一种单霍尔信号及电流采样的车窗防夹方案

江凯敏， 徐 伟， 陈文庆， 朱光欢

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东 广州 511434）

车窗防夹是一种常见的车窗保护技术，当车窗在自动上升过程中夹到人时，需要进行反转保护，避免夹伤人。通常带自动上升的车窗都要带防夹功能。

车窗防夹技术方案有许多种，有的是利用纹波防夹，通过采集纹波的个数判断车窗位置，当车窗进入防夹区域而电流发生突变后进行防夹保护，但是这种需要纹波电机的纹波比较高，需要纹波电机频率稳定，不能有额外的纹波干扰和频率干扰，同时电机的纹波容易受到外界EMC的干扰；而有的是采用双霍尔电机进行防夹，通过双霍尔信号的上升沿和下降沿来判断电机的正反转，通过霍尔电机转速减小的速度来判断是否触发防夹门限而进行车窗防夹反转，但是双霍尔电机相对比较贵。

本文主要介绍一种单霍尔信号及电流采样的车窗防夹方案，其性价比较高：通过单个霍尔信号来判断车窗位置，再通过电流采样电路采集车窗电机电流，进而判断在防夹区域内是否有电流突变，一旦电流突变大于防夹门限，则车身电机防夹反转；同时当车窗玻璃即将进入边框胶条时，提前关掉电机驱动，使得车窗玻璃停于胶条和上硬停止点之间，达到上软停效果；同时当车窗玻璃快进入车窗底部水切位置时，提前关掉电机驱动，使得车窗玻璃停于水切和下硬停止点之间，达到下软停效果，避免硬停产生过大电流而影响电机寿命。

1 系统电子架构

如图1所示，本系统由电源芯片LDO NCV4275、ST的32位MCU S32K142EVB、双刀继电器G8K-27R和38 译码器SN78LS138芯片等组成。

LDONCV4275 输入电压是6～24V，稳定输出是5V 450mA，主要是给MCU供电；MCU S32K142EVB是车规级芯片，工作温度-40～85℃，ArmTMCortex-M4F/M0+内核，主频可以达到112MHz，Flash 512kB，安全等级可以达到ASILB；继电器采用欧姆龙的G8K-27R （12V 30A），用于实现电机的正转和反转；38译码器SN78LS138主要将MCU的3个IO口控制信号转成低边驱动信号去控制继电器吸合驱动电机，进而控制电机的正转和反转；电机的霍尔传感器信号Hall_Sensor1～4从电机端口出来是12V，经过电阻分压电路120K/33K的分压后，输入给MCU的电平控制在5V以内，进而保证MCU能够准确采集到霍尔传感器信号。

当系统驱动左前车窗上升时，MCU控制3个IO口信号：MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2、MCU_Realy_Cotrol1，使其等于0V，0V，0V，等效于逻辑电平000，于是控制左前Relay1继电器上升控制信号FL_Realy_UP=0V，而FL_Realy_DOWN=12V，所 以Realy1 的COM1 吸 合 接 到KL30，而COM2保持默认的位置接到GND，电机正向转动，车窗玻璃向上升起。

当系统驱动左前车窗下降时，MCU控制3个IO口信号：MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2、MCU_Realy_Cotrol1，使其等于0V，0V，5V，等效于逻辑电平001，于是控制左前Relay1继电器下降控制信号FL_Realy_DOWN=0V，而FL_Realy_UP=12V，所以Realy1的COM2吸合接到KL30，而COM1保持默认的位置接到GND，电机反向转动，车窗玻璃向下降落。

当系统控制左后窗上升时，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分别等于0V，5V，0V，等效于逻辑电平010；当系统控制左后窗下降时，MCU_Realy_Cotrol3、 MCU_Realy_Cotrol2 和 MCU_Realy_Cotrol1分别等于0V，5V，5V，等效于逻辑电平011，其余控制逻辑与左前车窗保持一致。

当系统控制右前窗上升时，MCU_Realy_Cotrol3，MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol3分别等于5V，0V，0V；等效于逻辑电平100，当系统控制左后窗下降时，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分别等于5V，0V，5V，等效于逻辑电平101；其余控制逻辑与左前车窗保持一致。

当系统控制右后窗上升时，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol3分别等于5V，5V，0V；等效于逻辑电平110，当系统控制右后窗下降时，MCU_Realy_Cotrol3、MCU_Realy_Cotrol2和MCU_Realy_Cotrol1分别等于5V，5V，5V，等效于逻辑电平111，其余控制逻辑与左前车窗保持一致。

图1 电子架构图

2 防夹区间和防夹力要求

如图2所示，按照欧标74/60/EWG、国标GB11552-2009和美标FMVSS118的相关要求，防夹区间如黑影所示，距离胶条4～200mn区间需要防夹，防夹力小于100N。

图2 车窗防夹区域

3 单霍尔脉冲判断车窗防夹位置

车窗的防夹位置在距离胶条4～200mm的区域，为判断车窗玻璃的具体位置，需要捕抓霍尔脉冲的状态翻转个数来判断车窗的具体位置，通常车窗玻璃的位置与霍尔脉冲的状态翻转个数成正比。

如图3所示，本方案的霍尔电机内部采用4对磁极，S极、N极相互交替，间隔45°，当转子旋转时，S极、N极交替作用在霍尔传感器上，霍尔传感器感应后会发送脉冲给MCU。

图3 霍尔电机的磁盘与霍尔传感器

霍尔传感器放在磁盘边上，电机系统通过4:1的伞齿轮测速机构驱动轴端磁盘旋转，磁盘转动一周，转子转动1/4周。因为设置4对磁极，霍尔传感器在磁盘旋转一周时会产生4个脉冲，这样执行机构中心轴转动1周会产生4×4=16个脉冲，圆柱磁盘每转一圈就是4×2=8个波形翻转，故执行结构输出1圈产生32个状态翻转，也就是输出中心每旋转360/32=11.25°，MCU计数1次。所以单片机输出的位置分辨率为11.25°。MCU通过脉冲捕抓的方式抓取脉冲的状态翻转个数，进而确定车窗的位置。单霍尔脉冲的实测图见图4。

图4 单霍尔信号实测图

4 防夹原理

首先系统通过继电器判断车窗玻璃是否在上升状态，再通过霍尔脉冲状态翻转个数判断是否进入了防夹区域，当进入区域后通过50ms的电流变化率（需要标定） 来判断当前的阻力是否已经达到设计门限。当满足条件时，实现防夹反转，车窗玻璃下降150mm。

车窗防夹反转必须满足如下条件：①车窗玻璃处于自动上升过程中；②车窗玻璃处于防夹区域中：4～200mm；③车窗玻璃遇到防夹阻力大于设定门限（最大不可以超过100N）。

5 上软停和下软停原理

如图5所示，车窗位置A是车窗行程上止点，位置B是车窗上软停点，位置C是车窗密封胶条下边沿。

为了延长电机寿命，减少电机到达上止点位置A时产生碰撞声，通常车窗防夹系统需要在快到密封条下边沿位置C时，提前关闭驱动，使得电机靠自己的惯性向上升到上软停位置B；通常上软停位置B需要标定，应该是介于上止点位置A和胶条下位置C之间。

车窗玻璃上边沿与位置C之间的距离被称为车窗开口尺寸，位置D是车窗开口为4mm，位置E是车窗开口为200mm，位置F是车窗下软停点，位置G是车窗行程下止点。

图5 车窗动作范围

为了延长电机寿命，减少电机达到下止点位置F时产生碰撞声，通常车窗防夹系统需要在快到水切位置时，提前关闭驱动，使得电机靠自己的惯性向下降到下软停位置F，通常F位置需要标定，应该是介于下止点G和水切位置之间。

如图6所示，当车窗防夹系统进行上软停保护时，其电机没有堵转，电机为正常电流3～8A，这种情况下可以保护电机寿命，避免过热；在上软停以后，如果继续手动操作升窗时，车窗向上运动到硬停点堵转硬停，此时堵转电流很大，容易伤电机。

图6 上软停电流波形图

如图7所示，当车窗防夹系统进行下软停保护时，其电机没有堵转，电机为正常电流3～8A，这种情况下可以保护电机寿命，避免过热；在下软停以后，如果继续手动操作降窗时，车窗向下运动到硬停点堵转硬停，此时堵转电流很大，容易伤电机。

图7 下软停电流波形图

6 初始化原理

图8 系统初始化电流波形 （400ms初始化堵转）

如图8所示，当系统刚上电时，需要进行初始化后才有防夹功能和软停功能，此时需要手动控制车窗玻璃向上堵转400ms，完成初始化。

7 车窗防夹力的标定

在典型工况13.5V 23℃情况下，系统的防夹力F=K0×1A/50ms （50ms的电流变化率作为参考，K0是其斜率，不同的温度工况需要标定），目标防夹力为75N±15N；然后进行高低温验证（80℃和-30℃），保证-30℃是防夹力大于40N （太小了容易误反转），80℃防夹力小于100N。

当电压上升到16V时，电机的速度会变快，同等情况下50ms的电流变化率会比13.5V的大，所以需要调整防夹力的比例参数K1（K1要小于K0），使得16V 23℃情况下目标防夹力75N±15N，高温80℃小于100N，低温-30℃大于40N。

当电压下降到10V，电机的速度会变慢，同等情况下50ms的电流变化率会比13.5V的小，所以需要调整防夹力的比例参数K2（K2要大于K0），使得10V 23℃情况下，防夹力75N±15N，高温80℃小于100N，低温-30℃要大于40N （太小了容易反转）。

防夹力标定需要在距离胶条25mm处进行标定，200mm和4mm处用防夹条测试，只要能够防转，防夹力无要求；弹簧参数用10N/mm，最大防夹力不超过100N，目标防夹力75N±15N （满足74/60/EWG、FMVSS118和GB11552-2009技术标准）。

在车窗玻璃上取样3个位置：位置A，B和C进行防夹力测试，必须满足防夹区域内的防夹力要求。下面以工程样件阶段的车窗进行验证标定，具体的标定参考数据见图9～图11。

图9 常温23℃防夹力标定

图10 低温-30℃下的防夹力标定

图11 高温80℃防夹力标定

8 总结

随着智能网联时代的来临，车窗防夹系统不再是单一的升窗防夹功能，而是有新的智能网联应用功能，例如语音关窗、暴雨模式关窗、下雨自动关窗、透气模式开窗和吸烟开窗等。

与暴雨模式关窗关联控制后，车窗防夹系统在暴雨天气收到导航主机的暴雨关窗指令，然后会控制4个车窗自动上升，当在上升过程中夹到人时，会自动防夹，车窗后退150mm，保证人员安全。

与透气模式开窗关联控制后，车窗防夹系统收到导航主机的透气模式指令，然后会控制4个车窗下降5cm距离，保证车内空气清晰，保证车内人员安全。

与语音控制关窗关联控制后，车窗防夹系统收到导航主机的语音关窗指令，然后会控制4个车窗自动上升，当在上升过程中夹到人时，会自动防夹，车窗后退150mm，保证人员安全。

与吸烟开窗关联控制后，车窗防夹系统在收到导航主机的吸烟开窗指令，然后会控制4个车窗下降10cm的距离，保证车内空气流通，避免车内人员吸收二手烟而危害身体健康。

通过与智能网联应用功能相结合，可以进一步提高升窗防夹系统的舒适性、可靠性、安全性和用户感知性，大大提高用户用车满意度。