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)

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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過程?；陟o態防夾基本原理，提出了ATS算法的防夾原理，在控制過程中能夠實時更新數據，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注。汽車配置天窗，一方面可使室內透光性好，通風性好，視野開闊[1]；另一方面，在高速行駛時，開天窗相對于開側窗能有效降低車內噪聲。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部件，其正常使用關乎車內人員的安全，且現在越來越多的報道指出：電動天窗以及車窗會造成車內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閉過程中，遇到阻礙物體，并且運動阻力達到一定數值之后，天窗能夠自動停止關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 天窗防夾區域

天窗防夾有特定的防夾區域，如圖1所示，從天窗開口4 mm到開口200 mm區域范圍內為天窗防夾區域。當進入防夾區域時，如果電機轉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域時，即使轉速值大于防夾閥值，也無需啟動防夾。這主要是為了防止天窗完全關閉時阻力過大造成誤開啟。

圖1 天窗防夾區域

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，時刻監測電機的轉速，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邊框內的紅外接收器和發生器組成，通過紅外接收器發送給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集成有能夠檢測位置的磁環和霍爾傳感器[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1周為例：拉索運行48.26 mm，產生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：電機旋轉大約1圈半，拉索運行65 mm，產生350個霍爾脈沖信號。

在實現以上功能的基礎上，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和大電流；

實現防夾功能；

診斷和識別；

一鍵自動操作功能；

能夠對天窗的不同情況進行自學習；

SCU內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，位置計算，電流計算，防夾力計數。

2.2 天窗防夾基本原理

2.2.1 防夾力模型

根據前面介紹的馬達工作原理，作者建立了如下簡易受力模型：

靜態情況下(忽略系統的慣性；忽略系統的動態影響)，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為系統阻力。靜態防夾受力模型如圖3所示。

2.2.2 防夾實現過程

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

當發生夾持時，電機轉軸轉速下降，脈沖波形的周期T變寬。通過脈沖波形的周期T可計算出電機轉速Vrpm。發生夾持時波形周期的變化如圖5所示。

電機轉速

vrpm=[1/(Tn/1 000)]×60

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

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

圖6 系統判斷夾持的示意圖

以上防夾力模型及防夾實現過程是在汽車靜止狀態下忽略系統慣性及系統動態影響的理想狀態，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，考慮系統的動態因素、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，防止產生防夾誤判或防夾失效。

3 基于ATS算法的防夾原理

3.1 動態防夾力模型

動態防夾力模型如圖7所示。

圖7 動態防夾受力模型

動態情況下，考慮系統的慣性及系統的動態影響，防夾力模型為：

3.2 ATS算法

(1)ATS算法需要的輸入數據和輸出數據如圖8所示。

圖8 ATS算法需要的輸入數據和輸出數據

(2)ATS算法中需要的輸入數據和輸出數據的意義和作用如表1所示。

(3)ATS算法控制邏輯圖如圖9所示。

表1 ATS算法中數據的意義和作用

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流、吸熱而產生輕質油和水合物。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安全區域之內時(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實時更新數據，并補償外界因素的影響，使計算程序得到的數據更準確，實現防夾更精準。此算法的防夾原理在某SUV車型上已應用并得到驗證，能夠很好地實現防夾，并且防夾力都在設定的范圍內。

4 總結

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過程?；陟o態防夾基本原理，提出ATS算法的防夾原理，在控制過程中能夠實時更新數據，補償外界環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，防止產生防夾誤判或防夾失效。

【1】張志敏，陶永琴.基于嵌入式系統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的研發[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，從事內外飾設計研發工作。E-mail:hqh367@163.com。

U463.85+3

B

1674-1986(2016)02-048-04