采用霍尔传感器的汽车电动车窗防夹设计_图文







程 
20 ( o 3 ) o 1  0 8 V 1 0 N .2 .

20 0 8年( 3 第 O卷) l 第 2期 

A t o v  ni eig uo t eE g er   m i n n

2 o8 5   o 2 1

采 用 霍 尔传感 器 的汽车 电动车 窗 防夹设计 
马伟泽 张 中科 汪宏杰  , ,
( .同济大学电子与信息工程 学院 , 1 上海 2 10 ; 2 084 .上海科世迭华阳汽车电器有 限公 司, 上海 2 10 ) 0 85  

[ 摘要 ] 介绍一种采用霍尔传感器的汽车 防夹 电动车窗系统。该系统利用霍 尔信 号个 数判断车窗的位置 , 而  用霍尔信号脉宽检测防夹力 , 使系统具有 良好 的防夹功能 , 可靠性高。  

关键词 : 防夹功 能 ; 电动 车窗 : 尔传感器  霍 Th   sg   fAnipn h Ca  id ws Usn   l  e s r e De in o  t—i c   rW n o   ig HalS n o 
MaWe e . h n   h n e & Wa g H n j     i   Z a gS e k ‘ z n   o gi e
1 &hd  l t r s n n rai  , i ei . o o e r6   dI om t nE ̄ n rg,T,   nvrt , hn h i 0 84; fE co  ̄ a f o ge n o  ̄iU i sy Sa g a 2 10   ei

2 s∞咖   o a— aa A t oi EetcC . Ld , h nh i 0 85 .^ K a l yn u m t l r  o , t. S g a 2 10  Hu g o v ci e a

[ btat A  ni ic yt   rclwno si ds ndbsdo a esr T  ytmjde  e A s c] natpnhss m f  a idw   ei e ae nhl sno.1 ess   gsh  r — e o " s g l h e u t
p st no  id w tru h ten mb ro in l pc e   p b   al e sra d e t ts te rs tn e o  id w oio   f n o   o g  h   u e fs as ik d u   yh   n o n   si e   e i a c   fw n o   i w h g   l s ma h s
mo e n   y t e p l   d   f i a .11  y tm u h d s e   a   o d a t p n h f n t n w t  ih r l b l y  v me t     u s wit o   g 1 1 e s s b h e h sn e s c   e i d h g o   n i i c  u ci   i h g  ei i t. n g s - o h a i
Ke ywo d r s:a t- nc f n ipi h unc i n;c   o r wi to ar p we   ndo ;h l e s r w a ls n o  
r  

1 1 防夹 区的定 义  . 日 青  J 『

所 定义 的防夹 区( 1 图   阴影 部 分 ) 为从 离 电动 车 ‘  
1 

现代汽 车 中越 来 越 多 电子 设 备 的应 用 , 方 面  一 提高了汽 车的舒 适 性 , 同时 也对 汽 车 的安全 性 提  但 出了新 的要 求  , 如汽 车 的 电动 车 窗 。 由于 电动  J例 车窗 中 自动功 能 的引入 , 得 车 窗在 自动 上 升 的过  使 程 中, 夹伤乘 客 的危 险 。考 虑 到 电动 车 窗 存在 的  有 潜 在危 险 , 一般 在 具有 自动关 闭 功能 的 电动 车 窗上 
增加 防夹功能 。  

窗玻璃 无 障 碍上 升 运 动 的  最 大 位 置 (顶 端 )4 ~  

1 防夹 功 能说 明 
所谓 防夹 , 就是 指 在 电动 车 窗 自动 上升 过 程 中  夹住物 体并达 到 一定 力 度后 , 电动 车 窗 自动 停 止  让 或 回落 , 以防止物体 ( 用 尤其是 人体 ) 夹伤 。 被   为 了实现 防夹 , 同时 防止 电动 车 窗 在 到达 车 窗 

顶端后继续反 向下降情况的发生 , 并鉴于在车窗开  始上升 的初始 阶段 即使 遇到 障碍物并 达 到一 定力 度  也不必 进行 防夹 , 以有必要先 进行 防夹 区 的定 义 。 所  
原稿收到 日期为 20 年 3月 4 1 , 08   修改稿收到 1期 为 20 3 3 0 8年 5月 5日。  

20 ( 0 3 ) 01  0 8 V 1 0 N .2 .

马伟 泽, : 等 采用霍尔传感器 的汽车电动 车窗 防夹设计 

? 13? 12  

中, 出于成 本 和简 化 的原  因, 采用 了普 通 的整 流式  电动机 。电动机 内有两组  绕 向不 同 的磁 场 线 圈 , 通  过 开关 的控制可 做正转 和  反转来 实现升 降。在 电机 
系统 ( 2 中 埋 植 磁 环 , 图 )  
图 2 电机系统 

小, 电流随之增大。而电机转速变小会造成霍尔信  号的脉宽增大。利用这一特性 , 通过霍尔信号脉宽  或者 电机电流的变化来判断车窗是否遇到障碍物,  
从 脉宽宽 度的 大小 判 断夹 物力 的大 小 , 而最 终 确  进 定是否 产生 防夹作用 。   综合 以上分 析 , 电动车窗要 产生 防夹 作用 , 必须  满足 如下 条件 :  

通过电子模块中植入的霍尔传感器感应磁场  。电 J  
动机转 子转动 l , 使 霍尔 传感 器 产 生 方 波脉 冲  周 将

( )电动车窗处于 自 1 动上升过程中;  
( )电动 车窗处 于 防夹 区域 中 ; 2   ( )电动 车窗遇 到 的阻力超过 防夹力 (0 N)  3 10 。 为 了满 足第 1个 条 件 , 还要 进 行 车 窗运 行 方 向  

信号 , 利用 M U mc   n oe ui 内部时钟模块  C ( i o ot lr n ) r c rl  t 的输 入捕捉 功能捕 捉 信 号个 数 , 而确 定 电 动车 窗  从 的位置 。  
夹物力 的判断 基 于 电机 的 物理 特 性 , 以 首先  所 建 立车窗 电机的物理 模型 l , 图 3所示 。 L 如 3   J  

的检测。通过采集 电机电枢两端的电压信号 , 并对  其进行 A D转换 , / 比较数字信号的值从而确定 电动 
车 窗是否处 在 自动上 升 阶段 。  

~  

D  

2 防夹 系统设 计  
2 1 硬件 设计  .

() a机械特 性 

() b 电气特性 

以汽车车 身 的左 后 门设 计 为 例说 明 防夹 系统 。   该 防 夹 模 块 采 用 Fesa   S8系 列 微 处 理 器  recl HC0 e MC S8 Z 0 它具有 Fesa 90 D 6 , recl 度节 能 型 S8核 , e高 0  

图 3 电机 的物 理 模 型 

图 3中各参 数应满 足的物理 表达式 为 
u £ e f R ()+   ( ): ()+   £ £
d 

支持 5 V应用; 带有 内部 E P O 低压中断( V ) E R M、 LI   电路 、 稳压器 、 k 输 出 (/ 复 用器 、 门狗 电路  输// IO) 看 与模 数 转 换 器 ( D ) C N 总线 控 制 器 ; A C 、A 具有 业 内 
最 佳的 E MC性 能 ; 具有 增 强 型 掉 电检 测 , 用 于实  可 现掉 电或断 电情 况下 的受控加 电复位 H 。 j 

e )= () m()=     (   f ,   航()  

. :m( ) f f ,   f 一 o()  
Q‘  

式 中 £为 电枢 两端 电压 , 电枢 自感 , 为转 动 惯  , L为 - , 量 , 电枢 等效 电阻 , 为 电机转 速 , t为 电机 电  R为     ) ( 流 ,() et为转 子 产生 的反 向 电动 势 , 电机 转 动 中  ,为 的阻力和摩 擦力 , t为 电机转矩 。 m()   为便 于分析 , 上述各式 进行拉 普 拉斯 变换 , 对 得 
频域 内的关 系式 为  u p  ( )+ ,p +  ( ) ( )= p R ( ) 上 p  
ep   () ( )= p 

由于左后门模块要与汽车车身及其他 门模块进  行通信 , 需要设置 LN通信 电路。所 以整个模块应  I 该包括 基本 的电 源 电路 、 位 电路 、 复 晶振 电路 , 应  还 具有电动车窗驱动电路、 I LN通信 电路、 按键检测电  路、 霍尔 信号 检测 电路 和 电流 放 大 电路 。硬 件 框 图  如 图 4所示 。  

u( ):k( ) p Ip  
Io( )= p f p   p p M( )-O( )

合并 以上各 式 , 到如下关 系式 为  得
Up   ( ):
j ’J p  

+ a( )+ ( ) e p   p 

由于电枢两 端 电压 、 电机 转 动惯 量 对 于 一个 确 

定的电机系统固定不变, 所以当上式 中  增大时,  , 必 随之增 大 , 系 式才 满 足 。 即当 车 窗在 上 升 过程  关 中遇到 障碍 物 时 , 导致 阻力 增 大 , 而 电机 转 速 变  从

图 4 硬件框图 



车 工

程 

20 ( 3 08年 第 O卷) 1 第 2期 

( )电源管理采 用 T A 64 T芯 片 , 了将 汽  1 D 36 A 除 车 内车载 1V 电源 转换为单 片机 内部各模块 所需 的  2 5 电源外 。 V 还可 以为单片 机提供 上电复位 电路 。   ( )电动车 窗 开关输 入 采 用 电 阻编 码 方 式 , 2 门  模 块 内部 具有上拉 电阻 , 过 M U 的 A 通 C D采 样输 入  电压判 断当前 开关 状 态 。按 键 的状 态包 括 空 闲、 手  动上升 、 自动上 升 、 手动下 降和 自动下 降 。   ( )门模块 的通信 不 需要 太 大 的带 宽 , 实现  3 要 的功 能 也 不 复 杂 , 以选 用 低 成 本 的 串行 通 信 总  所
线—— UN总线 。在设 计 中采用 TA12   I J 0 0 LN接 收 

状 态 , 对 电机 断 电后 产 生 的脉 冲进 行 位置 加 法操  则 作, 如果 当前 为上升状态 , 则对 电机 断 电后产 生 的脉 

冲进行位置减法操作。   ( )是否 达到 防夹力 2

设计 中采 用方 波脉 冲宽 

度 的变化情况 来 判 断 防夹 。在 软件 执 行 过程 中 , 首  先对 电动车 窗进行初 始化 。电动车 窗在初 始化 时遵  循 以下步骤 : 升到顶  下 降 到底 : 一 步 , 车 窗  上 第 使 上 升到 顶 , 电机堵 转 关 断 , 该 位置 为 0 即位 置 计  记 , 数 器为 0 第 二步 , 车 窗 下 降到 底 , 降过 程 中每  ; 让 下 次输入 捕捉 中断 就 将 位 置计 数 器 加 1 下 降到 底 让  , 电机堵 转关 闭 , 时 记住 下 限 位置 。初 始 化上 升 时  这

器 。它是专 用于 汽车 LN总线 的 物 理层 接 口器件 , I  

完全兼容 LN20协议 , I . 最高传输速率为 2 k/ , 0 b s而  且具有非常低的电磁辐射和良好的电磁兼容性。   ( )车窗 电动机 的驱动运用基 本 的三级 管 驱动  4 电路 , 软件 以及 继 电器 的吸合 控制 电动 机 正转 、 结合  
反转 和停 止运行 。  

遇到堵转认为上升到顶 , 中途堵转须先执行下降  若 操作( 不必下降到底)再使升降器上升到顶 即可完  , 成初 始化第 一步操 作 。下 降过程遇 到堵 转认 为下 降  到底 。若初 始化 上 升途 中突然 熄 火 , 窗依 旧上 升  车
到顶 ( 动 按住 按 键 ) 但 不 能记 录顶 端 位 置 , 手 , 即不  能完成初 始化 的第一步操 作 。若 完成初 始 化第一 步  操作后 执行第 二 步下 降操 作 的过程 中突 然熄 火 , 车 

() 5 霍尔信号检测利用霍尔传感器 S56 T S6 A 本  身 的功能 , 其 脉 冲信 号 输 出到 MC 内部 T M 模  将 U P 块 的端 口, 在软件 中配置该 时钟接 口 , 并 工作 在输 人  捕 捉模式下 , 其上 升 沿进 行 采样 , 取信 号 个 数 。 对 读  
同时将微 控制 器 IO 口和 S 5 6 T的 G D端 口连  / S6A N

接, 可在电机不运行时将传感器关断 , 降低静态电流  的消耗 。  
2 2 软件 设计  .

窗依旧下降到底 , 但不能记录底端位置, 要完成第二  步操作须使升降器上升到顶 , 再点火使升降器下降  到底 。初始 化完毕 后 即有 自动功能 和防夹 功能 。   正常 运行且 车 窗 自动 上 升 时 , 发 生 一 次输 入  每
捕捉( 即每 个脉 冲 ) 将 位置 计 数 器减 1 并且 对 电  就 ,

2 2 1 软件 算法  ..

( )如何 判断进 入 防夹 区 1

玻璃 位 置 的检测 是 

机的 H L 信号脉冲宽度进行采样 , AL 将前 1 0次采样  值 i 置在 1 放 0个连 续存储 单元 中 , 求一个平 均值 / 3 。   并记 录 ( 该平 均值 通过 去 掉一 个 最 大值 和 一个 最小 
值然后 求 平 均 得 到 ) 。之 后 连 续 1 采 样 得 到 的  0个

通过 对控制模 块 中的霍尔传感 器发 出 的方波 进行 计  数来 实现 。软件设计 中通过单 片机 芯片 的输 入捕 捉  功能记 录车窗运 行 过程 中的脉 冲个 数 , 车 窗 的上  将

H L A L信号 脉 冲宽 度 的平 均值 记 为 。如 果 电动 车  , 窗进 人防 夹区后 , 行  进 。与  的 比较 , 若  一I 大  ) 0 于 给定 的阈值 , 时就认 为满足 防夹要 求 ; 则用 , 这 否   覆 盖  , 继续 比较 , 出防夹 区后停 止 比较 。这 里最  超 大 的困难 是 阈值 的确定 , 若该值 较小 , 以上 干扰 因  则 素会造 成误操 作 ; 该值 较 大 , 会 造成 夹 力 过 大。 若 则   因此该值 的大小需 要 根 据情 况 具 体选 择 , 在 程 序  并
中实现 自动 化 。  

密封 条 记 为位 置 0 而 下 密 封条 为 最 大 位 置 。在 车  , 窗上升过 程 中将 位 置 计 数器 减 1 上 升 到 顶 时位 置  , 计数器 清 0 下 降 时位 置 计数 器加 1 , 。因 此 , 可按 照  要求确定防夹 区界 限 对应 的位 置计 数 器 的值 。通 过  对位置计数器 的值 的检测可 以间接判断玻璃 的位 置。  
脉 冲计 数 方 式 的关 键 问题 在 于位 置 记 录 要 精 

确 , 在试验 中却 存 在 电机 切 断 电源 后 依 旧会 发 出  但 几个 脉 冲的问题 , 几个脉 冲 由惯 性造 成 , 这 而且 不 同  的玻璃 升 降器 产生 的脉 冲个 数不 同 。这 些 脉 冲对 车  窗位 置影 响随情况 的不 同而不 同。在 车窗 上下 两端 
堵转 时 , 这些 脉 冲不 太可能造 成车 窗位 置 的变化 , 而 

2 2 2 系统软件 构成  ..

为 了便 于软 件 的 编写 、 试 、 改 和维 护 , 测 修 在软 

在 中间位 置停止 时 则有 可 能造 成 车 窗 位 置移 动 , 特  别 是下 降途 中人 为停 止 时对车窗 位置 的影响更 大 。   为 了减 小这种 影 响 , 电机通 电运 动 时 位 置计  与 数 一样 , 在算法 中捕捉 这些 脉 冲。如 果 当前 为 下 降 

件设计中, 采用了模块化 、 结构化和参数化的设计方  法, 并用 c语 言来实现 。主要 的执行 函数包 括 : 单片  机 外 围初始 化 、 车窗 位 置 检测 、 动机 电流检 测 、 电 电  机 控制 、 防夹条 件 判 断 和 防夹 执行 。其 电动 车 窗控 
制 流程如 图 5所 示 。 其 中 , 防夹 算 法包 含 在 电动 车  窗控制 函数 中。  
( 转第 10 下 17页 )  

20 ( o 3 ) o 1  0 8 V 1 0 N .2 .

吴定超 , : 等 基于小波包分解 和特征能量提取技术的车内传导干扰源识别 
理工大学学报 ,0 3,5 5 :5— 7  20 2 ( ) 5 5 .

? 17? 10  

基础上 , 在进行小波分解前做一定 的去噪和阈值处  理后, 再利用小波分解的特性, 提取由不同干扰源产  生的干扰信号的满尺度小波包分解后的特征能量向   量, 可以得到干扰源的很多有用信息。尤其是利用  小波包分 解较 强 的局部 识 别 能力 , 当干 扰 源参 数 发 
生微弱 变化时 , 以很 好 地得 出车 内 电压 波 动是 由  可

[ ] M rnzA a r ,R i M r o ae t n   ae t akt 4   a i   la n u   e n .W vl   d W vl   ce te ji z i ea eP   C m r s no P ooa D o m [ ] l t n s ee , O , o p s o    ncr i r sJ .E co i   t r 2 4  ei fh   g s er c L ts 0
4 1 ) 14 o(7 :00—14 . 01  

[ ] G i hn ? a H rFn-i Wae t a e m x u   n oy 5 u Z og u , a  eg .   h t q . vl   c t a m m E t p  eP k - i r
S e tu E tma o   d I   p i ai n i  u b n ' F u tDig o   p c r m  s i t n a  t Ap l t  n T r i es a l a n i n s c o     -

s [ ] uo t no l tcPw r ytm ,O 4,8 2 :2— i J .A t i  f e r  o e  s s20 2 ( )6   s mao E ci S e
6. 6 

哪些 干扰源产 生 的 , 对 车 内干 扰 源 的 电气 特性 的  这 研究是很 重要 的 。如果 能够掌握 用 电器 的更 多的 电  器特性 , 其识别 能力可 进一步 提高 , 当前 改变 3个  从 电器特性 的实验 结果 可以看 出该 方法 对识别 车 内特 
殊干扰 源是可 行 的。   参 考文献 
[ ] 赵岩. 1  汽车数字 A V产品 的抗 干扰研究 [ ] 电磁 质量 ,06 J. 20  
( )5 6. 2 :8— 0 

[ ] 孙传奇 , 6 滕召胜 , 邹立 明. 小波包分 解重构算法 在无功 电能 计 
量 中的应用[ ] 电力科学与工程 , 0 ( )4 4 . J. 2 54 : 0 5— 8   [ ] 林泉. 7 小波包最优分解 在配 电网小电流接地 故障检测 中的应 

用研究[]科技与企业( J. 北京)20 (1 : — 1 , 5 1)3 4 . 0 8  
[ ] N s , c t , aai e a Wa l  akt eo psi     8 ai P h n K h e, t 1 v e P e D cm oi na i r s a   . etc   t s o
aP p rMeh d frF utDeeto  nT reP aeI u t n Mo    r e   to  o  a l o   t i n i  h e  h s nd c o   - c i

tr C] Poednso  e IE   t nt nlC neec n o [ . rceig ft  E E I e aoa  of n eo  h n r i r
Me h to c   0 4: 3~l   c ar n s 2 0 1 i 8.

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与 研究 ,0 5,7 5 :8一l . 20 2 ( ) 1 9  

[ ] 陈昌巨, 3 李俊松 , 聂海. 汽车 电系传导干扰模 拟研究 [ ] 武汉  J.

( 上接 第 12 14页 )  

3 结束语 
文 中以车身左后 门 的设 计为例 来说 明整 个 系统 

设计 过程 , 实稍 作 改 动该 防 夹 系统 便 可 以应 用 到  其 其他 3个车 门。防夹 的原理 还可 以应用 到其 他需 要  考虑 其安全 因素 的移动装 置上 。  
参考文 献 
[ ] 周云山 , 1 钟勇. 汽车电子控制技术[ . M] 北京 : 机械工业 出版社 ,  
2 l3. C   0

[ ] 陈兆龙 , 2  范庆波. 基于 F e a 单片机 的防夹玻璃升降器 的研  e ce rsl 制 [] 巢湖学院学报 , 0 ,( ) J. 2 683 . 0   [ ] Am 1 V 4 0 A tP c y e   r l t a Wi o [ . 3 te .A R 8 : n .i hSs m f   e r l n w G] i n t o Ec i   d c  
2 0 . O 6 

图 5 电动车窗控制流程 

[ ] Fesa .MC S8 Z 0D tsetR v 1 G]20 . 4 r cl e 9 0 D 6   a he. e. [ .0 6  a


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