CN112227863A - 一种低成本车窗防夹控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低成本车窗防夹控制系统及方法。本发明包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路。电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号。电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小。所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号该方法不需要安装额外的传感器，只用到了有刷直流电机的一般特性，利用电机转动时产生的周期性的电流纹波信号来代替霍尔传感器实现防夹控制。

Description

一种低成本车窗防夹控制系统及方法

技术领域

本发明属于汽车电子领域，涉及一种低成本车窗防夹控制系统及方法。

背景技术

随着汽车车窗从摇臂式发展为电动式，给人们带来便利的同时存在安全隐患，因此 将防夹模块引入电动车窗控制系统中具有重要意义。目前主流的防夹控制模块多数采用 光电和霍尔传感器来获取电机的速度和车窗的位置信息来实现防夹控制，但这样依赖传 感器的防夹模块存在硬件成本较高、结构复杂和安装不便等问题，难以大规模应用。此外，防夹控制系统容易受到外界环境因素的干扰，例如路面的平坦程度、车窗胶条的老 化程度、电机驱动电压的大小以及温度的高低都会对防夹控制系统的可靠性产生影响。 如果采用固定参数进行简单的防夹运算处理会导致车窗防夹功能在外界条件恶劣的情 况下产生误判，造成防夹功能失效，可能引起严重后果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于电流纹波具有自适应功能的低成本车窗防夹控制电路和控制方法。该方法不需要安装额外的传感器，只用到了有刷直流电 机的一般特性，利用电机转动时产生的周期性的电流纹波信号来代替霍尔传感器实现防 夹控制。

一种低成本车窗防夹控制系统包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路。

所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、 采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器，其中带通滤波 器包括电阻R6、电容C3、电阻R7和电容C4；

直流电机M的一端接继电器的一个输出端、采样电阻Re的一端、电阻R1的一端， 另一端接继电器的另一个输出端、采样电阻Re的另一端、电阻R2的一端；第一运算 放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，反相输入端接电阻 R1的另一端、电阻R3的一端，同相输入端接电阻R2的另一端、电阻R4的一端，输 出端接电阻R3的另一端、电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电阻 R5的一端；电容C3的另一端接电阻R6的一端、电阻R7的一端；电阻R7的另一端 接电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容C4的一端；第二运算放大器U2为电压比较 器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，同相输入端接电阻R8的另一端、电容C6 的一端，反相输入端接电阻R9的另一端、电容C5的一端，输出端接电阻R10的一端； 电阻R10的另一端接电容C6的另一端、电阻R11的一端、电容C7的一端、二极管D1的阳极作为输出端，接MCU的第15引脚PA6；二极管D1的阴极接3.3V；电阻 R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R11的另一端、电容C1的 另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端 接地；

所述的电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小，包括电阻R12、R13、R15，电容C8-C10，二极管D2；电阻R12的一端接第一运算放大器U1的输出端，另 一端接电阻R13的一端、电容C8的一端、二极管D2的阴极、电阻R15的一端；电阻 R15的另一端接电容C9的一端、电容C10的一端后作为输出端，接MCU的第22引 脚PA0；电阻R13的另一端、电容C8的另一端、二极管D2的阳极、电容C9的另一 端、电容C10的另一端接地。

所述MCU的第17、20引脚作为按键信号输入引脚，第61、62引脚分别接继电器 的两个输入接口；VCC引脚和GND引脚分别接3.3V电源和地,其他引脚悬空设置，

所述的第一运算放大器U1、第二运算放大器U2型号为LM2904，所述MCU的型 号为STM32F103RBT6。

所述的直流电机M，是通过继电器控制直流电机M转动方向，进而用于驱动车窗 升降。

本发明的另一个目的是提供基于上述低成本车窗防夹控制系统的车窗防夹控制方 法。

步骤(1)、通过MCU的第15引脚实时获取电流纹波的脉冲个数和周期，通过公 式(1)获取每一个电流纹波脉冲下车窗位移：

式中r为车窗卷扬轮半径，n为传动比，π为圆周率，θ为每个电流纹波脉冲下直流电机M转过的角度。

步骤(2)、获取车窗的脉冲个数N_u，若N_u满足公式(2)，则认为车窗位于防夹区 位置；

N₁≤N_u≤N₂ 公式(2)

式中，N₁表示车窗位于防夹区的最低位置时对应的脉冲个数，N₂表示车窗位于防夹区的最高位置时对应的脉冲个数，L表示车窗的最大位移；L₁表示车窗位于防夹区的 最低位置处的位移；L₂表示车窗位于防夹区的最高位置处的位移；

步骤(3)、在车窗位于防夹区位置时，通过夹持力Fp判断是否启动防夹功能，具 体是：

MCU在每个纹波脉冲到来时对电流进行采集并处理，设采集相邻两个纹波脉冲的周期为T1和T2，期间车窗运动的加速度为a，根据牛顿第二定理有：

F_t-F_p-G-F_f＝M×a 公式(5)

式中Ft为车窗所受的升举力，Fp为障碍物的夹持力，G和Ff为车窗玻璃的重力和摩擦阻力，M表示车窗玻璃的重量。

车窗所受的升举力Ft与直流电机M的功率和转动力矩有关，见公式(9)：

式中T表示电机M的转动力矩为，ω表示电机M当前角速度，Ω表示电机M当前 转速，P表示电机M当前输出功率，Uc表示电源电压，I表示MCU经电流检测电路采 样的电机M电流；

将升举力Ft和车窗加速度a代入公式(5),计算夹持力Fp：

若夹持力Fp大于阈值(例如100N)则说明车窗在上升过程中夹持到了障碍物， MCU控制继电器改变直流电机M的转动方向，进而使得车窗下降。

步骤(4)、实时更新摩擦力

当车窗正常上升或下降时，这段过程夹持力Fp为0，摩擦力Ff与车窗的位置有关，车窗位置上的电流纹波脉冲不同，进而引起车窗运动的加速度变化，此时MCU更新防 夹区内当前电流纹波脉冲下的摩擦力；

F_f＝F_t-G-M×a 公式(11)

步骤(5)、更新直流电机M转过的角度

当车窗完全上升到顶部，即车窗位移为L，此时电流纹波脉冲数为N，更新θ：

本发明的有益效果：本发明具有电路结构简单，算法精简，防夹精度高，成本低廉，抗干扰能力强的有益效果，只利用了电机的特性，不需要安装额外的传感器。本发 明利用了车窗和电机的机械传动模型，运算方法精简，能够实时跟踪车窗的位置、速度 和采集电机的电流来计算夹持力的大小，提高了防夹判断的准确度，具有较好的可靠性。

附图说明

图1为本发明的总体电路图；

图2为车窗防夹区示意图；

图3为车窗防夹区的机械传动模型示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

如图1所示，本发明包括主控MCU(STM32F103RBT6)、电流纹波采集电路、电 流检测电路。

所述的电流纹波采集电路负责在直流电机M转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器。采 样电阻Re与直流电机M串联，第一运算放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V 电压，负供电端接地，第一电阻R1、R2分别与第一运算放大器U1的反相输入端和同 相输入端相连，第二电阻R3一端连接到第一运算放大器U1的反相输入端、另一端与 第一运算放大器U1的输出端相连，第二电阻R4一端与第一运算放大器的同相输入端 相连，另一端接地。采样电阻Re的两端分别与第一电阻R1、R2的另一端相连。带通 滤波器分两级滤波器，由电阻R6、电容C3、电阻R7和电容C4组成，电容C3作为第 一级滤波器的信号输入与第一运算放大器U1的输出相连，另一端与电阻R6相连，电 阻R6再连接到地。电阻R7的一端作为第二级滤波器的输入端与电阻R6和电容C3相 连，另一端与电容C4相连并作为整个滤波器的输出端，电容C4再接地。第二运算放 大器U2用作电压比较器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，同相输入端和反相 输入端分别通过电阻R8、R9与带通滤波器的输出端相连，电容C5的一端与反相输入 端相连，另一端连接到地。电阻R10为电压比较器的反馈电阻一端与第二运算放大器 U2的输出端相连，另一端通过电容C6连接到第二运算放大器的同相输入端。二极管 D1的阳极与第二运算放大器的输出端相连，再通过电阻R11接地，D1的阴极接3.3V 的电压。

所述的电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小，电阻R12一端与第一运算放大器U1的输出端相连，另一端通过R13接地，构成分压电路。电容C8与齐纳 二极管D2并联构成稳压电路。电阻R15与电容C9相连构成低通滤波器。

所述的MCU上的第15引脚PA6与电流纹波采集电路的输出端连接，MCU的第22 引脚PA0与电流检测电路的输出端连接。MCU的第17、20引脚分别与按键相连，第 61、62引脚与继电器的输入接口相连，继电器的两个输出端分别与直流电机M的两端 相连。VCC引脚和GND引脚分别接3.3V电源和地。

所述的运算放大器型号为LM2904，所述MCU的型号为STM32F103RBT6。

所述的直流电机M，是通过继电器控制直流电机M转动方向，进而用于驱动车窗 升降。

本发明MCU通过按键获取用户车窗上下移动的指令，然后MCU控制继电器通断 电，进而控制直流电机M的转动方向。当电机转动时电流通过采样电阻Re，第一运算 放大器U1将采样电阻Re两端电压放大后再输入到带通滤波器中滤除干扰信号，得到 周期性的电流纹波信号；再将电流纹波信号输入到第二运算放大器U2进行电压比较后 得到方波数字信号输入到MCU的定时器输入捕获引脚，避免了单片机直接将模拟信号 进行复杂的数字化处理。MCU通过计算方波的周期和方波脉冲的数量可以预测出电机 M的当前转速，从而获取车窗升降时的加速度和车窗的位移，为防夹的判定提供依据。 同时MCU的第22引脚AD采样引脚实时采集流过电机M的电流值，当车窗在上升过 程中遇到障碍物时阻力增大，通过电机的电流也会发生跳变。因此，MCU通过电流纹 波信号判断车窗是否位于防夹区内，判断到满足防夹条件时通过控制继电器改变电机 M的转向使车窗下降一定距离。当车窗正常上升或下降时，MCU记录所需要的纹波脉 冲数，更新角度值和摩擦力Ff的大小，调整误差以适应环境的变化。

所述电流纹波采集电路的采样电阻Re为6.67mΩ，当直流电机M转动时就有电流流过采样电阻Re，电流的最大值为16A。第一运算放大器U1(LM2904)将采样电阻 Re两端的电压放大，第一电阻R1、R2的电阻值为1kΩ，第二电阻R3、R4的电阻值 为60kΩ，使第一运算放大器的放大倍数为60倍。由于电流纹波的频率一般在1kHz左 右，设定第一级滤波器的电容C3为1uF、电阻R6为1.5kΩ，可计算出第一级滤波器的 截止频率约为100Hz，第二级滤波器的电阻R7为1.5kΩ、电容C2为0.1uF，计算出第 二级滤波器的截止频率约为1kHz，因此带通滤波器允许通过信号的频率为100Hz到 1kHz。第二运算放大器U2(LM2904)的同相输入端和反相输入端均接1kΩ的电阻R8、 R9，增强了电路抗干扰能力和稳定性，反馈电容C6为1nF，避免第二运算放大器产生 自激振荡。电阻R10为2kΩ，R11为1kΩ，二极管D1的导通电压为0.7V。第二运算放 大器U2(LM2904)的输出信号经过分压限幅后输入到MCU(STM32F103RBT6)的 第15引脚即定时器输入捕获引脚。所述电流检测电路的电阻R12与R13都为1kΩ，齐 纳二极管D2的击穿电压为5V，低通滤波器电阻R15为1.3kΩ，电容C9为0.47uF，截 止频率约为200Hz。所述电流检测电路将第一运算放大器U1的输出信号分压滤波后输 入至MCU(STM32F103RBT6)的第22引脚，即AD采样引脚计算电机M的电流值。 当电机M的电流I_m达到最大16A时，采样电阻Re两端的电压经过放大分压的电压U_ad为3.2V，计算公式如下：

式中A为第一运算放大器U1的放大倍数，R_e、R₁₂、R₁₃分别为电阻Re、R12、 R13的电阻值，V_ref为MCU的参考电压，AD为电压U_ad对应的采样值。由于MCU采 用12位的ADC最大采样值为4096，计算出U_ad对应的AD值约为4000，当用mA作 为电流单位时电流值正好是AD值的4倍(16000mA＝4*4000)。因此计算电流值时只 需将AD值乘4便得到电流值，这样设计的电路极大的简化了MCU电流计算复杂度。

基于上述低成本车窗防夹控制系统的车窗防夹控制方法，具体是：

步骤(1)、通过MCU的第15引脚实时获取电流纹波的脉冲个数和周期，通过公 式(1)获取每一个电流纹波脉冲下车窗位移：

式中r为车窗卷扬轮半径，n为传动比，π为圆周率，θ为每个电流纹波脉冲下直流电机M转过的角度。

步骤(2)、获取车窗的脉冲个数N_u，若N_u满足公式(3)，则认为车窗位于防夹区 位置；

N₁≤N_u≤N₂ 公式(2)

式中，N₁表示车窗位于防夹区的最低位置时对应的脉冲个数，N₂表示车窗位于防夹区的最高位置时对应的脉冲个数，L表示车窗的最大位移；L₁表示车窗位于防夹区的 最低位置处的位移；L₂表示车窗位于防夹区的最高位置处的位移；

步骤(3)、在车窗位于防夹区位置时，通过夹持力Fp判断是否启动防夹功能，具 体是：

MCU在每个纹波脉冲到来时对电流进行采集并处理，设采集相邻两个纹波脉冲的周期为T1和T2，期间车窗运动的加速度为a，根据牛顿第二定理有：

F_t-F_p-G-F_f＝M×a 公式(5)

式中Ft为车窗所受的升举力，Fp为障碍物的夹持力，G和Ff为车窗玻璃的重力和摩擦阻力，M表示车窗玻璃的重量。

车窗所受的升举力Ft与直流电机M的功率和转动力矩有关，见公式(9)：

式中T表示电机M的转动力矩为，ω表示电机M当前角速度，Ω表示电机M当前 转速，P表示电机M当前输出功率，Uc表示电源电压，I表示MCU经电流检测电路采 样的电机M电流；

将升举力Ft和车窗加速度a代入公式(5),计算夹持力Fp：

若夹持力Fp大于阈值100N则说明车窗在上升过程中夹持到了障碍物，MCU控制 继电器改变直流电机M的转动方向，进而使得车窗下降。

步骤(4)、实时更新摩擦力

当车窗正常上升或下降时，这段过程夹持力Fp为0，摩擦力Ff与车窗的位置有关，车窗位置上的电流纹波脉冲不同，进而引起车窗运动的加速度变化，此时MCU更新防 夹区内当前电流纹波脉冲下的摩擦力；

F_f＝F_t-G-M×a 公式(11)

步骤(5)、更新直流电机M转过的角度

当车窗完全上升到顶部，即车窗位移为L，此时电流纹波脉冲数为N，更新θ：

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本 发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低成本车窗防夹控制系统，其特征在于包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路；

所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器，其中带通滤波器包括电阻R6、电容C3、电阻R7和电容C4；

直流电机M的一端接继电器的一个输出端、采样电阻Re的一端、电阻R1的一端，另一端接继电器的另一个输出端、采样电阻Re的另一端、电阻R2的一端；第一运算放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，反相输入端接电阻R1的另一端、电阻R3的一端，同相输入端接电阻R2的另一端、电阻R4的一端，输出端接电阻R3的另一端、电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电阻R5的一端；电容C3的另一端接电阻R6的一端、电阻R7的一端；电阻R7的另一端接电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容C4的一端；第二运算放大器U2为电压比较器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，同相输入端接电阻R8的另一端、电容C6的一端，反相输入端接电阻R9的另一端、电容C5的一端，输出端接电阻R10的一端；电阻R10的另一端接电容C6的另一端、电阻R11的一端、电容C7的一端、二极管D1的阳极作为输出端，接MCU的第15引脚PA6；二极管D1的阴极接3.3V；电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R11的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端接地；

所述的电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小，包括电阻R12、R13、R15，电容C8-C10，二极管D2；电阻R12的一端接第一运算放大器U1的输出端，另一端接电阻R13的一端、电容C8的一端、二极管D2的阴极、电阻R15的一端；电阻R15的另一端接电容C9的一端、电容C10的一端后作为输出端，接MCU的第22引脚PA0；电阻R13的另一端、电容C8的另一端、二极管D2的阳极、电容C9的另一端、电容C10的另一端接地；

所述MCU的第17、20引脚作为按键信号输入引脚，第61、62引脚分别接继电器的两个输入接口；VCC引脚和GND引脚分别接3.3V电源和地,其他引脚悬空设置，

所述的直流电机M，是通过继电器控制直流电机M转动方向，进而用于驱动车窗升降。

2.如权利要求1所述的一种低成本车窗防夹控制系统，其特征在于所述的第一运算放大器U1、第二运算放大器U2型号为LM2904，所述MCU的型号为STM32F103RBT6。

3.基于权利要求1或2所述系统的车窗防夹控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)、通过MCU的第15引脚实时获取电流纹波的脉冲个数和周期，通过公式(1)获取每一个电流纹波脉冲下车窗位移：

式中r为车窗卷扬轮半径，n为传动比，π为圆周率，θ为每个电流纹波脉冲下直流电机M转过的角度；

步骤(2)、获取车窗的脉冲个数N_u，若N_u满足公式(2)，则认为车窗位于防夹区位置；

N₁≤N_u≤N₂ 公式(2)

式中，N₁表示车窗位于防夹区的最低位置时对应的脉冲个数，N₂表示车窗位于防夹区的最高位置时对应的脉冲个数；L₁表示车窗位于防夹区的最低位置处的位移；L₂表示车窗位于防夹区的最高位置处的位移；

步骤(3)、在车窗位于防夹区位置时，通过夹持力Fp判断是否启动防夹功能，具体是：

MCU在每个纹波脉冲到来时对电流进行采集并处理，设采集相邻两个纹波脉冲的周期为T1和T2，期间车窗运动的加速度为a，根据牛顿第二定理有：

F_t-F_p-G-F_f＝M×a 公式(5)

式中Ft为车窗所受的升举力，Fp为障碍物的夹持力，G和Ff为车窗玻璃的重力和摩擦阻力，M表示车窗玻璃的重量；

车窗所受的升举力Ft与直流电机M的功率和转动力矩有关，见公式(9)：

式中T表示电机M的转动力矩为，ω表示电机M当前角速度，Ω表示电机M当前转速，P表示电机M当前输出功率，Uc表示电源电压，I表示MCU经电流检测电路采样的电机M电流；

将升举力Ft和车窗加速度a代入公式(5),计算夹持力Fp：

若夹持力Fp大于阈值则认为车窗在上升过程中夹持到了障碍物，MCU控制继电器改变直流电机M的转动方向，进而使得车窗下降；

步骤(4)、实时更新摩擦力

当车窗正常上升或下降时夹持力Fp为0，摩擦力Ff与车窗的位置有关，车窗位置上的电流纹波脉冲不同，进而引起车窗运动的加速度变化，此时MCU更新防夹区内当前电流纹波脉冲下的摩擦力；

F_f＝F_t-G-M×a 公式(11)

步骤(5)、更新直流电机M转过的角度

当车窗完全上升到顶部，即车窗位移为L，此时电流纹波脉冲数为N，更新θ：

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