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防夹玻璃升降器工作原理
防夹玻璃升降器工作原理
2010-05-1421:
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防夹玻璃升降器工作原理分析
摘要:
本文通过对防夹玻璃升降器的电机解析,较详细的阐明了驾驶员侧防夹玻璃升降器的防夹功能的原理,上死点自复位原理;分析了常见故障的现象、产生原因、排除方法
关键词:
防夹玻璃升降机自复位非防夹区
1前言
现代轿车门窗玻璃的升降基本已经抛弃了摇把式的手动升降方式,普遍采用按钮式的电动升降方式。
随着人们对舒适性、安全性要求的提高,原本仅在高档轿车上装配的电动防夹玻璃升降器,也逐渐被更多的中低档车所采用,成为未来玻璃升降器发展的一种趋势。
所谓防夹玻璃升降器,是指当玻璃上升时,如果在上升区域内有人体某部位或物件时会立即反转一段距离后停止,以防止夹伤乘客。
目前,流行的防夹玻璃升降器从防夹功能上分主要有两类:
接触式和非接触式。
接触式指当电动车窗机构感触到有异物在玻璃上,才会自动停止玻璃上升工作;非接触是指通过一套光学控制系统来检测有无异物在电动车窗移动范围内,从而控制玻璃移动,无需异物直接接触到玻璃。
这个光学控制系统主要元件是光学传感器,它由红外线发射器和接收器组成,安装在车窗的内饰件上,能连续精确地扫描指定的区域。
防夹玻璃升降器是未来玻璃升降器的发展趋势,因此深入了解防夹玻璃升降器的工作原理,对设计、开发、检测、维修都有重要意义。
本文结合新开发的xx2号车驾驶员侧防夹玻璃升降器,通过拆解、分析、测试等手段较详细的阐述了防夹玻璃升降器的工作原理,自复位原理;并以此为依据,结合工作中的实际情况,分析了常见故障的现象、产生原因、排除方法;提出了防夹功能方面的故障排查的一般程序及防夹玻璃升降器对装配及检验的要求,以避免由于装配操作不当造成的故障。
2 防夹玻璃升降器工作结构及原理
本文主要以驾驶员侧防夹玻璃升降器为例,对接触式防夹玻璃升降器的结构、防夹原理进行阐述。
2.1防夹玻璃升降器基本结构
防夹玻璃升降器总成分两部分,升降机部分,电机部分。
图1为玻璃升降器。
2.1.1升降机部分
升降机部分又可分为绳轮式（包含单臂式和双臂式）、齿轮臂式软轴式等。
xx车玻璃升降器的升降机部分是典型的单臂绳轮式,其主要包含:
RAIL,CARRIER,CABLE,GUIDE,BRAKET等,这与一般电动升降机相似。
2.1.2电机部分
一般电动玻璃升降器结构的关键是电机（内置减速器）,其中电机采用可逆性永磁直流电机,电动机内有两组绕向不同的磁场线圈,通过开关的控制可做正转和反转来实现升降。
而防夹电机是在一般电机的基础上,电机中增加传感器,开关控制部分中添加处理元件来实现防夹功能。
通常是在电动机中埋植磁环,感应电机转速,在电子模块中埋植霍尔元件,感应电流,并通过电子模块控制对电动机的过流、过压及过热保护,而且当玻璃上升途中遇到人力障碍时会自动识别而反向运行,防止乘员夹伤。
防夹电机部分主要包含直流电机（内置减速器）和感应器两部分
一、直流电机:
直流电机的质量直接关系到电动玻璃升降器的正常工作,它一定要具有体积小、重量轻、防护等级高、噪声低、电磁干扰小、运行可靠等特点,并要求有良好的耐久性、水密性、耐热、耐腐蚀、耐振动、阻燃
等性能。
xx2号车防夹玻璃升降器电机的基本参数如表1所表示。
二、感应器:
为了保证玻璃升降机具有防夹功能,要求PowerWindowSwich中的ECU必须包含两种功能。
1判定玻璃是在防夹区还是非防夹区;
2判定玻璃是否遇到障碍物。
如果ECU判定玻璃处在非防夹区,并且玻璃遇到障碍物,则ECU将发出指令,给电机两端输出反向的电源,促使电机反转,并在反转一段时间内停止。
为了能实现ECU的这两种功能,则电机的感应器必须具备以下功能,
（1） 采集并输出玻璃所处区域的信号;
（2） 采集并输出电机转速的脉冲信号。
因此一般感应器包含两部分,位置感应器和转速感应器
2.2防夹功能原理
2.2.1玻璃所处区域的信号采集
关闭玻璃的过程中,可能遇到障碍物,同时玻璃关闭时最终必然会接触到上侧门框上的玻璃导轨胶条。
为了既能实现防夹功能,又可以最终关闭玻璃。
一般的在玻璃上升的区间内即从玻璃的上死点到下死点范围内划分为两个区间:
一、非防夹区:
从玻璃上死点到以下某一范围（一般玻璃升降机的非防夹区为玻璃上死点到以下10mm左右）。
该区域内即便玻璃上升时遇到障碍物,电机也不会反转,以保证玻璃遇到上侧门框上的玻璃导轨胶条时会停止而不是反转。
二、防夹区:
非防夹区以外的区域。
该区域内,玻璃上升时遇到障碍物,电机会反转一段距离后（如
120-150mm）停止。
以确保不会夹伤人体的某部位如手、手臂等。
同时也起到自保护作用,不会因过载而损伤电机。
三、防夹区和非防夹区的识别及玻璃所处区域信号采集:
如图4电机旋转,带动1-拨叉齿轮,又通过3-从动齿轮带动2-内齿圈;其传动比位为36:
19,起到减速的作用。
5-调整钢圈为开口的钢丝环,两端伸出3mm左右的一段钢丝。
调整钢圈套在2-内齿圈外侧,内齿圈旋转时靠与调整钢圈间的摩擦力带动调整钢圈同步转动,调整钢圈两端伸出钢丝又带动定位环套同步旋转;定位环套上部有止动块,下部有突出结构,其作用在于当至动块在接触6-基板限位块前的一段距离内（11.5±2.5mm）触发常闭状态的限位开关断开;这样就可以采集并输出了玻璃已经上升到非防夹区内的信号。
（1-拨叉齿轮;2-内齿圈;3-从动齿轮;4-定位环套;5-调整钢圈;6-基板限位块;7-限位开关）
2.2.2障碍物的信号采集
障碍物及信号采集及输出是通过固化到电机内部的传感器来实现的。
电机顺时针旋转,玻璃上升,此时会在感应器的输出端产生脉冲信号,当玻璃上升过程中遇到障碍物时,电机的转速会变慢,从而改变了感应器输出的脉冲信号,ECU对脉冲信号判断,如果脉冲信号的频率f满足以下条件:
则ECU判定玻璃遇到障碍物。
2.2.3上死点的自修正
当升降机与电机装配成玻璃升降器时会预先设定一个上死点称为假上死点,假上死点通常设定在与车门装配的实际上死点的下方某一位置,如图6所示。
如果假上死点在实际上死点的下方,则在玻璃升降器与车门装配后,通过玻璃升降器作动,假上死点会自动调整到实际上死点的位置。
其原理如下:
如图3所表示首先电机顺时针作动,玻璃上升,同时4-定位环套转动,当玻璃进入非防夹区（距离假上死点下方10mm左右）定位环套下部的突出结构会触发常闭状态的限位开关,使之断开;电机继续作动较短的时间后,定位环套上部的止动块会接触到基座,此时,玻璃上升到假上死点,由于初始设定的假上死点位于实际上死点下方。
故,虽然玻璃上升到假上死点,但距离上方的玻璃导轨胶条还存在一定距离,因此玻璃会继续上升,由于定位环套的止动块已经接触到基座,无法继续转动,而内齿圈在电机的带动下与调整钢圈发生相对滑动,直至玻璃上升到上方的玻璃导轨胶条而停止。
这样装配后的玻璃上死点与电机的定位环套的止动块的位置实现了一致。
3.常见故障分析及故障排查的一般程序
3.1假上死点上偏移的故障现象及修正
所谓假上死点上偏移式指防夹玻璃升降器在安装到门上以前的假上死点高于实际的玻璃上死点的现象。
由于防夹电机与升夹机组装不当或者在玻璃升降器安装到门上以前对电机通电操作都可能发生假上死点上偏移的问题。
假上死点上偏移可分为两种情况:
一是假上死点上偏移量较大,实际上死点处于电机设定防夹区内;二是假上死点上偏移量较小,实际上死点仍处于电机设定非防夹区内。
第一种情况下,玻璃升降器与车门装配后,使用AUTO档连续升起玻璃,玻璃将无法关闭,在接触到上方的玻璃导轨胶条后会自动反转一段距离（100mm左右）后停止。
造成以上故障的原因在于实际的上死点在防夹区内,玻璃接触到上方的玻璃导轨胶条后,限位开关没有被触发,依就处于导通状态。
因此电机接触到玻璃导轨胶条后由于速度减慢导致输出的脉冲信号发生变化。
ECU在同时到接受限位开关导通和脉冲信号变化的信号后,将发出指令使电机端子电源电极互换而反转。
对于以上故障,可以通过调节复为开关（如图7所示）来消除。
具体操作如下:
1） 利用PowerWindowSwich按钮的寸动档按闭和玻璃;
2） 按住复位开关后,再使玻璃降下。
重复1）-2）步骤1到3次,可以实现电机设定的假上死点与实际上死点的重合。
其原理也是通过利用了调整钢圈与定位环套的相对滑动类实现的:
首先利用寸动的操作闭合玻璃,此时定位环套的止动块与基板的限位块的距离最短,设其相对转角为α,此时按下后面的复位开关在降下玻璃时,定位环套及调整钢圈在复位开关的作用下不再随内齿圈转动,即调整钢圈与内齿圈发生相对转动。
如此反复几次,会导致定位环套与内齿圈的相对滑动的转角β>α,即造成在玻璃接触到导轨胶条前,定位环套的止动块就已经到达基板的限位块位置,这样电机继续转动直到玻璃接触到导轨胶条停止。
从而实现了玻璃的上死点与定位环套的止动块的一致。
第二种情况,玻璃升降器装配后仍可以正常作动,不影响正常使用,仅仅是实际的非防夹区缩小了。
但值得一提的是当玻璃导轨胶条逐步老化,弹性降低,玻璃的上死点位置将逐步下降,可能会使玻璃的上死点位置从非防夹区跃入防夹区,导致玻璃无法关闭。
第二种情况在初期不易察觉,由于不影响正常使用,可以在发生无法关闭玻璃时,通过调节复位开关来修正。
3.2限位开关不良的故障分析
升降玻璃每升夹器一次,限位开关作动两次。
因此如果限位开关的耐久性能不良,设计寿命偏低,将直接影响玻璃升降器的防夹功能。
正常情况下限位开关是常闭开关,只有玻璃进入非防夹区后,限位开关才会断开。
如果限位开关失效,限位开关断开可能会一直断开,ECU将所有区域当作非防夹区处理,这样无论玻璃在防夹区还是不防夹区,遇到障碍物都不会反转。
相反,如果限位开关一直导通,ECU将所有区域当作防夹区处理。
这将发生玻璃
无法正常关闭的故障。
限位开关能否正常工作,可以通过测量图3中e与f端子间的通断情况来判定。
如果限位开关失效一般只能通过更换电机或相关零件来消除故障。
电动防夹车窗的原理
为了增加汽车的舒适性,很多汽车都安装了电动车窗,司机按下按钮就可以控制门窗玻璃的升降,非常方便。
但是车窗没有智能,如果司机没有注意成员的手或物体伸出窗口,就容易被上升的玻璃夹伤。
为了安全起见,现在很多乘用车都采用了电动防夹车窗（Anti-PinchWindowLifter,APWL）。
欧洲和美国已先后立法,确定了APWL为汽车的标准配置,以提升行车安全和人性化程度。
我国政府对APWL的立法也在研讨过程中。
现有的APWL都是在玻璃升降器的电机上安装了霍尔元件来感应电机是否受到了阻力,或者安装了其他的光学类的传感器。
这种电动车窗需要在现有的普通玻璃升降器安装额外的传感器。
在本文中介绍了一种在现有的无传感器电动车窗的基础上就能实现车窗防夹功能的车窗控制模块。
1电动防夹车窗的原理
在本系统中设计的电动防夹车窗由电动玻璃升降器和车窗控制模块组成。
电动玻璃升降器由升降机部分和电机部分组成。
升降机部分一般采用绳轮式、齿轮臂式或是软轴式。
电动玻璃升降器的关键是电机部分,一般都采用内置减速器的可逆性永磁直流电机,电机内有磁场线圈,通过控制加在线圈上的电压的方向就可以控制电机的正转和反转,就可以实现车窗玻璃的上升和下降。
在基础车型的电动车窗控制电路中,控制车窗电机采用的是开关和继电器,比较容易发生粘连等问题。
而在本系统中采用智能功率驱动器件控制车窗电机,通过控制加在直流电机上的电压方向来控制电机的转动方向。
升降器电机通过的电流的变化完全反映玻璃上升或下降过程中遇到的阻力变换情况,通过采样玻璃升降器电机通过的电流,监测电流就可以监测玻璃升降过程中阻力的变化情况从而执行相应的操作。
智能功率驱动器件可以实现对电机的过流、过压及过热保护,而且通过监测电流自动识别玻璃上升途中遇到障碍的状况,进而进行反转,防止夹伤。
控制模块可以实现的功能:
（1）点按车门控制键（按键时间小于300ms）,车窗自动上升到顶或下降到底,点按同一开关任意键,车窗停止上升或下降;
（2）延时按控窗键（按键时间大于300ms）,车窗上升或下降,上升或下降过程中释放按键车窗即停;
（3）车窗运行到顶位或底位时自动停止,车窗电机断电;
（4）车窗玻璃在自动上升的过程中如果遇到一定的阻力会自动停下来,下降一段距离,能有效地防止人或物品的意外夹伤。
2车窗控制模块的硬件设计原理
通过对电动玻璃升降器国家标准的分析,电动车窗控制模块的控制对象就是一个供电电压11~15V,工作电流不大于15A,堵转电流不大于28A的永磁直流电机。
车门控制模块的电路主要由以下几部分组成:
电源电路、微控制器部分、电动车窗驱动电路、总线接口电路等。
其中微控制器采用单片机PIC18F2480,该单片机片内集成了A/D,PWM,CAN控制器,URAT,SPI等很多非常实用的功能。
采用单片机PIC18F2480控制功率器件的开关动作,同时对系统状态进行实时监控,接收故障反馈信号,并通过车载网络实现与中央车身控制器及其他车门控制器的故障信息和按键控制信息的交换,从而及时在用户界面上显示故障内容并对车门进行实时控制,确保了行车安全。
2.1电机驱动电路的设计
车窗电机主要由飞思卡尔的智能功率模块MC33486外加两个MOSFET组成一个H桥来驱动实现电机的双方向控制,两个MOSFET的内阻、温升、电压都和MC33486相匹配,在本设计中采用STB55NF06T4,D2PAK封装。
其正常输出连续电流最大达到为10A,最大峰值电流可达35A,直流输入电压范围较宽,达8~28V,当电压高于28V时具有过压保护功能,对高端及低端均能过流保护,斩波控制下频率可达30kHz,对检测到的高端输出电流具有镜像特点。
这些器件已提供了完善的故障检测及保护功能,因而避免了采用过多的分立元件,大大减小了模块体积,并提高了模块的EMC（电磁兼容）特性。
2.2电流采样电路的设计
防夹功能主要通过监测玻璃升降器电机的电流变化来实现。
飞思卡尔的功率芯片MC33486有负载电流的线性复制功能,CurR输出和负载电流成比例的电流,其中ILoad为玻璃升降器的电机电流:
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