汽車電動(dòng)車窗控制電路設(shè)計(jì)

　　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(dòng)車窗在基礎(chǔ)車型的基礎(chǔ)上增加了離車自動(dòng)關(guān)窗功能和防夾功能。同時(shí)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(shí)間，降低成本。本文按這些要求對(duì)新車型電動(dòng)車窗控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決了新車型電動(dòng)車窗控制電路的設(shè)計(jì)問題。

　　１.基礎(chǔ)車型電動(dòng)車窗控制電路

　　新車型設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)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(dòng)車窗的設(shè)計(jì)也是參考基礎(chǔ)車型電動(dòng)車窗進(jìn)行的，因此，有必要先介紹一下基礎(chǔ)車型電動(dòng)車窗的功能及控制原理和方式。

　　基礎(chǔ)車型電動(dòng)車窗控制部分由電動(dòng)車窗主開關(guān)、電動(dòng)車窗副開關(guān)、電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)斷路器組成?；A(chǔ)車型電動(dòng)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(dòng)車窗繼電器閉合，蓄電池電壓通過易熔線１０給電動(dòng)車窗控制電路供電。當(dāng)按下電動(dòng)車窗?穴主或副?雪開關(guān)（ＵＰ或ＤＯＷＮ）時(shí)，電流通過⑧號(hào)熔斷器流到電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)。由此，電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)獲得電能而旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)車窗玻璃上下移動(dòng)，電動(dòng)車窗打開或關(guān)閉。

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

　　基礎(chǔ)車型電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)帶斷路器，以防止電動(dòng)機(jī)因過電流而造成損壞?；A(chǔ)車型電動(dòng)車窗開關(guān)為１檔開關(guān)，電動(dòng)機(jī)不帶電子控制單元。

　　２.新車型電動(dòng)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(dòng)關(guān)閉車窗等功能，新車型電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)必須由電子控制單元來控制。

　?。?１.電動(dòng)車窗電子控制單元

　　電動(dòng)車窗電子控制單元原理見圖２。電動(dòng)車窗的主要?jiǎng)幼鳛檐嚧暗纳仙?、下降和停止。車窗的上升、下降和停止是通過控制電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)Ｍ的電流方向或截?cái)嚯妱?dòng)機(jī)的電流來實(shí)現(xiàn)的。

　　電動(dòng)車窗電動(dòng)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(dòng)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(dòng)關(guān)閉所有車窗的信號(hào)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(dòng)機(jī)集成在一起，每個(gè)車窗電動(dòng)機(jī)帶一個(gè)電子控制單元。

　?。?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(chǔ)存溫度：－４０～９０ ℃；工作電壓：９～１５ Ｖ；靜態(tài)電流：＜３００ μＡ(２５ ℃)。

　　２.２.電動(dòng)車窗控制開關(guān)

　　電動(dòng)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)

　?。睓n車窗開關(guān)有３個(gè)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(shí)，ＵＰ端子輸入為高電平，當(dāng)開關(guān)脫離ＵＰ端子時(shí)，ＵＰ端子變?yōu)榈碗娖?。同樣，?dāng)開關(guān)向ＤＯＷＮ方向按下時(shí)，ＤＯＷＮ端子輸入為高電平，當(dāng)開關(guān)脫離ＤＯＷＮ端子時(shí)，ＤＯＷＮ端子變?yōu)榈碗娖?，圖４為１檔開關(guān)信號(hào)圖。

　　當(dāng)開關(guān)向ＵＰ方向按下，ｔ＞３００ ｍｓ時(shí)，車窗手動(dòng)上升，ｔ＜３００ ｍｓ時(shí)，車窗自動(dòng)上升。自動(dòng)上升過程中，如果按下電動(dòng)車窗上升開關(guān)或下降開關(guān)，車窗將停止自動(dòng)上升。

　　當(dāng)開關(guān)向ＤＯＷＮ方向按下，ｔ＞３００ ｍｓ時(shí)，車窗手動(dòng)下降，ｔ＜３００ ｍｓ時(shí)，車窗自動(dòng)下降。自動(dòng)下降過程中，如果按下電動(dòng)車窗上升開關(guān)或下降開關(guān)，車窗將停止自動(dòng)下降。

　　２.２.２.２檔開關(guān)

　?。矙n開關(guān)如圖５所示，無論向ＵＰ或ＤＯＷＮ方向，都有２個(gè)檔位。例如，當(dāng)開關(guān)向著ＵＰ方向按下時(shí)，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(gè)觸點(diǎn)。

　　ａ. 上升.開關(guān)向著ＵＰ方向按下時(shí)，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(shí)，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(shí)。

　?。? 手動(dòng)上升.如圖６所示，當(dāng)ＵＰ為高電平時(shí)，即為手動(dòng)提升。當(dāng)松開開關(guān)時(shí)，如果ｔ２＞１５０ ｍｓ，則電動(dòng)機(jī)停止，車窗停止上升。

　　ｃ. 自動(dòng)上升.將電動(dòng)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(shí)，如果ｔ２＜１５０ ｍｓ，玻璃自動(dòng)上升。在自動(dòng)上升過程中，如果按下電動(dòng)車窗上升鍵或下降鍵，則玻璃停止上升。

　?。? 下降（車窗開啟）.開關(guān)向著ＤＯＷＮ方向按下時(shí)，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(shí)，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(shí)。

　?。? 手動(dòng)下降.如圖７所示，當(dāng)ＤＯＷＮ為高電平時(shí)，即為手動(dòng)下降。當(dāng)松開開關(guān)時(shí)，如果ｔ２＞１５０ ｍｓ，則電動(dòng)機(jī)停止，車窗停止下降。

　?。? 自動(dòng)下降.將電動(dòng)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(shí)，如果ｔ２＜１５０ ｍｓ，玻璃自動(dòng)下降。在自動(dòng)下降過程中，如果按下電動(dòng)車窗上升鍵或下降鍵，則玻璃停止下降。mPt汽車設(shè)計(jì)網(wǎng)

　　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(dòng)車窗玻璃的升降功能，但它們在實(shí)現(xiàn)升降功能時(shí)技術(shù)上是有區(qū)別的。

　　１檔開關(guān)升降和停止響應(yīng)時(shí)間比２檔開關(guān)長，電動(dòng)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(hào)輸入，信號(hào)容易識(shí)別；１檔開關(guān)上升、下降和停止只有１次信號(hào)輸入，輸入信號(hào)識(shí)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(shí)間和成本。為了解決１檔開關(guān)輸入信號(hào)識(shí)別相對(duì)困難的問題，電子控制單元軟件對(duì)輸入信號(hào)的上升沿和下降沿有４０ ｍｓ的防顫抖時(shí)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(hào)，全部車窗會(huì)關(guān)閉，直到車窗完全關(guān)閉。集控提升信號(hào)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(hào)的同時(shí)，中控門鎖電子控制單元輸出低電平（＜５００ｍＶ）信號(hào)給電動(dòng)車窗控制單元集控提升管腳，電動(dòng)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(dòng)車窗控制電路

　　采用與基礎(chǔ)車型相同的電動(dòng)車窗主控開關(guān)和副開關(guān)，帶電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)控制電路將不再有電源，新車型還用這種方式的話，電動(dòng)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(hào)后自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)車窗電子控制單元設(shè)計(jì)時(shí)，靜態(tài)電流設(shè)計(jì)得很小，２.１.２章有介紹，２５ ℃時(shí)小于３００ μＡ。

　　新車型電動(dòng)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?dòng)車窗帶有電子控制單元，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(hào)，電流為ｍＡ級(jí)。基礎(chǔ)車型控制電路帶電動(dòng)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(dòng)車窗主開關(guān)和副開關(guān)的電流，是因?yàn)榱鹘?jīng)電動(dòng)車窗主開關(guān)和副開關(guān)的電流是直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車窗電動(dòng)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(dòng)車窗主開關(guān)、副開關(guān)和電動(dòng)機(jī)的大電流。

　　新車型由于從開關(guān)到電動(dòng)車窗電子控制單元的是小電流指令信號(hào)，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(dòng)車窗主開關(guān)和副開關(guān)控制的是小電流指令信號(hào)，而基礎(chǔ)車型電動(dòng)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(dòng)車窗主開關(guān)和副開關(guān)故障率很低，壽命長。

　　新車型電動(dòng)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(shí)，電動(dòng)車窗主開關(guān)能控制前、后、左、右４個(gè)車窗工作，電動(dòng)車窗副開關(guān)能控制自己側(cè)車窗工作?；A(chǔ)車型電動(dòng)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(gè)車窗工作，而副開關(guān)則不起作用。

　　３.新車型電動(dòng)車窗主要技術(shù)參數(shù)和功能

　　新車型電動(dòng)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(dòng)和自動(dòng)上升時(shí)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(shí)，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(dòng)或自動(dòng)上升時(shí)，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(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)距離為１２５ ｍｍ。

　　３.２.省電模式

　　在輸入信號(hào)消失１２０ ｍｓ后，且電動(dòng)機(jī)溫度接近室溫２５ ℃時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入省電模式，此時(shí)模塊的靜態(tài)電流＜３００ μＡ。當(dāng)電動(dòng)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(shí)，電動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊堵轉(zhuǎn)而降低電動(dòng)車窗機(jī)械的使用壽命，需要有軟停止功能，并且手動(dòng)或自動(dòng)上升、下降時(shí)都有此功能。

　　３.３.１.上升軟停止

　　當(dāng)玻璃上升快到頂部時(shí)，即在上升軟停止點(diǎn)時(shí)，會(huì)切斷電動(dòng)機(jī)的電源使其停止工作，同時(shí)通過電動(dòng)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(shí)，即在下降軟停止點(diǎn)時(shí)，會(huì)切斷電動(dòng)機(jī)的電源使其停止工作，同時(shí)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(shí)，則在玻璃停止運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)保護(hù)功能

　　對(duì)電動(dòng)機(jī)采取保護(hù)措施，可以明顯提高電動(dòng)機(jī)和整個(gè)電動(dòng)車窗系統(tǒng)的使用壽命。

　　３.５.１.電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)

　　在電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)的２５０ ｍｓ內(nèi)，控制單元會(huì)切斷電動(dòng)機(jī)電源，使電動(dòng)機(jī)停止工作。

　　３.５.２.電動(dòng)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(dòng)機(jī)的初始溫度定為８０ ℃；如果進(jìn)行過初始化，則電動(dòng)機(jī)初始溫度定為１６０ ℃。

　　正常情況下，如果電動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到１７０ ℃，則輸入的指令無效，一旦電動(dòng)機(jī)溫度降低后就恢復(fù)功能；如果電動(dòng)機(jī)溫度到１９０ ℃，則立即停止電動(dòng)機(jī)的工作，一旦電動(dòng)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(shí)提高系統(tǒng)的平均無故障時(shí)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(dòng)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(dòng)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(gè)繼電器也接通，來切斷電動(dòng)機(jī)電源。同時(shí)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(hào)，則控制單元回到基本初始化前的狀態(tài)，即上升時(shí)最多只能上升４５ ｍｍ的距離，同時(shí)不具有防夾功能。

　?。?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(shí)間運(yùn)行后，會(huì)發(fā)生膠條老化、鋼絲變長和安裝定位的松動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(shí)候都不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，即使是在突然斷電導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，當(dāng)恢復(fù)供電后，玻璃會(huì)自動(dòng)下降到底。同時(shí)恢復(fù)了自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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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