对窗户升降系统的具体要求是在启动阶段,检测已经存在的障碍状态。事实再一次表明,在汽车窗户升降器升起时,有几种情况可能发生夹伤事故。两种最常见的可能情形是∶
■窗户玻璃的位置非常靠近窗户支柱,而且阻塞物体正好位于玻璃和窗户支柱之间。
■如果窗户模胚的形状为一个锐角,这样大部份情况下都容易发生夹伤现象(见图1)。
窗户升降器的动力来自一个直流马达。它直接提供旋转运动,并通过与转子和磁鼓的耦合来提供变速运动。电枢电路和转子外形如图2所示。
图2. 直流马达
正常情况(软启动)下,在开始启动阶段,马达功率的增加与其角速度成正比,稍後就以一定常数增加。软启动开始期间的夹伤可能性比进入稳定状态的可能性大。因此,在具体实施时有必要定义两个在不同时期运行的马达功率阈值。如果检测到的防夹状况达到了夹伤阈值,窗户玻璃就在下降的过程中停下来以免事故发生;如果是在上升过程中,它将会下降一个固定的长度。
2、硬件实施
本系统的设计原理见图3,具体实施方案见图8。采用的元器件介绍如下:
■ ST72F324微控制器∶内部频率为8MHz,32k字节HDFlash,1k字节RAM,10bit ADC。
■ L4979稳压器∶用于软件失效时微控制器中数据的自动恢复,器件中还嵌入了一个可编程看门狗定时器。
■ 用于PC串行端口的ST232通信接口。
■ VNH2SP30全桥马达驱动器,适合各种汽车电子应用。
图3窗户升降器原理图
其中,稳压器启用(Voltage Regulator Enable)连接器(图4中的第5项)上安装一个跳线,以便启用稳压器,提供系统所需的5V电压。
上升按钮(Up key,图4中的第8项)和下降按钮(Down key,图4中的第7项)管脚配置为输入上拉模式,使其通常处于高电平(5V);如果按下UP或DOWN按钮,将显示两种不同情况:
■ Short Touch: 如果按下按钮的时间少于100ms,窗户玻璃将一直上升或下降(取决于按下的按钮属性),直到窗户的上边沿或下边沿接触到位为止。
■ Long Touch∶如果按钮按下的时间超过100ms,窗户将按照具体接触状况上升或下降,具体依赖于按钮的属性。
Window Up switch管脚(图4中的第6项)也配置为输入上拉模式,且必须连接到一个用来指示窗户运行结束的机械开关,以便了解是否接触到了门窗的上方极限位置。
微控制器可以通过ICP连接器(图4中的第4项)进行重新编程。PC7连接器(见图4中的第9项)上的跳线通过一个具有固定占空比(50%)和频率(20kHz)的PWM信号驱动VNH2SP30,此时没有防夹伤功能。在驱动有防夹伤功能的窗户升降器时,必须断开PC7跳线。具有防夹伤功能情况下的操作流程如图5所示。
在打开电源或重启後,微控制器对所有使用过的外设 (输入/输出、定时器、ADC和SCI)进行初初始化,并启动一个只能执行停止重新设定或关掉线路等指令的无限环路(infinite loop)。
重设防夹标志符,微控制器将轮询访问各个key管脚。在这一阶段,微处理器工作于SLOWMODE模式,以降低功耗。
图4. PCB布局
图5. 防夹伤功能流程图
一旦按下按钮,选择的将是常规操作模式,并设置或重置VNH2SP30的INA和INB管脚,具体取?于被按按钮是上升键或下降键,Timer B Out Compare管脚用来为VNH2SP30提供一个频率为20kHz、占空比为30%的PWM信号,而Timer A Output Compare管脚用来随机应变地执行任务,执行时间为1ms。在1ms的任务执行期间,通过ST7 ADC采集电流感应,平均采集时间为10ms。
要知道是否会发生夹伤,必须将功率和平均功率与相应阈值进行比较。所考虑阈值的大小取决于上升启动阶段是否已经完成,或者软启动依然在进行中。除非按下了某一按键或发生了夹伤现象,占空比均以线性增加到100%为止,而PWM则变成一个常数(图6)。
在这一点系统等待下一事件∶按下某一按钮或夹伤现象发生。如果按下了某一按钮,马达将停止运行——重置VNH2SP30的PWM管脚,并设定INA和INB使马达立即?住,使车窗玻璃停止。万一发生夹伤现象,首先应该检查Window Up开关。
如果玻璃到达了窗户上方极限,将驱动马达运行800ms,将窗户玻璃锁定。否则,如果玻璃处于上行过程中,马达将下行800ms,以释放被夹物体;如果玻璃处于下行过程中,马达就停止运行。
图6. VNH2SP30的PWM信号
3、PC接口
在接通线路板电源後,VNH2SP30按照有关参数的默认值(PWM、软启动持续时间、两个阈值,或固定PWM频率和占空比)进行编程。借助串行端口,使用PC接口与VNH2SP30之间交换数据,可对上述参数进行修改或采集数据。使用PC接口时,必须保证马达已经停止。
从图7可以看出程序掩码,使用掩码上方的滑块可进行如下改动∶
■PWM频率∶可能值为5、10、15或20kHz,默认值为20kHz。降低频率可以听到某些噪声,具体取?于所使用的马达。
■软启动持续时间∶大概范围为800ms至2.5s之间,默认值为800ms 。
■阈值1∶在软启动期间使用,具体取?于车窗特徵,默认值为55。增加该阈值,就增加了启动防夹措施之前施加于障碍物上的力量。
■阈值2∶用于软启动开始之後。默认值为20。同上相同,如果增加该阈值,就增加了启动防夹措施之前施加于障碍物上的力量。
如果安装PC7跳线,微控制器就产生一个具有固定频率和固定占空比的PWM信号,其中,频率和占空比的大小可以通过调整图7所示的掩码中部的数据框中的数字实现。
在设定好所有数值後按“Send”按钮,这样在下一次驱动汽车窗户时就可以使用这些新的数据了。
也可以每毫秒采集一些信号:
■瞬时电流∶它是从VNH2SP30的CS管脚读取的电流,平均持续时间约10ms,仅仅用来忽略噪声。
■完整电流∶它也是从VNH2SP30的CS管脚读取的电流,但是平均持续时间约100ms。它与瞬时电流波形相似,只是有延迟。
■差分电流∶它是上述两个电流的差值,且是根据阈值进行比较的结果。
在选择了上述任一选项之後,按“Send”按钮,这同时也改变了PWM频率和软启动等。
信号采集只有按下线路板上的“UP”和“DOWN”键之後才能开始,在按下软件上的“Acquis.Stop”按钮之後才停止。一旦停止信号采集,将在安装软件的目录下生成一个“.csv”文件。所生成的每个文件由两栏组成∶第一个带有时间(ms)信息,第二个是信号的数值。
图7. PC软件
图8 基于VNH2SP30的汽车窗户防夹伤实施方案