (40m 采样电阻两端的电压邱 云 峰: 硕 士 研 究 生基 金 项 目 : 基 金 申 请 人 : 王 义 ; 项 目 名 称 : 基 于 CAN 总 线 技 术大的堵转电流,堵转电流要大于启动电流; RY1C 和 RY2C 接车窗电机两端,RS 为采样电阻,TR1 和 TR2 为(3) 车窗遇到人为阻力时,电流会变大,并且与所遇到的阻驱动三极管, 微控制器为自带 AD 转换功能的 PIC18F258。力成正比例关系,过程的持续时间的长短有所变化。PIC18F258 单片机带有 10 位,8 个通道的模数转换模块, 并且 由此可见,车窗电机电流的大小能够反映其运动状况。可以AD 转换时间可编程控制,采样精度高。微控制器 PIC18F258 通 作为判断车窗是否堵转、遇堵的主要依据。过其 AN0 引脚采样电阻 RS 两端电压, 经过 AD 转换成数字信 号(AD 转换参考电压为 5V)。此采样信号被处理后与防夹阀值2 无 传 感 器 防 夹 技 术 进行比较, 来判断车窗是否遇到障碍物。PIC18F258 的 RA1、现在应用比较广泛的无传感器防夹措施主要采用波纹技RA2 引脚输出控制信号来控制继电器动作。术,但由于波纹技术对车窗电机和供电直流电源要求十分严格,并且用软件实现比较困难。通过对电机工作电流的分析可知,电 机工作电流与输出转矩成正比, 电机电流值完全能够真实反映 出电机的受力情况, 可以作为判断车窗是否遇到障碍和到顶遇堵的主要依据。目前利用电机电流幅值实现车窗防夹的方法主要有幅值法、斜率法、积分法。从图 2 可以看出在正常情况下, 电机的电流值除开始和结 束外,电流幅值的变化都小于遇到障碍物时的电流变化(A、B、C 三点电流变化)。如果把 B 电流作为防夹电流的阀值 IB,车窗到 顶的堵转电流 Imax 为最大工作电流值, 只要把电机工作时的电 流值 I 与 IB,Imax 比较,当 ImaxIIB 时判断遇到障碍。为了避开电机 启动时的瞬间脉冲,电流采样应在电机启动 20ms 后开始。这种通过比较电流幅值判断是否遇到障碍物的方法,准确率很低,故 图 3 无传感器防夹的硬件电路不易采用。 Figure 3 The hardware circuit of anti-pinch system without sensor斜率法是把电流的变化率作为判断依据的, 电机电流在到 顶遇堵时的变化率最大,受阻时的电流变化率次之,正常运转时4 基 于 积 分 法 的 防 夹 软 件 设 计的最小。假设电机到顶遇堵时电流变化率为 Kmax,受阻时阀值为 为了更容软件编程实现,对积分法做如下改进:Kobt, 如果当前两点间的电流变化率 , 大于 Kobt 小于 (1)假设 T 时间间隔内电流值被采样 次,并且要求电Kmax,就可以判断车窗遇到障碍物。电流斜率法编程简单,能够实 机电流的采样时间小于t现车窗防夹功能, 克服了电流幅值法的一些弊端, 误判次数减 (2)电流曲线与该矩形框的底边和两条高所围成的面积:少。但由于两点间的时间间隔(t 很难确定,太大太小都会直接影 (2)响斜率值,另外受到电流幅值不稳定性和采样的误差,使得斜率法也存在较大误判概率。 式中,Im 为在 Tm 时刻的电流采样值,Imin 为 n 个采样点中电为了减少误判,提高算法的稳定性与可靠性,对上述的两种流最小值。 方法进行改进,提出了积分法。积分法就是在一段固定的时间 T在车窗电机工作电压 1214V, 采样电阻为 20m 的条件 内求出电流曲线的面积 S,利用该面积 S 作为判断依据的方法。下。通过多次实验确定车窗到顶遇堵电机最大电流为 Imax=43,防夹电流阀值为 Iobst=27,防夹积分面积阀值 Sobst=116(以上电 在图 2 中 B 点的矩形框的底边方程为 I0=MinI(t) (t0tImax,SSobst 同时成立时,才判断车窗玻璃夹到物体。如果其 中任何一个等式不成立,则重新扫描判断。当判断出车窗夹到物 体时,电机会立即停止,然后反转 200ms 后停下使玻璃下降一段 距离。每完成一次 AD 转换产生中断,进入中断服务程序。中断 服务程序首先是将队列 table 的值向左移动一位,后将采样得到 的新电流值赋给 table0,然后通过逐个比较的方法找出队列中 最小的电流值 Imin,最后根据队列值计算积分面积 S。AD 转换、 中断处理的总时间为约为t。(Guizhou University College of Science Guiyang 550025,China) QIU Yun-feng WANG Yi YIN Jie通 讯 地 址 :(550025 贵 州 省 贵 阳 市 花 溪 区 贵 州 大 学 理 学 院 电 路 与 系 统) 邱 云 峰(收稿日期:2010.06.21)(修稿日期:2010.09.21)(上接第 122 页)一 个 相 对 比 较 稳 定 有 效 的 管 理 系 统 设 计 模 型 , 它 有 效 的 将 诸 多 现 代 科 学 管 理 方 法 和 手 段 有 机 的 集 成 , 实 现 企 业 内 财 务 人 员 资 金 、财 务 信 息 等 的 综 合 优 化 ,提 高 管 理 者 的 决 策 能 力 ,确 保 财 务工 作 能 够 高 速 有 效 的 运 转 。该 系 统 已 经 成 功 实 施 运 行 , 通 过 该 系 统 实 现 了 用 户 上 网 报 销 、 审 批; 财 务 管 理 人 员 及 生 产 部 门 可 以 实 时 查 询 预 算 执 行 情 况 ;系 统 实 现 了 预 算 超 支 预 警 功 能 ,使 得 财 务 预 算 的 效 率 和 准 确 性 大 大 提 高 。 随 着 企 业 信 息 化 程 度 的 不 断 发 展 , 财 务 预 算 管 理 系 统 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。本 文 作 者 创 新 点 : 通 过 对 预 算 管 理 的 实 施 与 应 用 , 将 实 现 企 业 基 于 企 业 组 织 架 构 , 建 立 预 算 管 理 体 系 , 系 统 可 以 协 助 建总 结5本文介绍的车窗防夹措施是无传感器的, 采用幅值法和积分法双重判断的方法,从一定程度上减少了误判次数,大大的提 高了可靠性,有效地避免了夹人体事故的发生,具有实际的应用价值。另外本文出现的一些防夹参数是针对一特定型号车窗的,对于不同的型号的车窗还要通过实验来确定不同的防夹参数。为了更进一步提高可靠性, 在此防夹措施中还应该加入自适应 功能。本文创新点:本文分析了车窗电机工作电流特性,多次实验 与分析得到了防夹阀值。通过软件方式实现了结合电流幅值法和电流积分法的无传感器防夹。作 者 对 本 文 版 权 全 权 负 责 ,无 抄 袭 。 参考文献 1马伟泽,张申科,汪宏杰.采用霍尔传感器的汽车电动车窗防夹 设计J.汽车工程,2008(12)2解友华,殷承良,舒 杰. LIN 总线在电动车窗系统控制中的应 用J.微计算机信息,2008 24 卷 2-2 期:223-2243Hye-Jin Lee,Tae-Sung Yoon.Won-Sang Ra,Jin-Bae Park.Practical pinch detection algorithm for low -cost anti -pinch window control system J. Proceedings of the IEEE International Confer ence on Industrial Technology, 2005: 995-1000 4马伟泽,孟德东.汽车防夹车窗防夹技术的探讨J.天津汽车,2008(10):44-455刘广敏,王知学,马建辉. 无传感器电动车窗防夹控制模块的 研制J.现代电子技术,2007(23):198-2006王华平.基于低速 CAN 总线的电动车车门控制系统的研制J.天津工业大学硕士论文,2004(12):19-21 7刘晓明,邵亚辉,吴浩威,仲元红.无传感器汽车车窗防夹设计J.微电机 2007(4):48-498Daiqiang Wang, Shiyou Gao, Yuqing Chen,Yi Wang, Qiao Liu. Intelligent Control System Based on CAN -bus For Car Doors and WindowsJProceedings of the 3rd international conference on An ti-Counterfeiting, security, and identification in communication, IEEE Press Piscataway, 2009: 242-245作 者 简 介 :邱云峰(1985),男(汉),湖北荆州人,贵州大学硕士研 究生.研究方向:电路与系统; 王义(1957),男(汉),贵州贵阳人,贵 州大学教授,博士,硕士生导师.研究方向:自动控制; 尹杰(1984),女(汉),吉林长春人,贵州大学硕士研究生.研究方向:EDA.Biography:QIU Yun - Feng(1985 - ), male (Chinese),HuiBei province, Master, Guizhou University. Research area: Circuits技术 创新立 与 企 业 的 管 理 模 式 相 应 的 预 算 管 理 模 式 ,通 过 信 息 平 台 保证 预 算 数 据 在 企 业 上 下 实 时 高 效 地 传 递 。 系 统 提 供 自 动 计算 、 自 动 汇 总 、 自 动 分 解 等 功 能 , 使 得 过 去 通 过 手 工 操 作 来 完 成 的 工 作 全 部 自 动 化 , 因 而 在 预 算 流 程 不 变 的 情 况 下 , 也 大 大 缩 短 了 编 制 周 期 。作 者 对 本 文 版 权 全 权 负 责 ,无 抄 袭 。参考文献1刘生福,樊持杰等.工作流系统中角色管理的 O/R Mapping 策 略研究J.微计算机信息.2010,3-3:213-2152 刁成嘉编著. UML 系统建模与分析设计课程设计. 机械工业出版社, 2008.3 牛丽平等编著. UML 面向对象设计与分析基础教程. 清华大 学出版社, 2007.4Robin A. Reynolds-Haertle 原著; 李宗鸿译. OOP 程试设计之论 使用 Visual Basic.NET 及 C#.NET. 文魁资讯股份有限公司,2003.5 任泰明编著. 基于 B/S 结构的软件开发技术. 西安电子科技 大学出版社, 2006.10.作 者 简 介 :汪 灏 (1985-),男 ,硕 士 生 ,主 要 研 究 领 域 :计 算 机 网 络 、数 据 库 与 知 识 库 、信 息 检 索 。Biography:WANG Hao (1985 - male, University of Shanghai for Science and Technology, Master, Computer Science,networks, database & Knowledge base & Informat