采用VNH2SP30的汽车窗户防夹伤设计方法
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1、窗户升降器原理
目前，很多自动控制装置都具有触发关闭系统的功能，如窗户和车门。这也同时暗示著发生意外事故的危险，如人身体或动物的某一部分被这些自动装置夹住和压住。一个具体实例就是汽车的自动窗户升降器。由于窗户玻璃施加于障碍物上的力量足够大，因此足以压碎人体的某一部份器官。
按照相关安全规范的建议，自动窗户升降装置必须装备所谓的“防夹伤”功能。该防夹伤功能是指∶
■在关闭窗户的时候检测障碍物的存在。
■限制施加于障碍物的力量的大小。
■向相反方向移动窗户，以释放障碍物。
现有的解决方案不是机械式的，就是机电一体化的。在机械机构中，防夹检测是通过固定于窗户支柱上的环境感应片内的开关进行的。该开关一般情况下处于关闭状态，在环境感应片上施加有压力的时候开启。该方案很简单，但是感应片很贵，并且潜在的安装和维护比较复杂。在某些情况，该方法无法满足某些安全标准，举例来说，如果窗户形状呈现为锐角，力量就不是以直角方向施加于感应片表面(见图1)，用以激励开关所必需的力量不是接触不到感应片，就是比规范所要求的力量大很多。
有一种基于马达速度监视的替代方案，通过传感器(霍尔效应传感器、编码器等)完成有关功能。其防夹环境检测是通过检查马达速度的变化实现的。马达由继电器控制，继电器以整个电池为动力启动马达。当以最大力矩启动马达时，施加于障碍物上的力在启动时可以达到最大值。本文使用VNH2SP30监视由于马达负载变化所导致的功率变化。
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图1. 汽车窗户原理图
对窗户升降系统的具体要求是在启动阶段，检测已经存在的障碍状态。事实再一次表明，在汽车窗户升降器升起时，有几种情况可能发生夹伤事故。两种最常见的可能情形是∶
■窗户玻璃的位置非常靠近窗户支柱，而且阻塞物体正好位于玻璃和窗户支柱之间。
■如果窗户模胚的形状为一个锐角，这样大部份情况下都容易发生夹伤现象(见图1)。
窗户升降器的动力来自一个直流马达。它直接提供旋转运动，并通过与转子和磁鼓的耦合来提供变速运动。电枢电路和转子外形如图2所示。
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图2. 直流马达
正常情况（软启动）下，在开始启动阶段，马达功率的增加与其角速度成正比，稍後就以一定常数增加。软启动开始期间的夹伤可能性比进入稳定状态的可能性大。因此，在具体实施时有必要定义两个在不同时期运行的马达功率阈值。如果检测到的防夹状况达到了夹伤阈值，窗户玻璃就在下降的过程中停下来以免事故发生；如果是在上升过程中，它将会下降一个固定的长度。
2、硬件实施
本系统的设计原理见图3，具体实施方案见图8。采用的元器件介绍如下:
■ ST72F324微控制器∶内部频率为8MHz，32k字节HDFlash，1k字节RAM，10bit ADC。
■ L4979稳压器∶用于软件失效时微控制器中数据的自动恢复，器件中还嵌入了一个可编程看门狗定时器。
■ 用于PC串行端口的ST232通信接口。
■ VNH2SP30全桥马达驱动器，适合各种汽车电子应用。
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图3窗户升降器原理图
其中，稳压器启用（Voltage Regulator Enable）连接器（图4中的第5项）上安装一个跳线，以便启用稳压器，提供系统所需的5V电压。
上升按钮(Up key，图4中的第8项)和下降按钮（Down key，图4中的第7项)管脚配置为输入上拉模式，使其通常处于高电平(5V)；如果按下UP或DOWN按钮，将显示两种不同情况:
■ Short Touch: 如果按下按钮的时间少于100ms，窗户玻璃将一直上升或下降（取决于按下的按钮属性），直到窗户的上边沿或下边沿接触到位为止。
■ Long Touch∶如果按钮按下的时间超过100ms，窗户将按照具体接触状况上升或下降，具体依赖于按钮的属性。
Window Up switch管脚(图4中的第6项)也配置为输入上拉模式，且必须连接到一个用来指示窗户运行结束的机械开关，以便了解是否接触到了门窗的上方极限位置。
微控制器可以通过ICP连接器(图4中的第4项)进行重新编程。PC7连接器（见图4中的第9项）上的跳线通过一个具有固定占空比（50%）和频率（20kHz）的PWM信号驱动VNH2SP30，此时没有防夹伤功能。在驱动有防夹伤功能的窗户升降器时，必须断开PC7跳线。具有防夹伤功能情况下的操作流程如图5所示。
在打开电源或重启後，微控制器对所有使用过的外设 (输入/输出、定时器、ADC和SCI)进行初初始化，并启动一个只能执行停止重新设定或关掉线路等指令的无限环路（infinite loop）。
重设防夹标志符，微控制器将轮询访问各个key管脚。在这一阶段，微处理器工作于SLOWMODE模式，以降低功耗。
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图4. PCB布局
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图5. 防夹伤功能流程图
一旦按下按钮，选择的将是常规操作模式，并设置或重置VNH2SP30的INA和INB管脚，具体取?于被按按钮是上升键或下降键，Timer B Out Compare管脚用来为VNH2SP30提供一个频率为20kHz、占空比为30%的PWM信号，而Timer A Output Compare管脚用来随机应变地执行任务，执行时间为1ms。在1ms的任务执行期间，通过ST7 ADC采集电流感应，平均采集时间为10ms。
要知道是否会发生夹伤，必须将功率和平均功率与相应阈值进行比较。所考虑阈值的大小取决于上升启动阶段是否已经完成，或者软启动依然在进行中。除非按下了某一按键或发生了夹伤现象，占空比均以线性增加到100%为止，而PWM则变成一个常数(图6)。
在这一点系统等待下一事件∶按下某一按钮或夹伤现象发生。如果按下了某一按钮，马达将停止运行——重置VNH2SP30的PWM管脚，并设定INA和INB使马达立即?住，使车窗玻璃停止。万一发生夹伤现象，首先应该检查Window Up开关。
如果玻璃到达了窗户上方极限，将驱动马达运行800ms，将窗户玻璃锁定。否则，如果玻璃处于上行过程中，马达将下行800ms，以释放被夹物体；如果玻璃处于下行过程中，马达就停止运行。
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图6. VNH2SP30的PWM信号
3、PC接口
在接通线路板电源後，VNH2SP30按照有关参数的默认值（PWM、软启动持续时间、两个阈值，或固定PWM频率和占空比）进行编程。借助串行端口，使用PC接口与VNH2SP30之间交换数据，可对上述参数进行修改或采集数据。使用PC接口时，必须保证马达已经停止。
从图7可以看出程序掩码，使用掩码上方的滑块可进行如下改动∶
■PWM频率∶可能值为5、10、15或20kHz，默认值为20kHz。降低频率可以听到某些噪声，具体取?于所使用的马达。
■软启动持续时间∶大概范围为800ms至2.5s之间，默认值为800ms 。
■阈值1∶在软启动期间使用，具体取?于车窗特徵，默认值为55。增加该阈值，就增加了启动防夹措施之前施加于障碍物上的力量。
■阈值2∶用于软启动开始之後。默认值为20。同上相同，如果增加该阈值，就增加了启动防夹措施之前施加于障碍物上的力量。
如果安装PC7跳线，微控制器就产生一个具有固定频率和固定占空比的PWM信号，其中，频率和占空比的大小可以通过调整图7所示的掩码中部的数据框中的数字实现。
在设定好所有数值後按“Send”按钮，这样在下一次驱动汽车窗户时就可以使用这些新的数据了。
也可以每毫秒采集一些信号:
■瞬时电流∶它是从VNH2SP30的CS管脚读取的电流，平均持续时间约10ms，仅仅用来忽略噪声。
■完整电流∶它也是从VNH2SP30的CS管脚读取的电流，但是平均持续时间约100ms。它与瞬时电流波形相似，只是有延迟。
■差分电流∶它是上述两个电流的差值，且是根据阈值进行比较的结果。
在选择了上述任一选项之後，按“Send”按钮，这同时也改变了PWM频率和软启动等。
信号采集只有按下线路板上的“UP”和“DOWN”键之後才能开始，在按下软件上的“Acquis.Stop”按钮之後才停止。一旦停止信号采集，将在安装软件的目录下生成一个“.csv”文件。所生成的每个文件由两栏组成∶第一个带有时间(ms)信息，第二个是信号的数值。
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图7. PC软件
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图8 基于VNH2SP30的汽车窗户防夹伤实施方案
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