電動(dòng)防夾車窗的軟硬件設(shè)計(jì)

以前曾用機(jī)械方法控制的車門系統(tǒng)現(xiàn)在逐漸改成電子控制，越來(lái)越多的低端汽車也開(kāi)始采用電子控制的車門控制系統(tǒng)，利用CAN或者LIN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)四個(gè)車門之間的通信。車窗防夾功能是車門控制系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。門控系統(tǒng)具有多種故障診斷能力，能夠及時(shí)識(shí)別出短路、斷路、過(guò)熱、過(guò)載等故障。

本文結(jié)合汽車車門控制模塊設(shè)計(jì)的項(xiàng)目實(shí)踐，重點(diǎn)介紹了電動(dòng)車窗部分的硬件和軟件設(shè)計(jì)。對(duì)智能功率芯片BTS7960在正常運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)特性及故障檢測(cè)特性進(jìn)行了研究與分析，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

車門控制模塊的整體設(shè)計(jì)

圖1是門控模塊的原理框圖，其中微控制器XC164CS用于控制所有功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)控，接收合適的故障反饋信號(hào)，并通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)（如CAN總線）實(shí)現(xiàn)與中央車身控制器及其他車門控制器的故障信息和按鍵控制信息的交換，從而及時(shí)在用戶界面上顯示故障內(nèi)容并對(duì)車門進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保了行車安全。

圖1 門控模塊整體原理框圖

16位微控制器XC164CS基于增強(qiáng) C166S V2結(jié)構(gòu)，結(jié)合了RISC和CISC處理器的優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)MAC單元的DSP功能實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的計(jì)算和控制能力。XC164CS把功能強(qiáng)勁的CPU內(nèi)核和一整套強(qiáng)大的外設(shè)單元集成于一塊芯片上，使得連接變得非常有效和方便。

電動(dòng)車窗采用兩個(gè)半橋智能功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B組合成一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)，中央門鎖、后視鏡和加熱器的驅(qū)動(dòng)芯片分別采用TLE6208-3G、 BTS7741G和BSP752R，車燈的驅(qū)動(dòng)芯片采用BTS724。這些器件已提供了完善的故障檢測(cè)及保護(hù)功能，因而避免了采用過(guò)多的分立元件，大大減小了模塊體積，并提高了模塊的EMC（電磁兼容）特性。

車門控制模塊的電路主要由以下幾部分組成：電源電路、電動(dòng)車窗驅(qū)動(dòng)電路、后視鏡驅(qū)動(dòng)電路、加熱器驅(qū)動(dòng)電路、中央門鎖驅(qū)動(dòng)電路、車燈驅(qū)動(dòng)電路、CAN總線接口電路及按鍵接口電路等。

電動(dòng)車窗的硬件設(shè)計(jì)

1 電動(dòng)車窗驅(qū)動(dòng)電路及啟動(dòng)特性

本車窗控制系統(tǒng)通過(guò)智能功率芯片BTS7960驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，BTS7960的接口電路如圖2所示。圖中的引腳7960INH1、 7960IN1、7960IS1、7960INH2、7960IN2和7960IS2分別連接到XC164CS的I/0口P9.4、P1L.4、 P5.6、P9.5、P1L.5和P5.7。

圖2 BTS7960接口連線圖

BTS7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。P溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了EMI。集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43A。因此即使在北方寒冷的冬天，仍能保證車窗的安全啟動(dòng)。

如圖3所示，兩片BTS7960構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)車窗上升或下降。T1和T4導(dǎo)通時(shí)，車窗上升；T2和T3導(dǎo)通時(shí)，車窗下降。系統(tǒng)沒(méi)有主動(dòng)制動(dòng)過(guò)程，車窗移好之后，上管觸發(fā)信號(hào)停，通過(guò)該橋臂下管反并聯(lián)二極管續(xù)流，直到電流為0A。續(xù)流過(guò)程持續(xù)250ms，足以滿足車窗電機(jī)大功率的需求。為了避免車窗電機(jī)啟動(dòng)瞬間出現(xiàn)電流尖峰，通過(guò)對(duì)下橋臂開(kāi)關(guān)管進(jìn)行頻率為20kHz的PWM信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

2 BTS7960故障檢測(cè)特性

如圖3所示，BTS7960的芯片內(nèi)部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。IN=1且 INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。

圖3 全橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖

BTS7960的引腳IS具有電流檢測(cè)功能。正常模式下，從IS引腳流出的電流與流經(jīng)高邊MOS管的電流成正比，若RIS=1kΩ,則V IS=I load/8.5；在故障條件下，從IS引腳流出的電流等于I IS(lim) (約4.5mA),最后的效果是IS為高電平。如圖4所示，圖（a）為正常模式下IS引腳電流輸出，圖（b）為故障條件下IS引腳上的電流輸出。

BTS7960短路故障實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件如下：+12.45V電池電壓，+5V電源供電，2.0m短路導(dǎo)線（R=0.2Ω），橫截面積為0.75 mm，連接1kΩ電阻和一個(gè)發(fā)光二極管。V S與電池正極間導(dǎo)線長(zhǎng)1.5m（R=0.15Ω）。如圖5所示，其中V IS是IS引腳對(duì)地的電壓、V L是OUT引腳對(duì)地電壓，I L為發(fā)生對(duì)地短路故障時(shí)，流過(guò)BTS7960的短路電流。

                                                                                                                                                                                                                 （a）                                                                          （b）

圖4 BTS7960電流檢測(cè)引腳IS的工作原理圖

無(wú)論是先上電后短路還是先短路后上電，BTS7960都呈現(xiàn)出相同的保護(hù)特性，所以下文將只就其一進(jìn)行講述。

圖5 BTS7960的對(duì)地短路實(shí)驗(yàn)電路圖

圖6和圖7分別為BTS7960先短路后上電短路實(shí)驗(yàn)波形圖的前半部分和后半部分。短路瞬間輸出端電流迅速上升，在80μs的時(shí)間內(nèi)，電流上升到峰值，可達(dá)62A左右。此時(shí)，BTS7960檢測(cè)出短路故障，關(guān)斷MOS管，輸出電流下降直至0A, 紫色箭頭所指部分有明顯的關(guān)斷，圖中虛線所夾部分為MOS管的關(guān)斷及維持關(guān)斷的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為80μs。短路導(dǎo)通瞬間，OUT引腳輸出電壓為 5V左右，這是短路導(dǎo)線與電池和地之間的總電阻的分壓值；MOS管關(guān)斷期間，OUT引腳輸出電壓為0V。在電流急劇下降的瞬間，短路導(dǎo)線上感應(yīng)出微弱的反向電動(dòng)勢(shì)，所以O(shè)UT引腳輸出電壓會(huì)呈現(xiàn)出短時(shí)間負(fù)電壓。狀態(tài)檢測(cè)引腳IS在5V左右上下波動(dòng)，其具有隨短路電流上下波動(dòng)的特點(diǎn)。整個(gè)短路過(guò)程中， BTS7960周期性的關(guān)斷MOS管，防止短路電流使芯片持續(xù)升溫，導(dǎo)致芯片過(guò)熱燒毀，從而有效地保護(hù)了芯片。最后，BTS7960完全關(guān)斷MOS管，短路電流緩降為0A，IS管腳在MOS管完全關(guān)斷后約500μs由自身的冷卻恢復(fù)至正常電平。

圖6 BTS7960短路實(shí)驗(yàn)波形圖前半部分

圖7 BTS7960短路實(shí)驗(yàn)波形后半部分

電動(dòng)車窗的軟件設(shè)計(jì)

1 驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960的軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)車窗部分，在硬件上通過(guò)BTS7960驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使窗上升或下降。采用兩片BTS7960B構(gòu)成全橋工作。

BTS7960與微控制器的接口信號(hào)包括IN1、IN2、INH1和INH2；IS1和IS2是電流檢測(cè)信號(hào)。

車窗上升：IN1=1，IN2=0，INH1/2=1；車窗下降：IN1=0，IN2=1，INH1/2=1。
整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程可分為軟啟動(dòng)、滿PWM輸出、續(xù)流和停止四個(gè)階段。車窗升降過(guò)程通過(guò)對(duì)下橋臂開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM控制實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，PWM頻率為20kHz，軟啟動(dòng)持續(xù)200ms，在這一過(guò)程中，占空比逐漸增大，從0%增加到100%，分成10段，每段持續(xù)時(shí)間為20ms。PWM信號(hào)是施加在下管所在橋臂的 INH引腳上，該橋臂關(guān)斷（INH=0）時(shí)電流通過(guò)上管的反并二極管續(xù)流。經(jīng)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)后，電動(dòng)車窗啟動(dòng)時(shí)的電流波形如圖8所示。從圖中可以看出，電流尖峰被有效抑制。

本系統(tǒng)沒(méi)有主動(dòng)制動(dòng)過(guò)程，車窗移好之后，開(kāi)關(guān)管還會(huì)工作大約250ms，這是續(xù)流過(guò)程，這期間，上管觸發(fā)信號(hào)停，通過(guò)該橋臂下管反并聯(lián)二極管續(xù)流（這時(shí)需繼續(xù)給原來(lái)另一橋臂的下管觸發(fā)信號(hào)，如正續(xù)流時(shí)：IN1=1，INH1=0，IN2=0，INH2=1），直到電流為0。但是如果出現(xiàn)過(guò)熱，這種續(xù)流過(guò)程就不需要了。

電機(jī)堵轉(zhuǎn)是不允許的，因?yàn)檫@樣會(huì)出現(xiàn)過(guò)流。BTS7960自身可以檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的電流，通過(guò)2.2kΩ的采樣電阻電流進(jìn)行電流 /電壓轉(zhuǎn)換，采樣電壓經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的RC濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)一個(gè)保護(hù)電阻（未加入）送到AN0/AN1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)檢測(cè)到電流大于15A時(shí)，就可以判斷出電機(jī)正處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)微控制器停止觸發(fā)電機(jī)（仍需續(xù)流），用戶可以重新啟動(dòng)車窗。

車窗部分要檢測(cè)的故障有上橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管過(guò)熱和負(fù)載開(kāi)路。檢測(cè)方法一是通過(guò)BTS7960內(nèi)置的溫度檢測(cè)功能來(lái)檢測(cè)上管的過(guò)熱，發(fā)生過(guò)熱時(shí)器件自動(dòng)關(guān)斷所有輸出電路，且IS引腳輸出電平為高；二是需要輔助晶體管檢測(cè)開(kāi)路，通過(guò)檢測(cè)IS引腳電流值可以實(shí)現(xiàn)，需要微控制器提供CTRLWIN信號(hào)。

圖8 電動(dòng)車窗軟啟動(dòng)電流波形

2 電動(dòng)車窗主程序的軟件設(shè)計(jì)

本電動(dòng)車窗控制系統(tǒng)的軟件控制是基于狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)比較系統(tǒng)狀態(tài)與控制命令做出判斷，確定出目前系統(tǒng)應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作。程序中將電動(dòng)車窗的運(yùn)行狀態(tài)做了如下劃分：WINDOW_OFF、WINDOW_UP_PWM、WINDOW_UP、WINDOW_UP_FREE、WINDOW_UP_STOP、 WINDOW_DOWN_PWM、WINDOW_DOWN、WINDOW_DOWN_FREE和WINDOW_DOWN_STOP。當(dāng)電動(dòng)車窗處于OFF 狀態(tài)，接收到上升或下降的命令，程序會(huì)使車窗先進(jìn)入PWM漸增的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。當(dāng)達(dá)到PWM滿占空比時(shí)，車窗才轉(zhuǎn)入U(xiǎn)P或DOWN的狀態(tài)。若在PWM 漸增狀態(tài)或PWM滿占空比運(yùn)行時(shí)接收到要讓電動(dòng)車窗停下或要反方向轉(zhuǎn)的命令，程序會(huì)讓車窗進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)。續(xù)流完成，車窗進(jìn)入STOP狀態(tài)。在任何狀態(tài)下如果檢測(cè)到開(kāi)路或過(guò)壓等故障，車窗會(huì)進(jìn)入OFF狀態(tài)。