【導讀】隨著(zhù)現代汽車(chē)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(lái)越多的汽車(chē)上安裝了電動(dòng)車(chē)窗，從而實(shí)現車(chē)窗的自動(dòng)升降。然而，由于電動(dòng)車(chē)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(chē)的安全性提出了新標準，要求電動(dòng)車(chē)窗具有一定的防夾功能。
防夾功能主要是指當車(chē)窗上升的過(guò)程中遇到障礙物（如手、頭等）時(shí)，可以識別出車(chē)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(chē)人性化的重要體現。
此功能也被許多國家納入了法律規范中。美國交通部頒布了針對電動(dòng)車(chē)窗系統的法規FMVSSII8，歐盟標準74/60/EWG也對防夾保護裝置應確保的防夾力進(jìn)行了明確規定。中國也已頒布了類(lèi)似的法規（GB 11552-2009），要求自2012年起，新增車(chē)輛的電動(dòng)玻璃升降器應具有防夾功能，且防夾力小于100N，也就是說(shuō)在防夾力達到100N前，車(chē)窗玻璃開(kāi)口在4~200mm范圍時(shí)，車(chē)窗應停止上升并且反向下降。
目前電動(dòng)車(chē)窗的防夾功能主要是通過(guò)以下兩種方案實(shí)現：霍爾傳感器方案和基于紋波計數的無(wú)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，當電機轉動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁環(huán)轉動(dòng)，在霍爾傳感器上感應出高低電平的脈沖信號，脈沖的個(gè)數反映了電機的位置，脈沖的頻率反映了電機的轉速。
當電動(dòng)車(chē)窗上升并遇到障礙物時(shí)，阻力變大，電機轉速將減慢，對應脈沖信號的脈寬將變大，此時(shí)系統會(huì )向ECU模塊報告信息，ECU向繼電器或電機驅動(dòng)芯片發(fā)出指令，使電機停轉或者反轉，從而令車(chē)窗停止或下降，實(shí)現防夾判斷。
DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應傳感器，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(chē)應用。此外，該器件還具有拋負載、輸出短路和過(guò)流等內部保護功能。
圖1 DRV5013-Q1的場(chǎng)方向定義
圖2 DRV5013-Q1輸出
此方案需要安裝磁環(huán)且每個(gè)車(chē)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，基于紋波計數的無(wú)傳感器方案可以節省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關(guān)線(xiàn)束的成本。此外，此方案可以用單控制器同時(shí)控制多個(gè)車(chē)窗，能夠提高整車(chē)的集成度，進(jìn)一步降低控制器的成本。因此，基于紋波計數的無(wú)傳感器方案將成為未來(lái)電動(dòng)車(chē)窗防夾的發(fā)展趨勢。
2.基于紋波計數的無(wú)傳感器方案
紋波計數的無(wú)傳感器方案是利用轉子轉動(dòng)過(guò)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(dòng)進(jìn)行采樣、分析和控制。
圖3 直流電機
此方案首先通過(guò)采樣電阻將電機電流信號轉換為電壓信號，并通過(guò)運放對電壓信號進(jìn)行濾波和放大，放大后的信號一路經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信號給到MCU，作為防夾及堵轉的判斷依據，另一路通過(guò)濾波器和比較器得到方波信號，此方波的頻率和電機的轉速成正比。通過(guò)方波的個(gè)數和頻率可以判斷電機的位置和轉速。
圖4 TIDA-01421的系統框圖
參考設計TIDA-01421提供了一種無(wú)傳感器的紋波防夾方案。該設計主要分為以下幾個(gè)部分：
電流檢測放大
INA240-Q1是一個(gè)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，能夠提供準確，低噪聲的測量結果。
應用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個(gè)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)噪聲。
帶通濾波器
電流檢測放大器的輸出通過(guò)有源帶通濾波器進(jìn)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定的集成RFI 和EMI 抑制濾波器，在過(guò)驅條件下不會(huì )出現反相，并且具有高靜電放電(ESD) 保護(4kV HBM)。
差分放大器
在電機啟動(dòng)時(shí)，電機電流會(huì )出現非常大的初始尖峰，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(guò)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(gè)低噪聲的交流信號，供下一級比較器進(jìn)行測量。
比較器
經(jīng)由差分放大器輸出的信號通過(guò)比較器最終產(chǎn)生一個(gè)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。
LMV7275-Q1是一款軌至軌輸入低功耗比較器，并具有漏極開(kāi)路輸出。小型SC-70封裝非常適合低電壓，低功耗、對空間要求嚴格的設計。
圖5 各級輸出波形
綜上所述，本文介紹了兩種應用于電動(dòng)車(chē)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(shí)際應用中的優(yōu)勢。雖然霍爾方案以其成熟技術(shù)和高可靠性，占據著(zhù)目前市場(chǎng)上車(chē)窗防夾應用的主導地位，但是隨著(zhù)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(chǎng)份額的增加趨勢將越發(fā)明顯。
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