电动车窗防夹系统电流纹波算法研究

王凡

（同济大学汽车学院 上海市 200092）

1 前言

电动车窗功能使驾驶员和乘客的操作变得方便，但是车窗的上升速度较快，在上升过程中推力较大，这在一定程度上存在安全隐患容易造成乘客受伤。研究表明[1]，车窗在向上移动过程中，其向上推动的防夹力可高达350N。这意味着若出现夹持事件，只有约8mm 厚的薄玻璃将高达35kg 的重量压到人或者动物的肢体上，这将对被夹持的人或动物造成极大的伤害，造成窒息性伤害只需要98N 的防夹力。因此没有防夹保护的车窗，当向上移动时将会非常危险。

为了避免意外的发生，在国际上特别是欧美发达国家，已经制定了相应的法律法规，如欧洲的74/60/EEC，美国的FMVSS118。对于车窗防夹系统的性能要求做出了明确规定，车窗防夹已成为强制性的汽车标准配置，为车辆的安全性、可靠性等人性化要求保驾护航。我国在2009年也颁布了国家标准GB11552-2009 规范，对车窗防夹系统的作了强制且详细的技术要求。

电动车窗防夹方案虽然各式各样，本质上都是分析电机反馈的转速或者电流信号为车窗状态信息的来源，以此来确定车窗的位置和受力来实现防夹。现有的防夹方法大概可以分为，以霍尔传感器为研究对象的方法，和研究电机电流的方法。接下来重点讨论本文的电流纹波算法。

2 纹波防夹算法介绍

电机与蜗轮蜗杆减速器相连，通过减速器将高转速转换为低转速和高转矩。这种转矩通过卷扬轮转化为钢索的牵引力，然后使车窗作上下的直线运动。同理，该作用力也反向作用于电机。当车窗遇到障碍物时，将在钢索中产生反作用力。这种力将通过卷扬轮转化为转矩。这个转矩会给升降电机带来额外的负载，从而导致电机转速降低。那么测量电机转矩会得到与测量车窗的运行的力相同的结果。当然，这个计算过程需要乘以常数，该常数来自机械常数值和传动系数。

对于防夹保护来讲，测量转矩最主要的方法是测量电机电流或转速。只要环境条件不变（电源电压、温度…），二者都是线性相关的。无论是测量转速还是测量电机电流，都能反映实际防夹力的信息。在众多防夹方案中，电流纹波防夹方案在市场上越来越获得认可。电流纹波防夹功能的实施，算法层面主要解决两个问题[2]，一是障碍物的防夹力，二是车窗在上升过程中的位置。研究表明，电机在运行时候会有交流电叠加在直流电上，通俗讲就是纹波。电机旋转一周存在固定数量的纹波电流，根据电流纹波数量来确定车窗位置。正常上升过程中，电流平稳且远小于启动时的涌入电流以及堵转电流，在车窗遇到障碍物时电流会明显上升。因此通过分析电流大小变化，可以判断车窗是否有障碍物。

电流纹波防夹算法需要根据电流值来获取车窗电机转矩的大小。电机电流值是不能直接测量，对电机在上升过程中的工作电流进行采样，需要通过分流器(shunt)，也就是串联阻值较小的采样电阻（如2mΩ）是将电流信号转化为电压信号，通过ADC 采样后运算放大和耦合电容来滤波去掉直流电流部分，滤波后的电压信号传递给控制器。在控制器中已经存储了电压大小与防夹力大小的对应值，经过标定之后与获取的电压值信号对比来判断车窗在上升过程中是否遇到障碍物。

图1：电流检测模块系统

图2：动态滤波器的框图

图3：电流纹波信号调理图

电机转矩T=C*φ*I，其中C 是电机常数，φ 是每极磁通量，I是电枢电流。通过此公式可以看出，电机的转矩与磁通量和电流成正比。而一般磁通量是定值，也即是电机转矩与电枢电流成正比。当车窗遇到障碍物时，车窗电机转矩增大电流也会增大。因此通过分析车窗电机电流来判断车窗是否产生防夹。

图4：电流纹波方案模型

图5：电流纹波方案仿真

在电流防夹算法中，除了需要获取电流大小，还需要检测车窗位置来判断车窗是否处于防夹区域内。利用带刷永磁电机换向时产生的电流脉冲来计数判断车窗位置。电机电刷每次换向都会产生一个波动[3-4]，电流纹波信号经过调理可以转化为方波信号从而计算出电机转速。电流纹波频率与电机转速成正比，通过分析电机纹波来获取转速信息。当然，电机转速通常约为70 至80rpm，但是实际上此值是通过蜗轮蜗杆减速器减速而来，内部转子速度要高得多。也就是说电机转速需要转换为转子速度然后再计算纹波频率。

车窗电机电流检测模块如图1 和图2。系统使用的是常规固定增益电机电流检测方法，感测电流元件是分流电阻。这种放大器电路的优点是硬件组件的复杂度低且控制算法成熟。由于有最小振幅的限制，需要根据最大电流来确定最大量程。虽然具有多个自动增益控制的系统可以区分小纹波，但需要更多的硬件组件以及控制算法来保持系统的稳定并在需要时启用/禁用它。运算放大器低通有源滤波器模拟滤波的目的，一是成为ADC 级的抗混叠滤波器(Antialiasing Filter)，第二可消除PWM 电机电流波形产生的开关噪声，第三是去除来自电流信号的高频噪声。

数字滤波，ADC 采样电流后将再次滤波。但这一次的滤波过程是通过带通滤波器进行的，主要频率根据电机速度进行调整。滤波器的带宽频率通过两次标定来确定。每个低通滤波器均以一阶实现无限脉冲响应（IIR）滤波器。

采集的电流信号首先经过模拟滤波，然后进一步通过数字滤波去除采集信号中的直流电信号。如图3 电流纹波信号经过调理，转化为与霍尔脉冲信号相似的方波信号。

3 电流纹波算法建模和仿真

电流纹波方案模型如图4，获取车窗上升和下降过程中的电流和电压信号，通过自适应滤波器进行数字滤波后估计出车窗运行速度[5]。防夹探测算法模块检测车窗启动，平稳运行和制动阶段的电流，并且输出纹波脉冲。纹波补偿和修正模块进行纹波进一步处理，比如补偿缺失的纹波，双纹波或者多纹波信号取舍。

根据电流纹波方案模型进行仿真的结果如图5，在车窗向上运动整个过程，从下往上包括，电机运行电流信号，霍尔脉冲信号，补偿纹波信号，纹波脉冲信号。仿真结果表明，研究的电流纹波方案能够有效地实现防夹功能。

4 结束语

随着汽车工业的不断发展，汽车电子配备率越来越高，车窗系统是汽车的主要组成部分之一，现今电动车窗防夹系统已经成为汽车的标配，成了消费者购买汽车产品的因素之一。很多消费者认识到电动车窗防夹系统对于车辆安全的重要性，因此本文针对电动车窗防夹的电流纹波方案进行了研究。基于防夹需要解决的核心问题，即确定车窗位置和防夹力大小进行讨论，电流纹波方案主要分析电机电流，在运行过程中每旋转一周电流会产生固定数量的纹波，根据纹波数量确定车窗行程的位置。正常上升过程中，电流平稳且远小于启动时的涌入电流以及堵转电流，在车窗遇到障碍物时电流会明显上升。因此通过分析电流大小变化，可以判断车窗是否有障碍物。获取的电流值经过模拟滤波和数字滤波获取需要的电流信号。通过建模仿真指出电流纹波方案的能够有效的进行防夹。