新車型電動車窗控制電路的設(shè)計(jì)及問題解決方案

在湖南長豐汽車制造股份有限公司一款新車型設(shè)計(jì)中，根據(jù)整車定義，電動車窗在基礎(chǔ)車型的基礎(chǔ)上增加了離車自動關(guān)窗功能和防夾功能?同時要求在設(shè)計(jì)過程中盡可能使用基礎(chǔ)車型已有的零部件，這樣可以節(jié)省開發(fā)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(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決了新車型電動車窗控制電路的設(shè)計(jì)問題?

1.基礎(chǔ)車型電動車窗控制電路

新車型設(shè)計(jì)時，并不是什么都是從頭開始，而是首先根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選定一個基本車型作為參考，這樣可降低設(shè)計(jì)難度，使設(shè)計(jì)思路更加清晰?新車型電動車窗的設(shè)計(jì)也是參考基礎(chǔ)車型電動車窗進(jìn)行的，因此，有必要先介紹一下基礎(chǔ)車型電動車窗的功能及控制原理和方式?

基礎(chǔ)車型電動車窗控制部分由電動車窗主開關(guān)?電動車窗副開關(guān)?電動車窗電動機(jī)?電動車窗電動機(jī)斷路器組成?基礎(chǔ)車型電動車窗線路圖見圖1?

圖1中，在點(diǎn)火開關(guān)位于ON位置的狀態(tài)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(dāng)按下電動車窗？穴主或副？雪開關(guān)（UP或DOWN）時，電流通過⑧號熔斷器流到電動車窗電動機(jī)?由此，電動車窗電動機(jī)獲得電能而旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動車窗玻璃上下移動，電動車窗打開或關(guān)閉?

當(dāng)把電動車窗開關(guān)鎖按下（在OFF位置）時，若操作開關(guān)，則除了駕駛員側(cè)的車窗外，其它電動車窗電動機(jī)都不工作?

基礎(chǔ)車型電動車窗電動機(jī)帶斷路器，以防止電動機(jī)因過電流而造成損壞?基礎(chǔ)車型電動車窗開關(guān)為1檔開關(guān)，電動機(jī)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(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)新車型所要求的防夾功能和離車自動關(guān)閉車窗等功能，新車型電動車窗電動機(jī)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(jī)M的電流方向或截斷電動機(jī)的電流來實(shí)現(xiàn)的?

電動車窗電動機(jī)電流的方向或電流的停止是通過單片機(jī)的指令控制繼電器A和繼電器B的動作達(dá)到的?單片機(jī)指令是按控制開關(guān)指令或車窗玻璃防夾力的大小或者是中控門鎖系統(tǒng)發(fā)出的自動關(guān)閉所有車窗的信號發(fā)出的?電壓調(diào)節(jié)器是將汽車12 V系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)到單片機(jī)所需要的5.5V工作電壓?電子控制單元與電動機(jī)集成在一起，每個車窗電動機(jī)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(tài)電流：《300 μA（25 ℃）?

2.2.電動車窗控制開關(guān)

電動車窗控制開關(guān)可分為1檔車窗開關(guān)和2檔車窗開關(guān)，它們各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取?

2.2.1.1檔開關(guān)

1檔車窗開關(guān)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(dāng)開關(guān)向UP方向按下時，UP端子輸入為高電平，當(dāng)開關(guān)脫離UP端子時，UP端子變?yōu)榈碗娖?同樣，當(dāng)開關(guān)向DOWN方向按下時，DOWN端子輸入為高電平，當(dāng)開關(guān)脫離DOWN端子時，DOWN端子變?yōu)榈碗娖剑瑘D4為1檔開關(guān)信號圖?

當(dāng)開關(guān)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(guān)或下降開關(guān)，車窗將停止自動上升?

當(dāng)開關(guān)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(guān)或下降開關(guān)，車窗將停止自動下降?

2.2.2.2檔開關(guān)

2檔開關(guān)如圖5所示，無論向UP或DOWN方向，都有2個檔位?例如，當(dāng)開關(guān)向著UP方向按下時，首先+BAT接觸UP觸點(diǎn)，如果繼續(xù)向著UP方向按下，則+BAT接觸UP和DOWN這2個觸點(diǎn)?

a. 上升。開關(guān)向著UP方向按下時，UP觸點(diǎn)首先觸發(fā)為高電平，如果繼續(xù)按鍵至第2檔位，則DOWN觸點(diǎn)也觸發(fā)成高電平?這里t1為2檔觸點(diǎn)間的機(jī)械延時，t1取決于開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(dāng)UP為高電平時，即為手動提升?當(dāng)松開開關(guān)時，如果t2》150 ms，則電動機(jī)停止，車窗停止上升?

c. 自動上升。將電動車窗開關(guān)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(guān)向著DOWN方向按下時，DOWN觸點(diǎn)首先觸發(fā)為高電平，如果繼續(xù)按鍵 至第2檔位，則UP觸點(diǎn)也觸發(fā)成高電平?這里t1為2檔觸點(diǎn)間的機(jī)械延時，t1取決于開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(dāng)DOWN為高電平時，即為手動下降?當(dāng)松開開關(guān)時，如果t2》150 ms，則電動機(jī)停止，車窗停止下降?

f. 自動下降。將電動車窗開關(guān)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(guān)和2檔開關(guān)都能實(shí)現(xiàn)電動車窗玻璃的升降功能，但它們在實(shí)現(xiàn)升降功能時技術(shù)上是有區(qū)別的?

1檔開關(guān)升降和停止響應(yīng)時間比2檔開關(guān)長，電動機(jī)電子控制單元控制軟件1檔開關(guān)也較2檔開關(guān)復(fù)雜?

2檔開關(guān)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(guān)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(guān)較2檔開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，現(xiàn)有基礎(chǔ)車型使用的是1檔開關(guān)，因此，新車型決定使用基礎(chǔ)車型已經(jīng)批量使用的1檔開關(guān)，這樣可以節(jié)省開發(fā)時間和成本?為了解決1檔開關(guān)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(guān)閉，直到車窗完全關(guān)閉?集控提升信號來自中控門鎖系統(tǒng)?在點(diǎn)火開關(guān)斷開，中控門鎖電子控制單元得到來自遙控器或門鎖關(guān)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(guān)閉?

2.4.新車型電動車窗控制電路

采用與基礎(chǔ)車型相同的電動車窗主控開關(guān)和副開關(guān)，帶電動機(jī)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(chǔ)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(chǔ)車型控制電路，在點(diǎn)火開關(guān)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(shí)現(xiàn)在中控門鎖電子控制單元發(fā)出集控提升信號后自動關(guān)閉所有車窗?

因此，新車型控制電路改為由蓄電池經(jīng)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(guān)和副開關(guān)電源由點(diǎn)火開關(guān)控制，只有點(diǎn)火開關(guān)接通總電源后，電動車窗主開關(guān)和副開關(guān)才有電源，這樣設(shè)計(jì)，是考慮到安全和電源損耗問題?汽車電路設(shè)計(jì)有一個基本原則，就是在人員離開汽車?點(diǎn)火開關(guān)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(diǎn)火開關(guān)斷開后需要電源，因此，電動車窗電子控制單元設(shè)計(jì)時，靜態(tài)電流設(shè)計(jì)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(guān)和副開關(guān)的電源由點(diǎn)火開關(guān)直接控制，是因?yàn)樾萝囆碗妱榆嚧皫в须娮涌刂茊卧?，車窗上升（UP）和下降（DOWN）開關(guān)控制的是車窗上升和下降的指令信號，電流為mA級?基礎(chǔ)車型控制電路帶電動車窗繼電器，由經(jīng)過點(diǎn)火開關(guān)的小電流來控制流經(jīng)電動車窗主開關(guān)和副開關(guān)的電流，是因?yàn)榱鹘?jīng)電動車窗主開關(guān)和副開關(guān)的電流是直接驅(qū)動電動車窗電動機(jī)的大電流，點(diǎn)火開關(guān)不能直接承受這樣的大電流，所以通過繼電器來控制流經(jīng)電動車窗主開關(guān)?副開關(guān)和電動機(jī)的大電流?

新車型由于從開關(guān)到電動車窗電子控制單元的是小電流指令信號，所以相關(guān)導(dǎo)線就不需要基礎(chǔ)車型那么大了，新車型設(shè)計(jì)為1 mm2導(dǎo)線，基礎(chǔ)車型為2mm2導(dǎo)線?由于新車型電動車窗主開關(guān)和副開關(guān)控制的是小電流指令信號，而基礎(chǔ)車型電動車窗主開關(guān)和副開關(guān)控制的是大的工作電流，所以新車型電動車窗主開關(guān)和副開關(guān)故障率很低，壽命長?

新車型電動車窗開關(guān)鎖采用和基礎(chǔ)車型同樣的開關(guān)?正常狀態(tài)下為接通（ON）狀態(tài)，開關(guān)鎖按下去后，開關(guān)鎖處于斷開（OFF）狀態(tài)?在開關(guān)鎖處于接通狀態(tài)時，電動車窗主開關(guān)能控制前?后?左?右4個車窗工作，電動車窗副開關(guān)能控制自己側(cè)車窗工作?基礎(chǔ)車型電動車窗在開關(guān)鎖處于斷開狀態(tài)下，只有駕駛員側(cè)開關(guān)（左）能控制駕駛員側(cè)車窗升降外，其它車窗都不能工作?新車型控制電路，在開關(guān)鎖處于斷開狀態(tài)下，駕駛員側(cè)主開關(guān)能控制前?后?左?右4個車窗工作，而副開關(guān)則不起作用?

3.新車型電動車窗主要技術(shù)參數(shù)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(guān)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(shù)不受限制?

3.1.2. 防夾區(qū)間

從上密封條下沿4 mm往下，》200 mm，《370 mm區(qū)間為防夾區(qū)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(zhuǎn)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(jī)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)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(jī)溫度接近室溫25 ℃時，該系統(tǒng)自動進(jìn)入省電模式，此時模塊的靜態(tài)電流《300 μA?當(dāng)電動機(jī)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(jī)受到?jīng)_擊堵轉(zhuǎn)而降低電動車窗機(jī)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(dāng)玻璃上升快到頂部時，即在上升軟停止點(diǎn)時，會切斷電動機(jī)的電源使其停止工作，同時通過電動機(jī)的慣性使玻璃上升到頂?此上升軟停止點(diǎn)為上極限位置下約2 mm處?

3.3.2.下降軟停止

當(dāng)玻璃下降快到底部時，即在下降軟停止點(diǎn)時，會切斷電動機(jī)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(diǎn)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(dá)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(yùn)動后的2 s內(nèi)，按下降開關(guān)鍵使玻璃運(yùn)行到下降軟停止位置，然后再在2 s內(nèi)按上升開關(guān)鍵使玻璃運(yùn)行，則可克服障礙使玻璃正常運(yùn)行?此上升過程中，沒有防夾功能?

3.5.電動機(jī)保護(hù)功能

對電動機(jī)采取保護(hù)措施，可以明顯提高電動機(jī)和整個電動車窗系統(tǒng)的使用壽命?

3.5.1.電動機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)

在電動機(jī)堵轉(zhuǎn)的250 ms內(nèi)，控制單元會切斷電動機(jī)電源，使電動機(jī)停止工作?

3.5.2.電動機(jī)溫度保護(hù)

在控制單元接通電源后，如果沒有進(jìn)行初始化，則電動機(jī)的初始溫度定為80 ℃;如果進(jìn)行過初始化，則電動機(jī)初始溫度定為160 ℃?

正常情況下，如果電動機(jī)溫度達(dá)到170 ℃，則輸入的指令無效，一旦電動機(jī)溫度降低后就恢復(fù)功能;如果電動機(jī)溫度到190 ℃，則立即停止電動機(jī)的工作，一旦電動機(jī)溫度降低后就恢復(fù)功能?

3.6.自診斷保護(hù)功能

為保證系統(tǒng)的可靠性，同時提高系統(tǒng)的平均無故障時間，采用了自診斷保護(hù)措施：如果電源電壓超過16 V±0.5 V，則電子模塊關(guān)閉自動上升功能?

3.6.1.開關(guān)觸點(diǎn)粘連

當(dāng)檢測到開關(guān)觸點(diǎn)有長達(dá)10 s的粘連后，則不再接收輸入指令;如果之后檢測到開關(guān)觸點(diǎn)又?jǐn)嚅_了，則恢復(fù)正常功能?

3.6.2.繼電器觸點(diǎn)粘連

如果電動機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，在發(fā)出斷開指令后仍然檢測到繼電器接通，則判斷繼電器觸點(diǎn)發(fā)生了粘連，于是發(fā)出指令使另一個繼電器也接通，來切斷電動機(jī)電源?同時不再接收輸入指令，直到再次檢測到繼電器觸點(diǎn)已釋放才恢復(fù)正常?

3.6.3.霍爾元件保護(hù)

如果霍爾元件發(fā)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(tài)，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(tǒng)環(huán)境自適應(yīng)功能

由于系統(tǒng)在進(jìn)行了長時間運(yùn)行后，會發(fā)生膠條老化?鋼絲變長和安裝定位的松動等情況，以及當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化導(dǎo)致摩擦力變化時，系統(tǒng)會利用自適應(yīng)功能保證系統(tǒng)可靠?安全地工作?系統(tǒng)在任何時候都不會丟失數(shù)據(jù)，即使是在突然斷電導(dǎo)致電動機(jī)停止運(yùn)行時，當(dāng)恢復(fù)供電后，玻璃會自動下降到底?同時恢復(fù)了自動功能和防夾功能?

4.結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的新車型電動車窗控制電路在筆者公司與國外聯(lián)合設(shè)計(jì)的新車型樣車上得到了應(yīng)用，電動車窗能完全按本設(shè)計(jì)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(chǎn)?

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