霍爾傳感器和電流紋波技術(shù)在電動車窗防夾中的應用

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車窗，從而實現(xiàn)車窗的自動升降。然而，由于電動車窗的上升速度較快，很容易引發(fā)夾傷乘客等事故，尤其是對兒童形成了安全隱患。這對于汽車的安全性提出了新標準，要求電動車窗具有一定的防夾功能。

防夾功能主要是指當車窗上升的過程中遇到障礙物（如手、頭等）時，可以識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電動車窗系統(tǒng)的法規(guī)FMVSSII8，歐盟標準74/60/EWG也對防夾保護裝置應確保的防夾力進行了明確規(guī)定。中國也已頒布了類似的法規(guī)（GB 11552-2009），要求自2012年起，新增車輛的電動玻璃升降器應具有防夾功能，且防夾力小于100N，也就是說在防夾力達到100N前，車窗玻璃開口在4~200mm范圍時，車窗應停止上升并且反向下降。

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

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(zhuǎn)動時帶動磁環(huán)轉(zhuǎn)動，在霍爾傳感器上感應出高低電平的脈沖信號，脈沖的個數(shù)反映了電機的位置，脈沖的頻率反映了電機的轉(zhuǎn)速。

當電動車窗上升并遇到障礙物時，阻力變大，電機轉(zhuǎn)速將減慢，對應脈沖信號的脈寬將變大，此時系統(tǒng)會向ECU模塊報告信息，ECU向繼電器或電機驅(qū)動芯片發(fā)出指令，使電機停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而令車窗停止或下降，實現(xiàn)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應用。此外，該器件還具有拋負載、輸出短路和過流等內(nèi)部保護功能。

圖1 DRV5013-Q1的場方向定義

圖2 DRV5013-Q1輸出

此方案需要安裝磁環(huán)且每個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控制多個車窗，能夠提高整車的集成度，進一步降低控制器的成本。因此，基于紋波計數(shù)的無傳感器方案將成為未來電動車窗防夾的發(fā)展趨勢。

2.基于紋波計數(shù)的無傳感器方案

紋波計數(shù)的無傳感器方案是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，電刷在電級間切換產(chǎn)生電流紋波，并對這種電流波動進行采樣、分析和控制。

圖3 直流電機

此方案首先通過采樣電阻將電機電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過運放對電壓信號進行濾波和放大，放大后的信號一路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給到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，此方波的頻率和電機的轉(zhuǎn)速成正比。通過方波的個數(shù)和頻率可以判斷電機的位置和轉(zhuǎn)速。

圖4 TIDA-01421的系統(tǒng)框圖

參考設計TIDA-01421提供了一種無傳感器的紋波防夾方案。該設計主要分為以下幾個部分：

電流檢測放大

INA240-Q1是一個寬共模范圍，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(jié)果。

應用中可以在INA240-Q1的輸入端使用一個簡單的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(wěn)定的集成RFI 和EMI 抑制濾波器，在過驅(qū)條件下不會出現(xiàn)反相，并且具有高靜電放電(ESD) 保護(4kV HBM)。

差分放大器

在電機啟動時，電機電流會出現(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，可以從信號中消除這種低速，高振幅電流尖峰，從而生成一個低噪聲的交流信號，供下一級比較器進行測量。

比較器

經(jīng)由差分放大器輸出的信號通過比較器最終產(chǎn)生一個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(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于霍爾在實際應用中的優(yōu)勢。雖然霍爾方案以其成熟技術(shù)和高可靠性，占據(jù)著目前市場上車窗防夾應用的主導地位，但是隨著機械加工工藝和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紋波技術(shù)市場份額的增加趨勢將越發(fā)明顯。

審核編輯：郭婷