車(chē)門(mén)控制模塊的電動(dòng)車(chē)窗的設(shè)計(jì)

     以前曾用機(jī)械方法控制的車(chē)門(mén)系統(tǒng)現(xiàn)在逐漸改成電子控制，越來(lái)越多的低端汽車(chē)也開(kāi)始采用電子控制的車(chē)門(mén)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(chē)門(mén)之間的通信。車(chē)窗防夾功能是車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。門(mén)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(chē)車(chē)門(mén)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(chē)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。無(wú)線SOC開(kāi)發(fā)平臺(tái)499元 S3C44B0 ARM7開(kāi)發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開(kāi)發(fā)板780元 AT91SAM
車(chē)門(mén)控制模塊的整體設(shè)計(jì)

    圖1是門(mén)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(chē)載網(wǎng)絡(luò)（如CAN總線）實(shí)現(xiàn)與中央車(chē)身控制器及其他車(chē)門(mén)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(chē)門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保了行車(chē)安全。

圖1 門(mén)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(chē)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(mén)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(chē)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(chē)門(mén)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(chē)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(mén)鎖驅(qū)動(dòng)電路、車(chē)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(chē)窗的硬件設(shè)計(jì)

1 電動(dòng)車(chē)窗驅(qū)動(dòng)電路及啟動(dòng)特性

    本車(chē)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(chē)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(chē)窗上升或下降。T1和T4導(dǎo)通時(shí)，車(chē)窗上升；T2和T3導(dǎo)通時(shí)，車(chē)窗下降。系統(tǒng)沒(méi)有主動(dòng)制動(dòng)過(guò)程，車(chē)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(chē)窗電機(jī)大功率的需求。為了避免車(chē)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2 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(chē)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(chē)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(chē)窗上升：IN1=1，IN2=0，INH1/2=1；車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)窗。

    車(chē)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(chē)窗軟啟動(dòng)電流波形

2 電動(dòng)車(chē)窗主程序的軟件設(shè)計(jì)

    本電動(dòng)車(chē)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(chē)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(chē)窗處于OFF 狀態(tài)，接收到上升或下降的命令，程序會(huì)使車(chē)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(chē)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(chē)窗停下或要反方向轉(zhuǎn)的命令，程序會(huì)讓車(chē)窗進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)。續(xù)流完成，車(chē)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(chē)窗會(huì)進(jìn)入OFF狀態(tài)。