浅析纹波防夹技术现状研究与应用

杨建辉，刘险峰，邢俊峰

(重庆长安汽车股份有限公司，重庆 401120)

0 引言

随着科技的发展，越来越多的新技术应用在汽车上，汽车玻璃升降器已经从手摇式发展到自动升降，而且还带有更多智能化元素。传统车窗开闭的方式，在行车过程中需要手脱离方向盘去摇车窗手柄或者用手去按车窗开关，存在一定安全隐患。用户购车时对便捷、舒适、安全重点关注，国内外每年都有因被电动车窗夹伤而就医地事故发生，其中大部分是儿童。因此，车窗的防夹功能对用户非常有吸引力，已成为汽车厂家宣传的卖点。

1 各国防夹的标准

车窗防夹因为设计的安全性得到消费者的认可，目前在欧盟和美国对于车窗防夹已经建立了强制性标准，车辆没有配置车窗防夹功能的话，在这些地方是无法销售的。各国在车窗防夹领域的要求和测试方法大同小异，国标GB11552也对车窗防夹功能的测试方法作出了严格的要求(见表1)。

表1 各国防夹的标准

2 霍尔防夹与纹波防夹对比分析

传统的霍尔防夹在国内应用了多年，霍尔防夹的方案需要在电机上安装磁环，磁环随电机转动，并经过霍尔传感器产生方波信号，通过方波个数来反映车窗的位置，遇到障碍物时电机转速变慢，对应方波信号周期变大[1]，据此进行是否触发防夹的判断。由于霍尔防夹模块的电机上带有防夹模块、磁环和霍尔传感器，导致硬件成本偏高,霍尔防夹原理如图1所示。

图1 霍尔防夹原理

纹波防夹是摇窗电机领域发展和防夹算法不断完善的产物，基于其可靠的性能和较低的成本，越来越多的汽车制造商选择使用纹波防夹技术替代传统霍尔防夹。纹波防夹的原理是通过采样电阻将电机驱动端运行电流转换为电压信号，并进行放大处理，放大后的信号分成两路，一路直接被MCU采集，作为防夹及堵转判断依据；另一路是与位置对应的方波信号，通过MCU记录方波脉冲个数便得到车窗位置信息，从而实现门窗位置记录及防夹检测功能(图2)。两种防夹原理对比见表2。

图 2 车窗纹波防夹控制器结构

表2 霍尔防夹与纹波防夹原理对比

3 电机纹波产生的原理

电机纹波产生的原理如图3所示。

图3 电机纹波产生的原理

(1)电机由磁极、转子线圈、换向器等组成，根据右手定律转子线圈通电后[2]，在磁极中由于磁场的作用产生运动；

(2)当转子线圈运动到磁场边缘时磁场变弱，电动势减小，电流减小；

(3)换向器改变电流方向，重新进入磁场，磁场变强，电动势增大，电流增大[2]；

(4)转子线圈不断转动、电动势和电流不断变化，从而纹波不断产生，纹波是电机的固有特性。

4 纹波防夹的算法

纹波防夹的算法综合了多种成熟算法，主要采用电流算法、纹波算法、位移算法、力矩算法、积分算法、微分算法、参数自校正算法等，各种算法的组合并不是单纯的迭加，是靠与、或、异或、相交等方式的有机组合，这样算法具有准确性和较强的抗干扰能力。

根据纹波周期的变化率，只有当脉宽周期发生很大的突变时，才会判定为达到防夹条件，对类似胶条老化等使脉冲周期发生的变化，不会导致误防夹。

5 纹波防夹对电机的要求

(1)纹波频率：电机在无负载下运行时，电机纹波频率应不大于1 550 Hz；测试条件：16 V，高温，空载。

(2)纹波振幅：电机在无负载情况下运转，纹波电流幅值不小于0.4 A(幅值)；测试条件：9 V，高温，空载。

(3)波形品质：参考纹波振幅(可以使用傅立叶变换来观察)：基波频率fn为0 dB，则一次谐波2fn、二次谐波3fn和三次谐波4fn，都需要在基波频率fn-6 dB 值之下(图4);测试条件：13.5 V，高温，低温，空载，额定负载，40%负载。

图4 纹波振幅示意

(4)电机纹波建立时间：10 ms

(5)相邻纹波幅值：差异小于较小幅值的30%～50%；测试条件：16 V，常温，空载。

(6)参考能量功率角度：基波频率fn和一次谐波2fn占纹波总能量百分比[P(fn)+P(2fn)]/(Ptotal)≥70%；基波频率fn占纹波总能量百分比P(fn)/(Ptotal)≥50%。

6 纹波防夹的验证

6.1 静态标定

在实车门系统中(量产状态的车门钣金、呢槽、内外夹条、车门玻璃、玻璃升降器等附件)，分别在电压10、13.5、16 V和常温、低温、高温条件下，经过标定常量、标定速度电压比、标定阈值及电压的关系、胶条对防夹力的影响、电机启动补偿、常温验证、高低温验证、数据整合及验证，测试玻璃下不同电压、不同温度下的测试点A、B、C的防夹力的大小，如图5所示。

图5 防夹测试区域图

6.2 动态标定

对纹波防夹控制器完成相关静态标定工作后，需要在规定路面上，对纹波控制器进行防夹程序的动态标定和验收，考核其在规定工况下的误防夹率情况。在表3规定的路面中，以规定车速行驶，进行不低于5次的电动车窗操作，统计车窗玻璃误防夹(导致操作失败、车窗动作回退、车窗动作中止)的次数。

表3 电动车窗误防夹验证的典型路面和对应车速

7 结束语

车窗霍尔防夹由于成本高、结构复杂、占用门内空间等问题，之前仅在高端车型上应用，到2015年国内车窗防夹功能的普及率不到5%。由于纹波防夹技术的出现，其成本大约是四门霍尔防夹车窗的1/2，大大降低了车窗防夹配置的成本，使得车窗防夹功能在乘用车领域配置率提升到40%，车窗防夹功能不再是高端车的标签。根据目前国内外各大汽车生产厂家车窗防夹技术的发展和应用情况，纹波防夹以其布置方便、结构简单、信号准确、性价比高等优点，受到越来越多的汽车制造商的青睐，将来在汽车方面的应用必将越来越广泛，为更多消费者的安全保驾护航。