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在湖南長豐汽車制造股份有限公司一款新車型設計中,根據整車定義,電動車窗在基礎車型的基礎上增加了離車自動關窗功能和防夾功能｡同時要求在設計過程中盡可能使用基礎車型已有的零部件,這樣可以節省開發時間,降低成本｡本文按這些要求對新車型電動車窗控制電路進行了設計,解決了新車型電動車窗控制電路的設計問題｡ 1.基礎車型電動車窗控制電路 新車型設計時,并不是什么都是從頭開始,而是首先根據設計需求,選定一個基本車型作為參考,這樣可降低設計難度,使設計思路更加清晰｡新車型電動車窗的設計也是參考基礎車型電動車窗進行的,因此,有必要先介紹一下基礎車型電動車窗的功能及控制原理和方式｡ 基礎車型電動車窗控制部分由電動車窗主開關､電動車窗副開關､電動車窗電動機､電動車窗電動機斷路器組成｡基礎車型電動車窗線路圖見圖1｡ 圖1中,在點火開關位于ON位置的狀態下,電動車窗繼電器閉合,蓄電池電壓通過易熔線10給電動車窗控制電路供電｡當按下電動車窗?穴主或副?雪開關(UP或DOWN)時,電流通過⑧號熔斷器流到電動車窗電動機｡由此,電動車窗電動機獲得電能而旋轉,驅動車窗玻璃上下移動,電動車窗打開或關閉｡ 當把電動車窗開關鎖按下(在OFF位置)時,若操作開關,則除了駕駛員側的車窗外,其它電動車窗電動機都不工作｡ 基礎車型電動車窗電動機帶斷路器,以防止電動機因過電流而造成損壞｡基礎車型電動車窗開關為1檔開關,電動機不帶電子控制單元｡ 2.新車型電動車窗控制部件功能及電路設計 為了實現新車型所要求的防夾功能和離車自動關閉車窗等功能,新車型電動車窗電動機必須由電子控制單元來控制｡ 2.1.電動車窗電子控制單元 電動車窗電子控制單元原理見圖2｡電動車窗的主要動作為車窗的上升､下降和停止｡車窗的上升､下降和停止是通過控制電動車窗電動機M的電流方向或截斷電動機的電流來實現的｡ 電動車窗電動機電流的方向或電流的停止是通過單片機的指令控制繼電器A和繼電器B的動作達到的｡單片機指令是按控制開關指令或車窗玻璃防夾力的大小或者是中控門鎖系統發出的自動關閉所有車窗的信號發出的｡電壓調節器是將汽車12 V系統電壓調節到單片機所需要的5.5V工作電壓｡電子控制單元與電動機集成在一起,每個車窗電動機帶一個電子控制單元｡ 2.1.1.電子控制單元引腳定義(表1) 2.1.2.電子控制單元基本性能 工作溫度:-30~80 ℃;儲存溫度:-40~90 ℃;工作電壓:9~15 V;靜態電流:<300 μA(25 ℃)｡ 2.2.電動車窗控制開關 電動車窗控制開關可分為1檔車窗開關和2檔車窗開關,它們各有自己的優點和缺點,可根據實際情況進行選取｡ 2.2.1.1檔開關 1檔車窗開關有3個連接外部的引腳,分別與UP､DOWN和電源(+BAT)相接,如圖3檔位圖所示｡其中UP為上升端子,DOWN為下降端子,+BAT為電源正極｡當開關向UP方向按下時,UP端子輸入為高電平,當開關脫離UP端子時,UP端子變為低電平｡同樣,當開關向DOWN方向按下時,DOWN端子輸入為高電平,當開關脫離DOWN端子時,DOWN端子變為低電平,圖4為1檔開關信號圖｡ 當開關向UP方向按下,t>300 ms時,車窗手動上升,t<300 ms時,車窗自動上升｡自動上升過程中,如果按下電動車窗上升開關或下降開關,車窗將停止自動上升｡ 當開關向DOWN方向按下,t>300 ms時,車窗手動下降,t<300 ms時,車窗自動下降｡自動下降過程中,如果按下電動車窗上升開關或下降開關,車窗將停止自動下降｡ 2.2.2.2檔開關 2檔開關如圖5所示,無論向UP或DOWN方向,都有2個檔位｡例如,當開關向著UP方向按下時,首先+BAT接觸UP觸點,如果繼續向著UP方向按下,則+BAT接觸UP和DOWN這2個觸點｡ a. 上升.開關向著UP方向按下時,UP觸點首先觸發為高電平,如果繼續按鍵至第2檔位,則DOWN觸點也觸發成高電平｡這里t1為2檔觸點間的機械延時,t1取決于開關的機械結構,通常最小為5 ms｡t2為手松開按鍵,第2檔和第1檔之間的延時｡ b. 手動上升.如圖6所示,當UP為高電平時,即為手動提升｡當松開開關時,如果t2>150 ms,則電動機停止,車窗停止上升｡ c. 自動上升.將電動車窗開關按至第2檔,則UP和DOWN都為高電平,在松開按鍵時,如果t2<150 ms,玻璃自動上升｡在自動上升過程中,如果按下電動車窗上升鍵或下降鍵,則玻璃停止上升｡ d. 下降(車窗開啟).開關向著DOWN方向按下時,DOWN觸點首先觸發為高電平,如果繼續按鍵 至第2檔位,則UP觸點也觸發成高電平｡這里t1為2檔觸點間的機械延時,t1取決于開關的機械結構,通常最小為5 ms｡t2為手松開按鍵,第2檔和第1檔之間的延時｡ e. 手動下降.如圖7所示,當DOWN為高電平時,即為手動下降｡當松開開關時,如果t2>150 ms,則電動機停止,車窗停止下降｡ f. 自動下降.將電動車窗開關按至第2檔,則DOWN和UP都為高電平,在松開按鍵時,如果t2<150 ms,玻璃自動下降｡在自動下降過程中,如果按下電動車窗上升鍵或下降鍵,則玻璃停止下降｡ 從上面的分析可知,1檔開關和2檔開關都能實現電動車窗玻璃的升降功能,但它們在實現升降功能時技術上是有區別的｡ 1檔開關升降和停止響應時間比2檔開關長,電動機電子控制單元控制軟件1檔開關也較2檔開關復雜｡ 2檔開關上升､下降和停止均有2次信號輸入,信號容易識別;1檔開關上升､下降和停止只有1次信號輸入,輸入信號識別較困難｡但1檔開關較2檔開關結構簡單,成本低,現有基礎車型使用的是1檔開關,因此,新車型決定使用基礎車型已經批量使用的1檔開關,這樣可以節省開發時間和成本｡為了解決1檔開關輸入信號識別相對困難的問題,電子控制單元軟件對輸入信號的上升沿和下降沿有40 ms的防顫抖時間｡ 2.3.集控提升 電子控制單元集控提升管腳得到低電平信號,全部車窗會關閉,直到車窗完全關閉｡集控提升信號來自中控門鎖系統｡在點火開關斷開,中控門鎖電子控制單元得到來自遙控器或門鎖關閉信號的同時,中控門鎖電子控制單元輸出低電平(<500mV)信號給電動車窗控制單元集控提升管腳,電動車窗電子控制單元將控制全部車窗完全關閉｡ 2.4.新車型電動車窗控制電路 采用與基礎車型相同的電動車窗主控開關和副開關,帶電動機電子控制單元,具有集控提升的新車型電路如圖8所示｡ 新車型電動車窗控制電路(圖8)看起來和基礎車型控制電路圖(圖1)相似,但控制原理和方式完全不一樣｡新車型控制電路取消電動車窗繼電器,主要是車窗集控提升功能的需要｡按基礎車型控制電路,在點火開關斷開后,整個控制電路將不再有電源,新車型還用這種方式的話,電動車窗電子控制單元沒有電源將不工作,也就不能實現在中控門鎖電子控制單元發出集控提升信號后自動關閉所有車窗｡ 因此,新車型控制電路改為由蓄電池經熔斷器給電動車窗電子控制單元直接供電,解決了車窗集控提升問題｡ 電動車窗主開關和副開關電源由點火開關控制,只有點火開關接通總電源后,電動車窗主開關和副開關才有電源,這樣設計,是考慮到安全和電源損耗問題｡汽車電路設計有一個基本原則,就是在人員離開汽車､點火開關斷開后,整車電器不需要帶電的,電源都要斷開｡由于集控提升需要,電動車窗電子控制單元在點火開關斷開后需要電源,因此,電動車窗電子控制單元設計時,靜態電流設計得很小,2.1.2章有介紹,25 ℃時小于300 μA｡ 新車型電動車窗主開關和副開關的電源由點火開關直接控制,是因為新車型電動車窗帶有電子控制單元,車窗上升(UP)和下降(DOWN)開關控制的是車窗上升和下降的指令信號,電流為mA級｡基礎車型控制電路帶電動車窗繼電器,由經過點火開關的小電流來控制流經電動車窗主開關和副開關的電流,是因為流經電動車窗主開關和副開關的電流是直接驅動電動車窗電動機的大電流,點火開關不能直接承受這樣的大電流,所以通過繼電器來控制流經電動車窗主開關､副開關和電動機的大電流｡ 新車型由于從開關到電動車窗電子控制單元的是小電流指令信號,所以相關導線就不需要基礎車型那么大了,新車型設計為1 mm2導線,基礎車型為2mm2導線｡由于新車型電動車窗主開關和副開關控制的是小電流指令信號,而基礎車型電動車窗主開關和副開關控制的是大的工作電流,所以新車型電動車窗主開關和副開關故障率很低,壽命長｡ 新車型電動車窗開關鎖采用和基礎車型同樣的開關｡正常狀態下為接通(ON)狀態,開關鎖按下去后,開關鎖處于斷開(OFF)狀態｡在開關鎖處于接通狀態時,電動車窗主開關能控制前､后､左､右4個車窗工作,電動車窗副開關能控制自己側車窗工作｡基礎車型電動車窗在開關鎖處于斷開狀態下,只有駕駛員側開關(左)能控制駕駛員側車窗升降外,其它車窗都不能工作｡新車型控制電路,在開關鎖處于斷開狀態下,駕駛員側主開關能控制前､后､左､右4個車窗工作,而副開關則不起作用｡ 3.新車型電動車窗主要技術參數和功能 新車型電動車窗除了上面所介紹的上升､下降､集控提升(離車關閉)等功能外,還有以下功能｡ 3.1.防夾功能 3.1.1.防夾功能工作條件 初始化后,手動和自動上升時都有防夾功能,而且防夾的次數不受限制｡ 3.1.2. 防夾區間 從上密封條下沿4 mm往下,>200 mm,<370 mm區間為防夾區間,如圖9所示｡ 3.1.3.防夾力 在室溫(22±5)℃､80 mΩ的線間電阻､14.5 V的工作電壓,以10 N/mm的測量儀測量時,玻璃上升的防夾力<100 N｡ 3.1.4.防夾反轉距離 在玻璃手動或自動上升時,一旦受到大于防夾力的阻礙作用,就立即停止上升,并使電動機反轉,反轉距離為125 mm｡ 3.2.省電模式 在輸入信號消失120 ms后,且電動機溫度接近室溫25 ℃時,該系統自動進入省電模式,此時模塊的靜態電流<300 μA｡當電動機控制單元一旦得到輸入指令就被喚醒了｡ 3.3.軟停止功能 為了防止玻璃上升到頂或下降到底時,電動機受到沖擊堵轉而降低電動車窗機械的使用壽命,需要有軟停止功能,并且手動或自動上升､下降時都有此功能｡ 3.3.1.上升軟停止 當玻璃上升快到頂部時,即在上升軟停止點時,會切斷電動機的電源使其停止工作,同時通過電動機的慣性使玻璃上升到頂｡此上升軟停止點為上極限位置下約2 mm處｡ 3.3.2.下降軟停止 當玻璃下降快到底部時,即在下降軟停止點時,會切斷電動機的電源使其停止工作,同時通過玻璃下降的慣性使玻璃下降到底｡此下降軟停止點為下極限位置上約12 mm處｡ 3.4.克服阻礙功能 在玻璃上升過程中,如果玻璃還沒到達上升軟停止位置,因遇到障礙而無法正常上升時,則在玻璃停止運動后的2 s內,按下降開關鍵使玻璃運行到下降軟停止位置,然后再在2 s內按上升開關鍵使玻璃運行,則可克服障礙使玻璃正常運行｡此上升過程中,沒有防夾功能｡ 3.5.電動機保護功能 對電動機采取保護措施,可以明顯提高電動機和整個電動車窗系統的使用壽命｡ 3.5.1.電動機堵轉保護 在電動機堵轉的250 ms內,控制單元會切斷電動機電源,使電動機停止工作｡ 3.5.2.電動機溫度保護 在控制單元接通電源后,如果沒有進行初始化,則電動機的初始溫度定為80 ℃;如果進行過初始化,則電動機初始溫度定為160 ℃｡ 正常情況下,如果電動機溫度達到170 ℃,則輸入的指令無效,一旦電動機溫度降低后就恢復功能;如果電動機溫度到190 ℃,則立即停止電動機的工作,一旦電動機溫度降低后就恢復功能｡ 3.6.自診斷保護功能 為保證系統的可靠性,同時提高系統的平均無故障時間,采用了自診斷保護措施:如果電源電壓超過16 V±0.5 V,則電子模塊關閉自動上升功能｡ 3.6.1.開關觸點粘連 當檢測到開關觸點有長達10 s的粘連后,則不再接收輸入指令;如果之后檢測到開關觸點又斷開了,則恢復正常功能｡ 3.6.2.繼電器觸點粘連 如果電動機發生堵轉,在發出斷開指令后仍然檢測到繼電器接通,則判斷繼電器觸點發生了粘連,于是發出指令使另一個繼電器也接通,來切斷電動機電源｡同時不再接收輸入指令,直到再次檢測到繼電器觸點已釋放才恢復正常｡ 3.6.3.霍爾元件保護 如果霍爾元件發生故障,控制單元就接收不到霍爾元件的信號,則控制單元回到基本初始化前的狀態,即上升時最多只能上升45 mm的距離,同時不具有防夾功能｡ 3.7.系統環境自適應功能 由于系統在進行了長時間運行后,會發生膠條老化､鋼絲變長和安裝定位的松動等情況,以及當環境溫度發生變化導致摩擦力變化時,系統會利用自適應功能保證系統可靠､安全地工作｡系統在任何時候都不會丟失數據,即使是在突然斷電導致電動機停止運行時,當恢復供電后,玻璃會自動下降到底｡同時恢復了自動功能和防夾功能｡ 4.結束語 本文所設計的新車型電動車窗控制電路在筆者公司與國外聯合設計的新車型樣車上得到了應用,電動車窗能完全按本設計要求工作,功能正常,滿足本文所介紹的所有功能｡不久將投入批量生產｡ |
