一种低成本车窗防夹控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种低成本车窗防夹控制系统及方法。本发明专利技术包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路。电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号。电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小。所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号该方法不需要安装额外的传感器，只用到了有刷直流电机的一般特性，利用电机转动时产生的周期性的电流纹波信号来代替霍尔传感器实现防夹控制。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本车窗防夹控制系统及方法
本专利技术属于汽车电子领域，涉及一种低成本车窗防夹控制系统及方法。
技术介绍
随着汽车车窗从摇臂式发展为电动式，给人们带来便利的同时存在安全隐患，因此将防夹模块引入电动车窗控制系统中具有重要意义。目前主流的防夹控制模块多数采用光电和霍尔传感器来获取电机的速度和车窗的位置信息来实现防夹控制，但这样依赖传感器的防夹模块存在硬件成本较高、结构复杂和安装不便等问题，难以大规模应用。此外，防夹控制系统容易受到外界环境因素的干扰，例如路面的平坦程度、车窗胶条的老化程度、电机驱动电压的大小以及温度的高低都会对防夹控制系统的可靠性产生影响。如果采用固定参数进行简单的防夹运算处理会导致车窗防夹功能在外界条件恶劣的情况下产生误判，造成防夹功能失效，可能引起严重后果。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于电流纹波具有自适应功能的低成本车窗防夹控制电路和控制方法。该方法不需要安装额外的传感器，只用到了有刷直流电机的一般特性，利用电机转动时产生的周期性的电流纹波信号来代替霍尔传感器实现防夹控制。一种低成本车窗防夹控制系统包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路。所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器，其中带通滤波器包括电阻R6、电容C3、电阻R7和电容C4；直流电机M的一端接继电器的一个输出端、采样电阻Re的一端、电阻R1的一端，另一端接继电器的另一个输出端、采样电阻Re的另一端、电阻R2的一端；第一运算放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，反相输入端接电阻R1的另一端、电阻R3的一端，同相输入端接电阻R2的另一端、电阻R4的一端，输出端接电阻R3的另一端、电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电阻R5的一端；电容C3的另一端接电阻R6的一端、电阻R7的一端；电阻R7的另一端接电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容C4的一端；第二运算放大器U2为电压比较器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，同相输入端接电阻R8的另一端、电容C6的一端，反相输入端接电阻R9的另一端、电容C5的一端，输出端接电阻R10的一端；电阻R10的另一端接电容C6的另一端、电阻R11的一端、电容C7的一端、二极管D1的阳极作为输出端，接MCU的第15引脚PA6；二极管D1的阴极接3.3V；电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R11的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端接地；所述的电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小，包括电阻R12、R13、R15，电容C8-C10，二极管D2；电阻R12的一端接第一运算放大器U1的输出端，另一端接电阻R13的一端、电容C8的一端、二极管D2的阴极、电阻R15的一端；电阻R15的另一端接电容C9的一端、电容C10的一端后作为输出端，接MCU的第22引脚PA0；电阻R13的另一端、电容C8的另一端、二极管D2的阳极、电容C9的另一端、电容C10的另一端接地。所述MCU的第17、20引脚作为按键信号输入引脚，第61、62引脚分别接继电器的两个输入接口；VCC引脚和GND引脚分别接3.3V电源和地,其他引脚悬空设置，所述的第一运算放大器U1、第二运算放大器U2型号为LM2904，所述MCU的型号为STM32F103RBT6。所述的直流电机M，是通过继电器控制直流电机M转动方向，进而用于驱动车窗升降。本专利技术的另一个目的是提供基于上述低成本车窗防夹控制系统的车窗防夹控制方法。步骤(1)、通过MCU的第15引脚实时获取电流纹波的脉冲个数和周期，通过公式(1)获取每一个电流纹波脉冲下车窗位移：式中r为车窗卷扬轮半径，n为传动比，π为圆周率，θ为每个电流纹波脉冲下直流电机M转过的角度。步骤(2)、获取车窗的脉冲个数Nu，若Nu满足公式(2)，则认为车窗位于防夹区位置；N1≤Nu≤N2公式(2)式中，N1表示车窗位于防夹区的最低位置时对应的脉冲个数，N2表示车窗位于防夹区的最高位置时对应的脉冲个数，L表示车窗的最大位移；L1表示车窗位于防夹区的最低位置处的位移；L2表示车窗位于防夹区的最高位置处的位移；步骤(3)、在车窗位于防夹区位置时，通过夹持力Fp判断是否启动防夹功能，具体是：MCU在每个纹波脉冲到来时对电流进行采集并处理，设采集相邻两个纹波脉冲的周期为T1和T2，期间车窗运动的加速度为a，根据牛顿第二定理有：Ft-Fp-G-Ff＝M×a公式(5)式中Ft为车窗所受的升举力，Fp为障碍物的夹持力，G和Ff为车窗玻璃的重力和摩擦阻力，M表示车窗玻璃的重量。车窗所受的升举力Ft与直流电机M的功率和转动力矩有关，见公式(9)：式中T表示电机M的转动力矩为，ω表示电机M当前角速度，Ω表示电机M当前转速，P表示电机M当前输出功率，Uc表示电源电压，I表示MCU经电流检测电路采样的电机M电流；将升举力Ft和车窗加速度a代入公式(5),计算夹持力Fp：若夹持力Fp大于阈值(例如100N)则说明车窗在上升过程中夹持到了障碍物，MCU控制继电器改变直流电机M的转动方向，进而使得车窗下降。步骤(4)、实时更新摩擦力当车窗正常上升或下降时，这段过程夹持力Fp为0，摩擦力Ff与车窗的位置有关，车窗位置上的电流纹波脉冲不同，进而引起车窗运动的加速度变化，此时MCU更新防夹区内当前电流纹波脉冲下的摩擦力；Ff＝Ft-G-M×a公式(11)步骤(5)、更新直流电机M转过的角度当车窗完全上升到顶部，即车窗位移为L，此时电流纹波脉冲数为N，更新θ：本专利技术的有益效果：本专利技术具有电路结构简单，算法精简，防夹精度高，成本低廉，抗干扰能力强的有益效果，只利用了电机的特性，不需要安装额外的传感器。本专利技术利用了车窗和电机的机械传动模型，运算方法精简，能够实时跟踪车窗的位置、速度和采集电机的电流来计算夹持力的大小，提高了防夹判断的准确度，具有较好的可靠性。附图说明图1为本专利技术的总体电路图；图2为车窗防夹区示意图；图3为车窗防夹区的机械传动模型示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的分析。如图1所示，本专利技术包括主控MCU(STM32F103RBT6)、电流纹波采集电路、电流检测电路。所述的电流纹波采集电路负责在直流电机M转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器。采样电阻Re与直流电机M串联，第一运算放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，第一电阻R1、R2分别与第一运算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低成本车窗防夹控制系统，其特征在于包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路；/n所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器，其中带通滤波器包括电阻R6、电容C3、电阻R7和电容C4；/n直流电机M的一端接继电器的一个输出端、采样电阻Re的一端、电阻R1的一端，另一端接继电器的另一个输出端、采样电阻Re的另一端、电阻R2的一端；第一运算放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，反相输入端接电阻R1的另一端、电阻R3的一端，同相输入端接电阻R2的另一端、电阻R4的一端，输出端接电阻R3的另一端、电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电阻R5的一端；电容C3的另一端接电阻R6的一端、电阻R7的一端；电阻R7的另一端接电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容C4的一端；第二运算放大器U2为电压比较器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，同相输入端接电阻R8的另一端、电容C6的一端，反相输入端接电阻R9的另一端、电容C5的一端，输出端接电阻R10的一端；电阻R10的另一端接电容C6的另一端、电阻R11的一端、电容C7的一端、二极管D1的阳极作为输出端，接MCU的第15引脚PA6；二极管D1的阴极接3.3V；电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R11的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端接地；/n所述的电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小，包括电阻R12、R13、R15，电容C8-C10，二极管D2；电阻R12的一端接第一运算放大器U1的输出端，另一端接电阻R13的一端、电容C8的一端、二极管D2的阴极、电阻R15的一端；电阻R15的另一端接电容C9的一端、电容C10的一端后作为输出端，接MCU的第22引脚PA0；电阻R13的另一端、电容C8的另一端、二极管D2的阳极、电容C9的另一端、电容C10的另一端接地；/n所述MCU的第17、20引脚作为按键信号输入引脚，第61、62引脚分别接继电器的两个输入接口；VCC引脚和GND引脚分别接3.3V电源和地,其他引脚悬空设置，/n所述的直流电机M，是通过继电器控制直流电机M转动方向，进而用于驱动车窗升降。/n...

【技术特征摘要】
1.一种低成本车窗防夹控制系统，其特征在于包括主控MCU、电流纹波采集电路、电流检测电路；
所述的电流纹波采集电路负责在电机转动时提取出电流纹波信号，包括直流电机M、采样电阻Re、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、带通滤波器，其中带通滤波器包括电阻R6、电容C3、电阻R7和电容C4；
直流电机M的一端接继电器的一个输出端、采样电阻Re的一端、电阻R1的一端，另一端接继电器的另一个输出端、采样电阻Re的另一端、电阻R2的一端；第一运算放大器U1为差分放大器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，反相输入端接电阻R1的另一端、电阻R3的一端，同相输入端接电阻R2的另一端、电阻R4的一端，输出端接电阻R3的另一端、电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电阻R5的一端；电容C3的另一端接电阻R6的一端、电阻R7的一端；电阻R7的另一端接电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容C4的一端；第二运算放大器U2为电压比较器，正供电端接+12V电压，负供电端接地，同相输入端接电阻R8的另一端、电容C6的一端，反相输入端接电阻R9的另一端、电容C5的一端，输出端接电阻R10的一端；电阻R10的另一端接电容C6的另一端、电阻R11的一端、电容C7的一端、二极管D1的阳极作为输出端，接MCU的第15引脚PA6；二极管D1的阴极接3.3V；电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R11的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C7的另一端接地；
所述的电流检测电路负责测量通过直流电机M的电流大小，包括电阻R12、R13、R15，电容C8-C10，二极管D2；电阻R12的一端接第一运算放大器U1的输出端，另一端接电阻R13的一端、电容C8的一端、二极管D2的阴极、电阻R15的一端；电阻R15的另一端接电容C9的一端、电容C10的一端后作为输出端，接MCU的第22引脚PA0；电阻R13的另一端、电容C8的另一端、二极管D2的阳极、电容C9的另一端、电容C10的另一端接地；
所述MCU的第17、20引脚作为按键信号输入引脚，第61、62引脚分别接继电器的两个输入接口；VCC引脚和GND引脚分别接3.3V电源和地,其他引脚悬空设置，
所述的直流电机M，是通过继电器控制直流电机M转动方向，进而用于驱动车窗升降。


2.如权利要求1所述的一种低成本车窗防夹控制系统，其特征在于所述的第一运算放大器U1、第二运算放...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海峰，蒋宇希，梅松，潘雅丽，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33