基于TLE7810的車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車(chē)技術(shù)發(fā)展至今，電子控制單元（ECU）已經(jīng)應(yīng)用到在汽車(chē)內(nèi)部的各個(gè)環(huán)節(jié)，技術(shù)也日趨成熟。作為車(chē)身電子的重要組成部分，車(chē)門(mén)電子自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。但在實(shí)際應(yīng)用中，凡是電動(dòng)車(chē)窗或車(chē)門(mén)設(shè)備都有潛在的卡死可能，由此便可引發(fā)傷人的危險(xiǎn)。因此，在門(mén)控系統(tǒng)中，車(chē)窗防夾設(shè)計(jì)占有極其重要的位置。

大多數(shù)已有的具有防夾功能的電動(dòng)車(chē)門(mén)控制產(chǎn)品有一個(gè)共性，就是在硬件設(shè)計(jì)中以MCU為核心，輔之以功率器件、控制電路和相關(guān)的通信模塊（CAN或LIN），由這些組件配合共同實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、升降車(chē)窗、故障識(shí)別與診斷等一系列控制功能。但是，這樣的設(shè)計(jì)往往會(huì)遭遇一些技術(shù)瓶頸，比如在原理圖設(shè)計(jì)中，MCU外圍電路的搭建，功率器件的選取，電子元件之間的配合與連線；在PCB板設(shè)計(jì)中則要考慮眾多器件的布置和安放，煩瑣復(fù)雜的走線，以及由此而引發(fā)的較差的EMC。這些雖然對(duì)系統(tǒng)的總體功能不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但會(huì)使電路可靠性不高，嚴(yán)重者更是故障頻頻；除此以外，大量的電子器件還無(wú)形中增加了產(chǎn)品的重量和成本。

針對(duì)這方面問(wèn)題，我們提出了電動(dòng)車(chē)窗設(shè)計(jì)的另一種解決方案——以英飛凌公司推出的TLE7810芯片為核心，外圍輔之以簡(jiǎn)單功能模塊，優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)也探究了TLE7810功率芯片在電機(jī)控制中的作用。

總體設(shè)計(jì)與方法求解
1 TLE7810芯片特性及其優(yōu)點(diǎn)
由于此車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)針對(duì)非司機(jī)側(cè)電動(dòng)車(chē)窗設(shè)計(jì)，因此與司機(jī)側(cè)電動(dòng)車(chē)窗相比，生產(chǎn)成本盡可能低；而且，非司機(jī)側(cè)門(mén)控系統(tǒng)不要求對(duì)后視鏡方向調(diào)節(jié)、刮雨器、外部車(chē)燈進(jìn)行控制，功能大大簡(jiǎn)化。因此，選用TLE7810便可滿足所有要求。

TLE7810是一款具有高集成度的低成本智能功率芯片，它集成了一個(gè)支持片上調(diào)試功能的可以與8051兼容的8位單片機(jī)和一個(gè)SBC（System-Basis-Chip）。8位單片機(jī)有16K的flash、I/O口、霍爾傳感器接口、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、帶有傳感器的供電輸出和開(kāi)關(guān)，集成了LIN總線收發(fā)器、低電壓校正器LDO、兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)（Relay驅(qū)動(dòng)），可以進(jìn)行片上調(diào)試，具備過(guò)流保護(hù)、看門(mén)狗、電壓監(jiān)視、溫度監(jiān)視和對(duì)MCU的監(jiān)視和保護(hù)功能。TLE7810有兩種低壓?jiǎn)拘涯Ｊ剑篖IN總線喚醒和Wake-up引腳喚醒。

圖1 TLE7810內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1是它的結(jié)構(gòu)模塊。可以看出，對(duì)非司機(jī)側(cè)車(chē)窗的電子控制，TLE7810不僅能夠滿足各項(xiàng)指標(biāo)和要求。而且，“一芯兩核”的特點(diǎn)簡(jiǎn)化了原理圖設(shè)計(jì)和PCB的走線，同時(shí)還可降低成本。

2 車(chē)窗電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)
基于TLE7810自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

12V的VBAT電壓同時(shí)接TLE7810和執(zhí)行電機(jī)以供電，TLE7810中的8位單片機(jī)通過(guò)LIN總線與主控制器（司機(jī)側(cè)）通信，它的兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)與Relay連接以控制開(kāi)關(guān)的接通與關(guān)斷，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)H橋控制電機(jī)?；魻杺鞲衅鱐LE4966采集電機(jī)工作信息作為反饋送回MCU。反饋的內(nèi)容包括電機(jī)位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向兩個(gè)信息，以便更加精準(zhǔn)地記錄的電機(jī)工作情況，進(jìn)而對(duì)車(chē)窗升降和電機(jī)的堵轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和識(shí)別，提高工作性能。此外，PWM調(diào)壓方式作為可選配置也列入設(shè)計(jì)范圍。

圖3 TLE7810引腳連接方式

圖4 TLE4966霍爾傳感器外圍電路與接法

圖5 ULINK關(guān)引腳輸入

圖6 Relay控制

圖3所示為T(mén)LE7810的引腳連接方式。
TLE7810的輸入大體可分為三部分。第一部分為MON1-MON4的按鈕采樣輸入，按鈕安裝在車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)，當(dāng)乘客對(duì)其進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)這四個(gè)口送至MCU從而喚醒單片機(jī)。第二部分為P2.0、P0.3和SUPPLY對(duì)應(yīng)的SPEED、DIR和SUPPLY霍爾信號(hào)輸入，這部分功能是接受霍爾傳感器TLE4966（見(jiàn)圖4）實(shí)時(shí)反饋回來(lái)的電機(jī)工作狀態(tài)信息。通過(guò)這幾個(gè)引腳，MCU能夠及時(shí)識(shí)別電機(jī)工作情況，并據(jù)此發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)或停止電機(jī)運(yùn)行，從而應(yīng)對(duì)電機(jī)工作的各種突發(fā)狀況，因此這部分輸入非常重要。第三部分是ULINK相關(guān)引腳輸入，這部分與JTAG連接（見(jiàn)圖5），用于程序下載。

TLE7810的輸出引腳主要輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制Relay（見(jiàn)圖6）進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這部分引腳主要是用以驅(qū)動(dòng)高邊LED的MON5高邊開(kāi)關(guān)，兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)LS1和LS2連接Relay，用以驅(qū)動(dòng)H橋控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。
還有一些引腳，如LIN用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信，PWM用來(lái)起動(dòng)電機(jī)，RESET、VBAT、VS等構(gòu)成TLE7810的最小系統(tǒng)。

圖7 防夾程序流圖

電機(jī)控制程序流程如圖7所示，當(dāng)采樣到按鈕信號(hào)或由上位機(jī)通過(guò)LIN發(fā)過(guò)來(lái)的控制指令時(shí)，MCU被喚醒，調(diào)入電機(jī)控制程序。電機(jī)控制車(chē)窗運(yùn)行有兩種模式——上升或下降。在每一種模式執(zhí)行過(guò)程中，如果采集到由按鈕發(fā)出的執(zhí)行反方向運(yùn)行信號(hào)時(shí)，程序控制電機(jī)立即切換到另一種運(yùn)行模式。在上升模式中，有兩種情況使得電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，即玻璃上升置頂和上升過(guò)程中遭遇防夾力，這兩種情況的區(qū)別判斷主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)窗上邊緣至窗頂距離d是否位于4mm處。當(dāng)d≥4mm時(shí)，程序調(diào)用防夾函數(shù)，否則停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在下降模式中，阻力主要來(lái)自車(chē)窗運(yùn)行至底部的阻擋力，所以直接停止電機(jī)即可。

車(chē)窗防夾驗(yàn)證與結(jié)果
按照現(xiàn)行慣例，本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)為電機(jī)配備了雙霍爾傳感器來(lái)感應(yīng)電機(jī)是否受到了阻力。并且為了完善實(shí)驗(yàn)條件提高實(shí)驗(yàn)精度，實(shí)驗(yàn)中使用了力傳感器來(lái)設(shè)置和測(cè)定防夾力的大小。它的好處是通過(guò)與防夾力標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，確保每個(gè)位置的防夾力在不同電壓下都小于100N（汽車(chē)廠的標(biāo)準(zhǔn)）。

圖8 車(chē)窗防夾實(shí)驗(yàn)測(cè)得的力和電流曲線

實(shí)驗(yàn)步驟總體上可分為三步：一、按動(dòng)按鈕使電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)窗玻璃舉升；二、在車(chē)窗玻璃上升過(guò)程中為其施加一個(gè)反方向力模擬防夾力；三、觀察玻璃運(yùn)動(dòng)情況，即電機(jī)工作情況，記錄相關(guān)波形。

圖9 電流與霍爾關(guān)系波形

整個(gè)過(guò)程中所記錄的防夾力與電機(jī)電流波形如圖8所示。黃線是車(chē)窗玻璃的受力情況，紅線為電機(jī)電流變化曲線。車(chē)窗玻璃在上升過(guò)程中，電機(jī)電流為正，定義為正轉(zhuǎn)（圖中所示電流零點(diǎn)偏置9.9A），即車(chē)窗玻璃上升方向。在電機(jī)舉升車(chē)窗過(guò)程中施加防夾力，黃線迅速向上爬升100mV。這里需要說(shuō)明的是，按照傳感器給出的比例關(guān)系：
防夾力(N):電壓(mV)=0.3
本實(shí)驗(yàn)中黃線的100mV應(yīng)對(duì)應(yīng)30N的防夾力，ECU成功地識(shí)別出這個(gè)障礙并做出反應(yīng)，由程序控制電機(jī)停轉(zhuǎn)200ms，在此期間電流為零，防夾力依然作用于車(chē)窗玻璃。200ms后，程序控制電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)車(chē)窗玻璃向下運(yùn)動(dòng)，電流為負(fù)，待下降200mm后電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，電流為零，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。圖9是突然對(duì)車(chē)窗玻璃施加防夾力這一瞬間電流和霍爾傳感器信號(hào)之間的變化關(guān)系。從圖中波形可以清楚的看出，在電流爬升過(guò)程中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，霍爾采集的信號(hào)周期增加，電機(jī)停轉(zhuǎn)后，電流陡降，霍爾周期隨之變?yōu)闊o(wú)窮大。
　　
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)一系列試驗(yàn)可以得出，在正常情況下，TLE7810的防夾力基本可以做到20N，這樣就可以有80N富裕（100～20N）來(lái)應(yīng)對(duì)車(chē)窗變形、或者其他不可預(yù)測(cè)障礙造成的力。防夾力度可預(yù)先設(shè)定及調(diào)整，可適應(yīng)隨環(huán)境因素而改變的車(chē)窗阻力以穩(wěn)定防夾功能，自動(dòng)校正車(chē)窗末端以確保車(chē)窗準(zhǔn)確地開(kāi)關(guān)，電機(jī)超載電流保護(hù)，漸進(jìn)式電機(jī)啟動(dòng)及停止操控，低耗電模式、兼?zhèn)涫謩?dòng)及自動(dòng)車(chē)窗控制模式，整合式設(shè)計(jì)便于安裝及降低成本，備有完善斷電及故障保護(hù)。