黃啟海，李永，張華

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

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汽車電動天窗防夾分析

黃啟海，李永，張華

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

簡單介紹了天窗防夾概念及防夾形式分類，以接觸式防夾為主要研究對象，詳細闡述了天窗的防夾基本原理及實現(xiàn)過程?；陟o態(tài)防夾基本原理，提出了ATS算法的防夾原理，在控制過程中能夠?qū)崟r更新數(shù)據(jù)，補償外界因素對防夾力的影響，從而提高防夾的精準性，防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

電動天窗；接觸式防夾;防夾原理

0 引言

隨著消費者對汽車要求的提高，汽車的乘坐舒適性越來越受到關(guān)注。汽車配置天窗，一方面可使室內(nèi)透光性好，通風性好，視野開闊[1]；另一方面，在高速行駛時，開天窗相對于開側(cè)窗能有效降低車內(nèi)噪聲。因此，天窗已逐步成為一種汽車必備配置。

正因為天窗使用的普遍性，所以對于天窗的性能研究也逐漸成為熱點。由于汽車天窗是一個車內(nèi)部件，其正常使用關(guān)乎車內(nèi)人員的安全，且現(xiàn)在越來越多的報道指出：電動天窗以及車窗會造成車內(nèi)人員特別是小孩的誤夾傷[2]，所以文中對天窗的防夾功能展開研究，并通過ATS控制算法對天窗運行平穩(wěn)性及防夾精準性進行改進。

1 天窗防夾簡述

天窗防夾，就是指電動天窗在自動關(guān)閉過程中，遇到阻礙物體，并且運動阻力達到一定數(shù)值之后，天窗能夠自動停止關(guān)閉動作并自動反方向開啟，以防止物體(尤其是人體)被夾傷。

1.1 天窗防夾區(qū)域

天窗防夾有特定的防夾區(qū)域，如圖1所示，從天窗開口4 mm到開口200 mm區(qū)域范圍內(nèi)為天窗防夾區(qū)域。當進入防夾區(qū)域時，如果電機轉(zhuǎn)速大于防夾閥值時則需使用防夾保護措施，當天窗進入非防夾區(qū)域時，即使轉(zhuǎn)速值大于防夾閥值，也無需啟動防夾。這主要是為了防止天窗完全關(guān)閉時阻力過大造成誤開啟。

圖1 天窗防夾區(qū)域

1.2 天窗防夾分類

天窗防夾方式主要有兩種[3]：接觸式和非接觸式。

接觸式防夾的天窗需要被夾物體與天窗接觸，并給天窗一個力反饋。這種類型的天窗一般在電機上加裝霍爾傳感器，時刻監(jiān)測電機的轉(zhuǎn)速，并反饋給ECU。接觸式防夾具體工作原理后面敘述。

非接觸防夾的天窗主要是由安裝在天窗兩側(cè)邊框內(nèi)的紅外接收器和發(fā)生器組成，通過紅外接收器發(fā)送給ECU信號從而判斷是否需要防夾保護。和紅外防夾電梯門的防夾原理相似，非接觸防夾可避免物體支架被天窗夾持，防止人員的夾傷。但此方法很容易造成誤操作，例如：當天窗關(guān)閉過程中存在某些異物并不需要防夾，非接觸式防夾很容易誤判斷為需要防夾；由于清理不及時導致天窗邊框灰塵多使得紅外傳感信號錯誤，從而導致誤防夾判斷。此外，非接觸式防夾成本較高。

綜合考慮防夾性和使用性能及成本，目前市場上普遍使用的是接觸式防夾天窗。接下來，主要介紹接觸式防夾天窗的防夾原理。

2 天窗防夾原理

2.1 天窗電機及控制器的工作原理

天窗電機及控制器內(nèi)集成有能夠檢測位置的磁環(huán)和霍爾傳感器[4]，通過軟件對霍爾傳感器的信號進行檢測，能夠計算出精確的機械部件(玻璃板或遮陽板)的位置。電機及控制器的工作原理如圖2所示。

圖2 電機及控制器的工作原理

以電機輸出齒輪旋轉(zhuǎn)1周為例：拉索運行48.26 mm，產(chǎn)生260個霍爾脈沖信號，每個脈沖對應0.18 mm；以玻璃板翹起為例：電機旋轉(zhuǎn)大約1圈半，拉索運行65 mm，產(chǎn)生350個霍爾脈沖信號。

在實現(xiàn)以上功能的基礎上，按照不同天窗的要求制訂按鍵邏輯和天窗操作規(guī)范。

控制器軟件功能：

應用層基本功能 (正常工作模式和錯誤處理模式)；

計算玻璃應該停留的位置；

檢測電機電流，消除任何情況的堵轉(zhuǎn)和大電流；

實現(xiàn)防夾功能；

診斷和識別；

一鍵自動操作功能；

能夠?qū)μ齑暗牟煌闆r進行自學習；

SCU內(nèi)的程序可以進行在線更新；

電源處理，溫度處理；

天窗的初始化；

霍爾傳感器脈沖計數(shù)，位置計算，電流計算，防夾力計數(shù)。

2.2 天窗防夾基本原理

2.2.1 防夾力模型

根據(jù)前面介紹的馬達工作原理，作者建立了如下簡易受力模型：

靜態(tài)情況下(忽略系統(tǒng)的慣性；忽略系統(tǒng)的動態(tài)影響)，模型可簡化為：

Fpe=Fm-Fr

式中：Fpe為預估防夾力；Fm為電機輸出力；Fr為系統(tǒng)阻力。靜態(tài)防夾受力模型如圖3所示。

2.2.2 防夾實現(xiàn)過程

天窗在關(guān)閉過程中，如果有異物在開口部被夾時，發(fā)生夾持。夾持發(fā)生時，玻璃受到夾持力Fpe，導致驅(qū)動電機的負荷力Fm增加，電機轉(zhuǎn)速降低。電機轉(zhuǎn)軸上裝有磁石，電機轉(zhuǎn)速降低，導致磁石的轉(zhuǎn)速也降低。為了檢測馬達的轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)軸上裝有磁石，馬達轉(zhuǎn)動時會帶動磁極“S”和“N”的變化。通過ECU基板上安裝的IC，將磁極“S”和“N”的變化轉(zhuǎn)換為脈沖波形，從而換算出電機轉(zhuǎn)速[5]。轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)化過程如圖4所示。

當發(fā)生夾持時，電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速下降，脈沖波形的周期T變寬。通過脈沖波形的周期T可計算出電機轉(zhuǎn)速Vrpm。發(fā)生夾持時波形周期的變化如圖5所示。

電機轉(zhuǎn)速

vrpm=[1/(Tn/1 000)]×60

例：如果Tn=5 ms→1 s轉(zhuǎn)200圈 →60 s轉(zhuǎn)12 000圈?vrpm=12 000 r/min。

當ECU檢測出馬達轉(zhuǎn)速下降后，如果下降幅度超過一定值(閾值)，即判定為夾持發(fā)生,見圖6。

圖6 系統(tǒng)判斷夾持的示意圖

以上防夾力模型及防夾實現(xiàn)過程是在汽車靜止狀態(tài)下忽略系統(tǒng)慣性及系統(tǒng)動態(tài)影響的理想狀態(tài)，但實際過程中可能會有其他因素導致防夾誤判或防夾失效。接下來介紹一種ATS算法，考慮系統(tǒng)的動態(tài)因素、車速、溫度等條件，可以提高防夾的精準性，使天窗運行更加平穩(wěn)，防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

3 基于ATS算法的防夾原理

3.1 動態(tài)防夾力模型

動態(tài)防夾力模型如圖7所示。

圖7 動態(tài)防夾受力模型

動態(tài)情況下，考慮系統(tǒng)的慣性及系統(tǒng)的動態(tài)影響，防夾力模型為：

3.2 ATS算法

(1)ATS算法需要的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 ATS算法需要的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)

(2)ATS算法中需要的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的意義和作用如表1所示。

(3)ATS算法控制邏輯圖如圖9所示。

表1 ATS算法中數(shù)據(jù)的意義和作用

圖9 ATS算法制邏輯圖

3.3 ATS算法原理概括

在沒有障礙物引起天窗啟動防夾功能時，天窗的阻力等于電機的驅(qū)動力。ECU通過對天窗的初始化過程和自學習過程來計算并存儲電機的正常驅(qū)動力。

1）目前我國套管氣回收工藝面臨的主要問題。高壓套管氣采集過程中會因為節(jié)流、吸熱而產(chǎn)生輕質(zhì)油和水合物。因此，回收套管氣裝置必須配置防凍、堵功能。

當天窗ECU收到的阻力大于一定數(shù)值的時候，天窗會認為可能有障礙物，并啟動障礙物檢測功能，立即計算出天窗受到的阻力。當天窗檢測到阻力大于ATS閾值后，天窗會認為這就是障礙物，但并不立即啟動ATS防夾功能。當天窗運行到ATS安全區(qū)域之內(nèi)時(4～200 mm)，就會立即啟動ATS功能，停止天窗的運動并向相反的方向后退，確保安全。

增加了ATS算法的意義即能夠使天窗控制程序?qū)崟r更新數(shù)據(jù)，并補償外界因素的影響，使計算程序得到的數(shù)據(jù)更準確，實現(xiàn)防夾更精準。此算法的防夾原理在某SUV車型上已應用并得到驗證，能夠很好地實現(xiàn)防夾，并且防夾力都在設定的范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

首先介紹了天窗防夾概念及防夾形式分類，以接觸式防夾為主要研究對象，詳細闡述了天窗的防夾基本原理及實現(xiàn)過程?；陟o態(tài)防夾基本原理，提出ATS算法的防夾原理，在控制過程中能夠?qū)崟r更新數(shù)據(jù)，補償外界環(huán)境因素對防夾力的影響，從而提高防夾的精準性，使天窗運行更加平穩(wěn)，防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

【1】張志敏，陶永琴.基于嵌入式系統(tǒng)的智能汽車天窗的設計[J].電子測試,2013(11):5.

【2】許小俠，趙靜斌.基于虛擬樣機的轎車天窗運動機構(gòu)的設計[J]．機械工程學報,2008,44(9)：225-229．

【3】馬加其.防夾電動窗的改進[J].湖北汽車工業(yè)學院學報,2007,21(3):79-80．

【4】馬偉澤，張申科.采用霍爾傳感器的汽車電動窗防夾設計[J].汽車工程,2008,30(12)：1122-1124．

【5】周易.汽車電動車窗防夾系統(tǒng)的研發(fā)[J].北京汽車，2007(4):31-34.

Analyses on Electric Sunroof Anti-pinch

HUANG Qihai，LI Yong, ZHANG Hua

(Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

The concept and the forms of sunroof anti-pinch were introduced. The basic principles and implementation process of the contact type anti-pinch were elaborated. ATS algorithm was proposed based on principle of static anti-pinch to achieve data updating in time and compensate the impact on pinch force caused by external factors during the control process. On one hand, the precision of the anti-pinch can be improved; on the other hand, the misjudgment and failure of the anti-pinch can be prevented.

Electric sunroof; Contact type anti-pinch; Principle of anti-pinch

2015-11-26

黃啟海(1984—)，男，本科，工程師，從事內(nèi)外飾設計研發(fā)工作。E-mail:hqh367@163.com。

U463.85+3

B

1674-1986(2016)02-048-04