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[分享] 汽车电动车窗控制电路设计

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发表于 2015-9-8 18:08:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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副标题#e#                          在湖南长丰制造股份有限公司一款新车型设计中,根据整车定义,在基础车型的基础上增加了离车自动关窗功能和功能。同时要求在设计过程中尽可能使用基础车型已有的零部件,这样可以节省开发时间,降低成本。本文按这些要求对新车型电动车窗控制电路进行了设计,解决了新车型电动车窗控制电路的设计问题。
  1.基础车型电动车窗控制电路
  新车型设计时,并不是什么都是从头开始,而是首先根据设计需求,选定一个基本车型作为参考,这样可降低设计难度,使设计思路更加清晰。新车型电动车窗的设计也是参考基础车型电动车窗进行的,因此,有必要先介绍一下基础车型电动车窗的功能及控制原理和方式。
  基础车型电动车窗控制部分由电动车窗主开关、电动车窗副开关、电动车窗电动机、电动车窗电动机断路器组成。基础车型电动车窗线路图见图1。

基础车型电动车窗

基础车型电动车窗

  图1中,在点火开关位于ON位置的状态下,电动车窗继电器闭合,蓄电池电压通过易熔线10给电动车窗控制电路供电。当按下电动车窗?穴主或副?雪开关(UP或DOWN)时,电流通过⑧号熔断器流到电动车窗电动机。由此,电动车窗电动机获得电能而旋转,驱动车窗玻璃上下移动,电动车窗打开或关闭。
  当把电动车窗开关锁按下(在OFF位置)时,若操作开关,则除了驾驶员侧的车窗外,其它电动车窗电动机都不工作。
  基础车型电动车窗电动机带断路器,以防止电动机因过电流而造成损坏。基础车型电动车窗开关为1档开关,电动机不带电子控制单元。
  2.新车型电动车窗控制部件功能及电路设计
  为了实现新车型所要求的防夹功能和离车自动关闭车窗等功能,新车型电动车窗电动机必须由电子控制单元来控制。
  2.1.电动车窗电子控制单元
  

电动车窗电子控制单元原理

电动车窗电子控制单元原理

  电动车窗电子控制单元原理见图2。电动车窗的主要动作为车窗的上升、下降和停止。车窗的上升、下降和停止是通过控制电动车窗电动机M的电流方向或截断电动机的电流来实现的。
  电动车窗电动机电流的方向或电流的停止是通过单片机的指令控制继电器A和继电器B的动作达到的。单片机指令是按控制开关指令或车窗玻璃防夹力的大小或者是中控门锁系统发出的自动关闭所有车窗的信号发出的。电压调节器是将汽车12 V系统电压调节到单片机所需要的5.5V工作电压。电子控制单元与电动机集成在一起,每个车窗电动机带一个电子控制单元。
  2.1.1.电子控制单元引脚定义(表1)

电子控制单元引脚定义

电子控制单元引脚定义

  2.1.2.电子控制单元基本性能
  工作温度:-30~80 ℃;储存温度:-40~90 ℃;工作电压:9~15 V;静态电流:<300 μA(25 ℃)。pX2汽车设计网
  2.2.电动车窗控制开关
  电动车窗控制开关可分为1档车窗开关和2档车窗开关,它们各有自己的优点和缺点,可根据实际情况进行选取。
  2.2.1.1档开关
  1档车窗开关有3个连接外部的引脚,分别与UP、DOWN和电源(+BAT)相接,如图3档位图所示。其中UP为上升端子,DOWN为下降端子,+BAT为电源正极。当开关向UP方向按下时,UP端子输入为高电平,当开关脱离UP端子时,UP端子变为低电平。同样,当开关向DOWN方向按下时,DOWN端子输入为高电平,当开关脱离DOWN端子时,DOWN端子变为低电平,图4为1档开关信号图。
  当开关向UP方向按下,t>300 ms时,车窗手动上升,t<300 ms时,车窗自动上升。自动上升过程中,如果按下电动车窗上升开关或下降开关,车窗将停止自动上升。
  当开关向DOWN方向按下,t>300 ms时,车窗手动下降,t<300 ms时,车窗自动下降。自动下降过程中,如果按下电动车窗上升开关或下降开关,车窗将停止自动下降。

汽车电动车窗控制电路设计图示

汽车电动车窗控制电路设计图示

  2.2.2.2档开关
  2档开关如图5所示,无论向UP或DOWN方向,都有2个档位。例如,当开关向着UP方向按下时,首先+BAT接触UP触点,如果继续向着UP方向按下,则+BAT接触UP和DOWN这2个触点。
  a. 上升.开关向着UP方向按下时,UP触点首先触发为高电平,如果继续按键至第2档位,则DOWN触点也触发成高电平。这里t1为2档触点间的机械延时,t1取决于开关的机械结构,通常最小为5 ms。t2为手松开按键,第2档和第1档之间的延时。
  b. 手动上升.如图6所示,当UP为高电平时,即为手动提升。当松开开关时,如果t2>150 ms,则电动机停止,车窗停止上升。
  c. 自动上升.将电动车窗开关按至第2档,则UP和DOWN都为高电平,在松开按键时,如果t2<150 ms,玻璃自动上升。在自动上升过程中,如果按下电动车窗上升键或下降键,则玻璃停止上升。
                        #p#副标题#e#  d. 下降(车窗开启).开关向着DOWN方向按下时,DOWN触点首先触发为高电平,如果继续按键 至第2档位,则UP触点也触发成高电平。这里t1为2档触点间的机械延时,t1取决于开关的机械结构,通常最小为5 ms。t2为手松开按键,第2档和第1档之间的延时。

  e. 手动下降.如图7所示,当DOWN为高电平时,即为手动下降。当松开开关时,如果t2>150 ms,则电动机停止,车窗停止下降。
  f. 自动下降.将开关按至第2档,则DOWN和UP都为高电平,在松开按键时,如果t2<150 ms,玻璃自动下降。在自动下降过程中,如果按下电动车窗上升键或下降键,则玻璃停止下降。mPt设计网
  从上面的分析可知,1档开关和2档开关都能实现电动车窗玻璃的升降功能,但它们在实现升降功能时技术上是有区别的。
  1档开关升降和停止响应时间比2档开关长,电动机电子控制单元控制软件1档开关也较2档开关复杂。
  2档开关上升、下降和停止均有2次信号输入,信号容易识别;1档开关上升、下降和停止只有1次信号输入,输入信号识别较困难。但1档开关较2档开关结构简单,成本低,现有基础车型使用的是1档开关,因此,新车型决定使用基础车型已经批量使用的1档开关,这样可以节省开发时间和成本。为了解决1档开关输入信号识别相对困难的问题,电子控制单元软件对输入信号的上升沿和下降沿有40 ms的防颤抖时间。

汽车电动车窗控制电路设计图示

汽车电动车窗控制电路设计图示

  2.3.集控提升
  电子控制单元集控提升管脚得到低电平信号,全部车窗会关闭,直到车窗完全关闭。集控提升信号来自中控门锁系统。在点火开关断开,中控门锁电子控制单元得到来自遥控器或门锁关闭信号的同时,中控门锁电子控制单元输出低电平(<500mV)信号给电动车窗控制单元集控提升管脚,电动车窗电子控制单元将控制全部车窗完全关闭。
  2.4.新车型电动车窗控制电路
  采用与基础车型相同的电动车窗主控开关和副开关,带电动机电子控制单元,具有集控提升的新车型电路如图8所示。
  新车型电动车窗控制电路(图8)看起来和基础车型控制电路图(图1)相似,但控制原理和方式完全不一样。新车型控制电路取消电动车窗继电器,主要是车窗集控提升功能的需要。按基础车型控制电路,在点火开关断开后,整个控制电路将不再有电源,新车型还用这种方式的话,电动车窗电子控制单元没有电源将不工作,也就不能实现在中控门锁电子控制单元发出集控提升信号后自动关闭所有车窗。

汽车电动车窗控制电路设计图示

汽车电动车窗控制电路设计图示

  因此,新车型控制电路改为由蓄电池经熔断器给电动车窗电子控制单元直接供电,解决了车窗集控提升问题。
  电动车窗主开关和副开关电源由点火开关控制,只有点火开关接通总电源后,电动车窗主开关和副开关才有电源,这样设计,是考虑到安全和电源损耗问题。汽车电路设计有一个基本原则,就是在人员离开汽车、点火开关断开后,整车电器不需要带电的,电源都要断开。由于集控提升需要,电动车窗电子控制单元在点火开关断开后需要电源,因此,电动车窗电子控制单元设计时,静态电流设计得很小,2.1.2章有介绍,25 ℃时小于300 μA。
  新车型电动车窗主开关和副开关的电源由点火开关直接控制,是因为新车型电动车窗带有电子控制单元,车窗上升(UP)和下降(DOWN)开关控制的是车窗上升和下降的指令信号,电流为mA级。基础车型控制电路带电动车窗继电器,由经过点火开关的小电流来控制流经电动车窗主开关和副开关的电流,是因为流经电动车窗主开关和副开关的电流是直接驱动电动车窗电动机的大电流,点火开关不能直接承受这样的大电流,所以通过继电器来控制流经电动车窗主开关、副开关和电动机的大电流。
  新车型由于从开关到电动车窗电子控制单元的是小电流指令信号,所以相关导线就不需要基础车型那么大了,新车型设计为1 mm2导线,基础车型为2mm2导线。由于新车型电动车窗主开关和副开关控制的是小电流指令信号,而基础车型电动车窗主开关和副开关控制的是大的工作电流,所以新车型电动车窗主开关和副开关故障率很低,寿命长。
  新车型电动车窗开关锁采用和基础车型同样的开关。正常状态下为接通(ON)状态,开关锁按下去后,开关锁处于断开(OFF)状态。在开关锁处于接通状态时,电动车窗主开关能控制前、后、左、右4个车窗工作,电动车窗副开关能控制自己侧车窗工作。基础车型电动车窗在开关锁处于断开状态下,只有驾驶员侧开关(左)能控制驾驶员侧车窗升降外,其它车窗都不能工作。新车型控制电路,在开关锁处于断开状态下,驾驶员侧主开关能控制前、后、左、右4个车窗工作,而副开关则不起作用。
  3.新车型电动车窗主要技术参数和功能
  新车型电动车窗除了上面所介绍的上升、下降、集控提升(离车关闭)等功能外,还有以下功能。
  3.1.功能
  3.1.1.防夹功能工作条件
  初始化后,手动和自动上升时都有防夹功能,而且防夹的次数不受限制。
#p#副标题#e#  3.1.2. 区间
从上密封条下沿4 mm往下,>200 mm,<370 mm区间为防夹区间,如图9所示。

  3.1.3.防夹力
在室温(22±5)℃、80 mΩ的线间电阻、14.5 V的工作电压,以10 N/mm的测量仪测量时,玻璃上升的防夹力<100 N。
  3.1.4.防夹反转距离
在玻璃手动或自动上升时,一旦受到大于防夹力的阻碍作用,就立即停止上升,并使电动机反转,反转距离为125 mm。
  3.2.省电模式
  在输入信号消失120 ms后,且电动机温度接近室温25 ℃时,该系统自动进入省电模式,此时模块的静态电流<300 μA。当电动机控制单元一旦得到输入指令就被唤醒了。
  3.3.软停止功能
  为了防止玻璃上升到顶或下降到底时,电动机受到冲击堵转而降低机械的使用寿命,需要有软停止功能,并且手动或自动上升、下降时都有此功能。mPt设计网
  3.3.1.上升软停止
当玻璃上升快到顶部时,即在上升软停止点时,会切断电动机的电源使其停止工作,同时通过电动机的惯性使玻璃上升到顶。此上升软停止点为上极限位置下约2 mm处。mPt汽车设计网
  3.3.2.下降软停止
当玻璃下降快到底部时,即在下降软停止点时,会切断电动机的电源使其停止工作,同时通过玻璃下降的惯性使玻璃下降到底。此下降软停止点为下极限位置上约12 mm处。mPt汽车设计网
  3.4.克服阻碍功能
  在玻璃上升过程中,如果玻璃还没到达上升软停止位置,因遇到障碍而无法正常上升时,则在玻璃停止运动后的2 s内,按下降开关键使玻璃运行到下降软停止位置,然后再在2 s内按上升开关键使玻璃运行,则可克服障碍使玻璃正常运行。此上升过程中,没有防夹功能。

防夹功能

防夹功能

  3.5.电动机保护功能
  对电动机采取保护措施,可以明显提高电动机和整个电动车窗系统的使用寿命。
  3.5.1.电动机堵转保护
  在电动机堵转的250 ms内,控制单元会切断电动机电源,使电动机停止工作。
  3.5.2.电动机温度保护
  在控制单元接通电源后,如果没有进行初始化,则电动机的初始温度定为80 ℃;如果进行过初始化,则电动机初始温度定为160 ℃。
  正常情况下,如果电动机温度达到170 ℃,则输入的指令无效,一旦电动机温度降低后就恢复功能;如果电动机温度到190 ℃,则立即停止电动机的工作,一旦电动机温度降低后就恢复功能。
  3.6.自诊断保护功能
  为保证系统的可靠性,同时提高系统的平均无故障时间,采用了自诊断保护措施:如果电源电压超过16 V±0.5 V,则电子模块关闭自动上升功能。
  3.6.1.开关触点粘连
当检测到开关触点有长达10 s的粘连后,则不再接收输入指令;如果之后检测到开关触点又断开了,则恢复正常功能。
  3.6.2.继电器触点粘连
如果电动机发生堵转,在发出断开指令后仍然检测到继电器接通,则判断继电器触点发生了粘连,于是发出指令使另一个继电器也接通,来切断电动机电源。同时不再接收输入指令,直到再次检测到继电器触点已释放才恢复正常。
  3.6.3.霍尔元件保护
如果霍尔元件发生故障,控制单元就接收不到霍尔元件的信号,则控制单元回到基本初始化前的状态,即上升时最多只能上升45 mm的距离,同时不具有防夹功能。
  3.7.系统环境自适应功能
  由于系统在进行了长时间运行后,会发生胶条老化、钢丝变长和安装定位的松动等情况,以及当环境温度发生变化导致摩擦力变化时,系统会利用自适应功能保证系统可靠、安全地工作。系统在任何时候都不会丢失数据,即使是在突然断电导致电动机停止运行时,当恢复供电后,玻璃会自动下降到底。同时恢复了自动功能和防夹功能。
  4.结束语
  本文所设计的新车型电动车窗控制电路在笔者公司与国外联合设计的新车型样车上得到了应用,电动车窗能完全按本设计要求工作,功能正常,满足本文所介绍的所有功能。不久将投入批量生产。
  参考文献:
  [1] 林元新. 单片机在电子车窗控制器中的应用设计[J]. 汽车电器,2005,(12):1-5.
  [2] 顾柏良. BOSCH汽车工程手册[M]. 北京:北京理工大学出版社,2004.
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