探究霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動(dòng)車窗防夾中的應(yīng)用

Other Parts Discussed in Post:DRV5013-Q1, TIDA-01421, INA240-Q1

作者：Ivy Jin

隨著現(xiàn)代汽車技術(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，越來越多的汽車上安裝了電動(dòng)車窗，從而實(shí)現(xiàn)車窗的自動(dòng)升降。然而，由于電動(dòng)車窗的上升速度較快，很容易引發(fā)夾傷乘客等事故，尤其是對(duì)兒童形成了安全隱患。這對(duì)于汽車的安全性提出了新標(biāo)準(zhǔn)，要求電動(dòng)車窗具有一定的防夾功能。

防夾功能主要是指當(dāng)車窗上升的過程中遇到障礙物（如手、頭等）時(shí)，可以識(shí)別出車窗處于夾持狀態(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，是汽車人性化的重要體現(xiàn)。

此功能也被許多國家納入了法律規(guī)范中。美國交通部頒布了針對(duì)電動(dòng)車窗系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSII8，歐盟標(biāo)準(zhǔn)74/60/EWG也對(duì)防夾保護(hù)裝置應(yīng)確保的防夾力進(jìn)行了明確規(guī)定。中國也已頒布了類似的法規(guī)（GB 11552-2009），要求自2012年起，新增車輛的電動(dòng)玻璃升降器應(yīng)具有防夾功能，且防夾力小于100N，也就是說在防夾力達(dá)到100N前，車窗玻璃開口在4~200mm范圍時(shí)，車窗應(yīng)停止上升并且反向下降。

目前電動(dòng)車窗的防夾功能主要是通過以下兩種方案實(shí)現(xiàn)：霍爾傳感器方案和基于紋波計(jì)數(shù)的無傳感器方案。

1.霍爾傳感器方案

此方案在電機(jī)軸上安裝磁環(huán)，在磁環(huán)附近安裝霍爾傳感器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在霍爾傳感器上感應(yīng)出高低電平的脈沖信號(hào)，脈沖的個(gè)數(shù)反映了電機(jī)的位置，脈沖的頻率反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)電動(dòng)車窗上升并遇到障礙物時(shí)，阻力變大，電機(jī)轉(zhuǎn)速將減慢，對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)的脈寬將變大，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)向ECU模塊報(bào)告信息，ECU向繼電器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出指令，使電機(jī)停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而令車窗停止或下降，實(shí)現(xiàn)防夾判斷。

DRV5013-Q1是一款雙極性霍爾效應(yīng)傳感器，具有寬工作電壓范圍（2.7 至38V）和高達(dá)-22V的反極性保護(hù)，使得該器件廣泛適用于各種汽車應(yīng)用。此外，該器件還具有拋負(fù)載、輸出短路和過流等內(nèi)部保護(hù)功能。

此方案需要安裝磁環(huán)且每個(gè)車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(jì)數(shù)的無傳感器方案可以節(jié)省磁環(huán)、霍爾傳感器及相關(guān)線束的成本。此外，此方案可以用單控制器同時(shí)控制多個(gè)車窗，能夠提高整車的集成度，進(jìn)一步降低控制器的成本。因此，基于紋波計(jì)數(shù)的無傳感器方案將成為未來電動(dòng)車窗防夾的發(fā)展趨勢。

2.基于紋波計(jì)數(shù)的無傳感器方案

紋波計(jì)數(shù)的無傳感器方案是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，電刷在電級(jí)間切換產(chǎn)生電流紋波，并對(duì)這種電流波動(dòng)進(jìn)行采樣、分析和控制。

圖3 直流電機(jī)

此方案首先通過采樣電阻將電機(jī)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過運(yùn)放對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，放大后的信號(hào)一路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給到MCU，作為防夾及堵轉(zhuǎn)的判斷依據(jù)，另一路通過濾波器和比較器得到方波信號(hào)，此方波的頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。通過方波的個(gè)數(shù)和頻率可以判斷電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速。

參考設(shè)計(jì)TIDA-01421提供了一種無傳感器的紋波防夾方案。該設(shè)計(jì)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(zhǔn)確，低噪聲的測量結(jié)果。

應(yīng)用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個(gè)簡單的RC輸入濾波器，以減少高頻電機(jī)電刷產(chǎn)生的噪聲和潛在的PWM開關(guān)噪聲。

帶通濾波器

電流檢測放大器的輸出通過有源帶通濾波器進(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(hào)。

TLV2316-Q1是一款雙通道，低壓，軌至軌通用運(yùn)算放大器。該器件具有單位增益穩(wěn)定的集成RFI 和EMI 抑制濾波器，在過驅(qū)條件下不會(huì)出現(xiàn)反相，并且具有高靜電放電(ESD) 保護(hù)(4kV HBM)。

差分放大器

在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)電流會(huì)出現(xiàn)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。通過差分放大器，可以從信號(hào)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(hào)，供下一級(jí)比較器進(jìn)行測量。

比較器

經(jīng)由差分放大器輸出的信號(hào)通過比較器最終產(chǎn)生一個(gè)0V至3.3V的方波信號(hào)，其頻率等于電機(jī)電流紋波頻率。此方波信號(hào)最終供給MCU用于計(jì)數(shù)。

LMV7275-Q1是一款軌至軌輸入低功耗比較器，并具有漏極開路輸出。小型SC-70封裝非常適合低電壓，低功耗、對(duì)空間要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。

綜上所述，本文介紹了兩種應(yīng)用于電動(dòng)車窗防夾的方案——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(duì)于霍爾在實(shí)際應(yīng)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(jù)著目前市場上車窗防夾應(yīng)用的主導(dǎo)地位，但是隨著機(jī)械加工工藝和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紋波技術(shù)市場份額的增加趨勢將越發(fā)明顯。

相關(guān)信息敬請(qǐng)參考以下鏈接：

技術(shù)資料：

DRV5013-Q1 Automotive Digital-Latch Hall Effect Sensor datasheet (Rev. H)

INA240-Q1 Automotive, Wide Common-Mode Range, High- and Low-Side, Bidirectional, Zero-Drift, Current-Sense Amplifier With Enhanced PWM Rejection datasheet (Rev. D)

TLVx316-Q1 10-MHz, Rail-to-Rail Input/Output, Low-Voltage, 1.8-V CMOS Operational Amplifiers datasheet (Rev. B)

LMV7275-Q1 Automotive Single 1.8-V Low Power Comparator With Rail-to-Rail Input datasheet

審核編輯：金巧