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霍尔传感器和电流纹波技术在电动车窗防夹中的应用

放大字体 缩小字体 发布日期:2021-12-24 16:03:04   来源:新能源汽车网  编辑:全球新能源汽车网  浏览次数:7552
核心提示:2021年12月24日关于霍尔传感器和电流纹波技术在电动车窗防夹中的应用的最新消息: 随着现代汽车技术的不断发展,人们追求更加舒适和便于操作的驾驶环境,因此,越来越多的汽车上安装了电动车窗,从而实现车窗的自动升降。然而,由于电动车窗的上升速度较快,很容易引发夹伤


随着现代汽车技术的不断发展,人们追求更加舒适和便于操作的驾驶环境,因此,越来越多的汽车上安装了电动车窗,从而实现车窗的自动升降。然而,由于电动车窗的上升速度较快,很容易引发夹伤乘客等事故,尤其是对儿童形成了安全隐患。这对于汽车的安全性提出了新标准,要求电动车窗具有一定的防夹功能。

防夹功能主要是指当车窗上升的过程中遇到障碍物(如手、头等)时,可以识别出车窗处于夹持状态,并令其立即停止上升并反向下降,从而避免事故的发生,是汽车人性化的重要体现。

此功能也被许多国家纳入了法律规范中。美国交通部颁布了针对电动车窗系统的法规FMVSSII8,欧盟标准74/60/EWG也对防夹保护装置应确保的防夹力进行了明确规定。中国也已颁布了类似的法规(GB 11552-2009),要求自2012年起,新增车辆的电动玻璃升降器应具有防夹功能,且防夹力小于100N,也就是说在防夹力达到100N前,车窗玻璃开口在4~200mm范围时,车窗应停止上升并且反向下降。

目前电动车窗的防夹功能主要是通过以下两种方案实现:霍尔传感器方案和基于纹波计数的无传感器方案。

1.霍尔传感器方案

此方案在电机轴上安装磁环,在磁环附近安装霍尔传感器,当电机转动时带动磁环转动,在霍尔传感器上感应出高低电平的脉冲信号,脉冲的个数反映了电机的位置,脉冲的频率反映了电机的转速。

当电动车窗上升并遇到障碍物时,阻力变大,电机转速将减慢,对应脉冲信号的脉宽将变大,此时系统会向ECU模块通知信息,ECU向继电器或电机驱动芯片发出指令,使电机停转或者反转,从而令车窗停止或下降,实现防夹判断。

DRV5013-Q1是一款双极性霍尔效应传感器,具有宽工作电压范围(2.7 至38V)和高达-22V的反极性保护,使得该器件广泛适用于各种汽车应用。此外,该器件还具有抛负载、输出短路和过流等内部保护功能。

此方案需要安装磁环且每个车窗都需各自的控制器,因此成本较高。

相比于霍尔传感器方案,基于纹波计数的无传感器方案可以节省磁环、霍尔传感器及相关线束的成本。此外,此方案可以用单控制器同时控制多个车窗,能够提高整车的集成度,进一步降低控制器的成本。因此,基于纹波计数的无传感器方案将成为未来电动车窗防夹的发展趋势。

2.基于纹波计数的无传感器方案

纹波计数的无传感器方案是利用转子转动过程中,电刷在电级间切换产生电流纹波,并对这种电流波动进行采样、分析和控制。

图3 直流电机

此方案首先通过采样电阻将电机电流信号转换为电压信号,并通过运放对电压信号进行滤波和放大,放大后的信号一路经过AD转换成数字信号给到MCU,作为防夹及堵转的判断依据,另一路通过滤波器和比较器得到方波信号,此方波的频率和电机的转速成正比。通过方波的个数和频率可以判断电机的位置和转速。

图4 TIDA-01421的系统框图

参考设计TIDA-01421提供了一种无传感器的纹波防夹方案。该设计主要分为以下几个部分:

?电流检测放大

INA240-Q1是一个宽共模范围,高jing度,双向电流检测放大器。该器件具有–4V至80V的共模范围,120dB的超大共模抑制比,能够提供准确,低噪声的测量结果。

应用中可以在INA240-Q1的输入端使用一个简单的RC输入滤波器,以减少高频电机电刷产生的噪声和潜在的PWM开关噪声。

?带通滤波器

电流检测放大器的输出通过有源带通滤波器进行滤波,以消除额外的噪声和直流分量,从而得到电流纹波信号。

TLV2316-Q1是一款双通道,低压,轨至轨通用运算放大器。该器件具有单位增益稳定的集成RFI 和EMI 抑制滤波器,在过驱条件下不会出现反相,并且具有高静电放电(ESD) 保护(4kV HBM)。

?差分放大器

在电机启动时,电机电流会出现非常大的初始尖峰,即浪涌电流。该电流尖峰足够大且足够慢,以至于不能被高通电路滤除。通过差分放大器,可以从信号中消除这种低速,高振幅电流尖峰,从而生成一个低噪声的交流信号,供下yi级比较器进行测量。

?比较器

经由差分放大器输出的信号通过比较器很终产生一个0V至3.3V的方波信号,其频率等于电机电流纹波频率。此方波信号很终供给MCU用于计数。

LMV7275-Q1是一款轨至轨输入低功耗比较器,并具有漏极开路输出。小型SC-70封装非常适合低电压,低功耗、对空间要求严格的设计。

图5 各级输出波形

综上所述,本文介绍了两种应用于电动车窗防夹的方案——霍尔传感器和纹波防夹技术的基本原理,比较了纹波方案相对于霍尔在实际应用中的优势。虽然霍尔方案以其成熟技术和高可靠性,占据着目前市场上车窗防夹应用的主导地位,但是随着机械加工工艺和电子技术的不断发展,纹波技术市场份额的增加趋势将越发明显。

 
关键词: 电流 方案 传感器 电机


 
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