探究霍尔传感器和电流纹波技术在电动车窗防夹中的应用

电子设计 2022-01-13 3526

描述

Other Parts Discussed in Post:DRV5013-Q1, TIDA-01421, INA240-Q1

作者：Ivy Jin

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模块报告信息，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。


图1 DRV5013-Q1的场方向定义	图2 DRV5013-Q1输出

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。

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，高精度，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，供下一级比较器进行测量。

比较器

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

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。