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霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2020-11-17 來源:Ivy Jin 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,人們追求更加舒適和便于操作的駕駛環(huán)境,因此,越來越多的汽車上安裝了電動車窗,從而實現(xiàn)車窗的自動升降。然而,由于電動車窗的上升速度較快,很容易引發(fā)夾傷乘客等事故,尤其是對兒童形成了安全隱患。這對于汽車的安全性提出了新標(biāo)準(zhǔn),要求電動車窗具有一定的防夾功能。
 
防夾功能主要是指當(dāng)車窗上升的過程中遇到障礙物(如手、頭等)時,可以識別出車窗處于夾持狀態(tài),并令其立即停止上升并反向下降,從而避免事故的發(fā)生,是汽車人性化的重要體現(xiàn)。
 
此功能也被許多國家納入了法律規(guī)范中。美國交通部頒布了針對電動車窗系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSII8,歐盟標(biāo)準(zhǔn)74/60/EWG也對防夾保護裝置應(yīng)確保的防夾力進行了明確規(guī)定。中國也已頒布了類似的法規(guī)(GB 11552-2009),要求自2012年起,新增車輛的電動玻璃升降器應(yīng)具有防夾功能,且防夾力小于100N,也就是說在防夾力達到100N前,車窗玻璃開口在4~200mm范圍時,車窗應(yīng)停止上升并且反向下降。
 
目前電動車窗的防夾功能主要是通過以下兩種方案實現(xiàn):霍爾傳感器方案和基于紋波計數(shù)的無傳感器方案。
 
1.霍爾傳感器方案
 
此方案在電機軸上安裝磁環(huán),在磁環(huán)附近安裝霍爾傳感器,當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時帶動磁環(huán)轉(zhuǎn)動,在霍爾傳感器上感應(yīng)出高低電平的脈沖信號,脈沖的個數(shù)反映了電機的位置,脈沖的頻率反映了電機的轉(zhuǎn)速。
 
當(dāng)電動車窗上升并遇到障礙物時,阻力變大,電機轉(zhuǎn)速將減慢,對應(yīng)脈沖信號的脈寬將變大,此時系統(tǒng)會向ECU模塊報告信息,ECU向繼電器或電機驅(qū)動芯片發(fā)出指令,使電機停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn),從而令車窗停止或下降,實現(xiàn)防夾判斷。
 
DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應(yīng)傳感器,具有寬工作電壓范圍(2.7 至38V)和高達-22V的反極性保護,使得該器件廣泛適用于各種汽車應(yīng)用。此外,該器件還具有拋負(fù)載、輸出短路和過流等內(nèi)部保護功能。
 
霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應(yīng)用
圖1 DRV5013-Q1的場方向定義
 
霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應(yīng)用
圖2 DRV5013-Q1輸出
 
此方案需要安裝磁環(huán)且每個車窗都需各自的控制器,因此成本較高。
 
相比于霍爾傳感器方案,基于紋波計數(shù)的無傳感器方案可以節(jié)省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關(guān)線束的成本。此外,此方案可以用單控制器同時控制多個車窗,能夠提高整車的集成度,進一步降低控制器的成本。因此,基于紋波計數(shù)的無傳感器方案將成為未來電動車窗防夾的發(fā)展趨勢。
 
2.基于紋波計數(shù)的無傳感器方案
 
紋波計數(shù)的無傳感器方案是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中,電刷在電級間切換產(chǎn)生電流紋波,并對這種電流波動進行采樣、分析和控制。
 
霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應(yīng)用
圖3 直流電機
 
此方案首先通過采樣電阻將電機電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,并通過運放對電壓信號進行濾波和放大,放大后的信號一路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給到MCU,作為防夾及堵轉(zhuǎn)的判斷依據(jù),另一路通過濾波器和比較器得到方波信號,此方波的頻率和電機的轉(zhuǎn)速成正比。通過方波的個數(shù)和頻率可以判斷電機的位置和轉(zhuǎn)速。
 
霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應(yīng)用
圖4 TIDA-01421的系統(tǒng)框圖
 
參考設(shè)計TIDA-01421提供了一種無傳感器的紋波防夾方案。該設(shè)計主要分為以下幾個部分:
 
電流檢測放大
 
INA240-Q1是一個寬共模范圍,高精度,雙向電流檢測放大器。該器件具有–4V至80V的共模范圍,120dB的超大共模抑制比,能夠提供準(zhǔn)確,低噪聲的測量結(jié)果。
 
應(yīng)用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個簡單的RC輸入濾波器,以減少高頻電機電刷產(chǎn)生的噪聲和潛在的PWM開關(guān)噪聲。
 
帶通濾波器
 
電流檢測放大器的輸出通過有源帶通濾波器進行濾波,以消除額外的噪聲和直流分量,從而得到電流紋波信號。
 
TLV2316-Q1是一款雙通道,低壓,軌至軌通用運算放大器。該器件具有單位增益穩(wěn)定的集成RFI 和EMI 抑制濾波器,在過驅(qū)條件下不會出現(xiàn)反相,并且具有高靜電放電(ESD) 保護(4kV HBM)。
 
差分放大器
 
在電機啟動時,電機電流會出現(xiàn)非常大的初始尖峰,即浪涌電流。該電流尖峰足夠大且足夠慢,以至于不能被高通電路濾除。通過差分放大器,可以從信號中消除這種低速,高振幅電流尖峰,從而生成一個低噪聲的交流信號,供下一級比較器進行測量。
 
比較器
 
經(jīng)由差分放大器輸出的信號通過比較器最終產(chǎn)生一個0V至3.3V的方波信號,其頻率等于電機電流紋波頻率。此方波信號最終供給MCU用于計數(shù)。
 
LMV7275-Q1是一款軌至軌輸入低功耗比較器,并具有漏極開路輸出。小型SC-70封裝非常適合低電壓,低功耗、對空間要求嚴(yán)格的設(shè)計。 
 
霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應(yīng)用
圖5 各級輸出波形
 
綜上所述,本文介紹了兩種應(yīng)用于電動車窗防夾的方案——霍爾傳感器和紋波防夾技術(shù)的基本原理,比較了紋波方案相對于霍爾在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢。雖然霍爾方案以其成熟技術(shù)和高可靠性,占據(jù)著目前市場上車窗防夾應(yīng)用的主導(dǎo)地位,但是隨著機械加工工藝和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,紋波技術(shù)市場份額的增加趨勢將越發(fā)明顯。
 
 
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