一種高性價(jià)比的電動(dòng)車窗控制器設(shè)計(jì)

摘 要 結(jié)合汽車車門控制模塊設(shè)計(jì)的項(xiàng)目實(shí)踐，介紹了一種高性能的智能功率芯片TLE7810，并從軟件和硬件方面詳細(xì)闡述了它在低成本電動(dòng)車控制器中的應(yīng)用。最后，對(duì)電動(dòng)車窗的防夾功能及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。
關(guān)鍵詞 智能功率芯片 TLE7810 防夾

    隨著汽車的日益普及，消費(fèi)者對(duì)汽車舒適性的要求也在不斷提高。越來(lái)越多的汽車開始選擇使用單片機(jī)為核心的電動(dòng)車窗控制系統(tǒng)。近十年半導(dǎo)體技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使生產(chǎn)商在花費(fèi)較低成本的同時(shí)充分滿足消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)搖窗機(jī)安全性和舒適性提出的要求。運(yùn)用單片機(jī)控制的電動(dòng)車窗可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車門各種狀態(tài)的識(shí)別和保護(hù)。此外，運(yùn)用單片機(jī)能夠進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)，使用PWM的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可以延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，并提高車窗升降的性能，降低運(yùn)行噪聲。CAN、LIN等網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)使汽車的模塊化設(shè)計(jì)和模塊之間的交互通信得以實(shí)現(xiàn)。
    如今，新一代的智能功率器件正在悄然興起。這類功率器件融合了單片機(jī)的控制功能和功率器件的驅(qū)動(dòng)能力，一方面降低了控制器的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)成本，另一方面使電路更為緊湊，提高了控制器的電磁兼容性能。本文結(jié)合汽車車門控制模塊設(shè)計(jì)的項(xiàng)目實(shí)踐，介紹了一種基于智能功率芯片TLE7810的低成本電動(dòng)車窗硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)電動(dòng)車窗的防夾功能進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

1 車門控制模塊的整體設(shè)計(jì)
    圖1是汽車門控模塊的原理框圖。智能功率器件TLE7810整合了1個(gè)8位單片機(jī)、1個(gè)功率器件以及1個(gè)LIN總線驅(qū)動(dòng)器。TLE7810的兩個(gè)低邊開關(guān)可以用來(lái)控制繼電器的初級(jí)線圈，進(jìn)而控制繼電器組成的H橋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，即控制了車窗的上升和下降。另一方面單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)可以控制連接在車窗電機(jī)回路接地端的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的快速通斷，從而控制電機(jī)回路的通斷，避免了電機(jī)在剛啟動(dòng)的那段時(shí)間里滿載運(yùn)行，也就是所謂的電機(jī)軟啟動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電壓PwM控制。除此之外，電流傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器還能將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行位置及時(shí)反饋給單片機(jī)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的魯棒性(參見圖3)。

2 電動(dòng)車窗的硬件設(shè)計(jì)
2．1 邏輯控制和外部通信
    功率器件TLE7810內(nèi)部集成了1塊8位單片機(jī)芯片、1塊功率器件芯片以及1塊LIN總線驅(qū)動(dòng)芯片。正是由于TLE7810有著如此高度集成的結(jié)構(gòu)，因此幾乎承擔(dān)了整個(gè)控制器全部的邏輯控制和電路驅(qū)動(dòng)任務(wù)。TLE7810共有28條引腳，內(nèi)部通過同步串行端口(SPI)連接。
    TLE7810內(nèi)嵌入的8位單片機(jī)基于標(biāo)準(zhǔn)的8051架構(gòu)開發(fā)，增加了系統(tǒng)外設(shè)并提高了處理器的運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)電機(jī)電流、電池電壓等信號(hào)進(jìn)行采樣，接收故障信號(hào)和判斷車窗運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)通過高速SPI發(fā)送命令給功率器件，接收來(lái)自功率器件的診斷信息。同時(shí)，單片機(jī)的異步串行通信接口連接到功率器件的LIN驅(qū)動(dòng)芯片，進(jìn)而與外部LIN總線相連，與其他模塊進(jìn)行通信，以保障行車安全。
    TLE7810內(nèi)部的功率器件功能十分強(qiáng)大，它包括：
    ◆單片機(jī)和霍爾傳感器的驅(qū)動(dòng)電源；
    ◆接收來(lái)自單片機(jī)的SPI指令，控制兩路低邊開關(guān)和一路高邊開關(guān)的動(dòng)作，通過SPI返回診斷信息；
    ◆五路喚醒輸入；
    ◆控制單片機(jī)復(fù)位的看門狗定時(shí)器；
    ◆溫度／電源電壓傳感器；
    ◆LIN驅(qū)動(dòng)芯片。
2．2 功率芯片的驅(qū)動(dòng)電路
    圖2所示的是TLE7810的外部電路。VS是電源電壓采樣輸入端口。TLE7810芯片內(nèi)部集成了一個(gè)1：8的運(yùn)算放大電路，可以對(duì)O～40 V之間的電壓進(jìn)行A／D采樣。端口MON5是一個(gè)高邊開關(guān)，可以作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)電源以指示控制器工作狀態(tài)。端口MONl、MON2、MON3、MON4連接控制車窗運(yùn)行的按鈕。在某些狀態(tài)下，TLE7810將進(jìn)入低功耗的睡眠模式，而這些按鈕則可以將系統(tǒng)喚醒。

2．3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    圖3是車窗控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。由于TLE7810輸出的電流不足以直接驅(qū)動(dòng)車窗電機(jī)，故由TLE7810的低邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)繼電器，再由繼電器組成的H橋來(lái)操縱車窗上升或下降。而在繼電器的接地端串接了一個(gè)MOS—FET，由8位單片機(jī)捕獲比較模塊產(chǎn)生的PWM波形控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，提高電機(jī)運(yùn)行性能和延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

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2．4 電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流采樣
    在控制電機(jī)的H橋的低邊串聯(lián)了一個(gè)O．01Ω的采樣電阻，采樣電阻的電壓通過一個(gè)放大比例為21倍的運(yùn)算放大電路連接到單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換輸入口，以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流，識(shí)別電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、開路和短路等狀態(tài)。由于TLE8710內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器精度為lO位，所以對(duì)應(yīng)電流的計(jì)算公式如下：

   
    因此，假設(shè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流為10 A，參考電壓5 V，當(dāng)采樣結(jié)果大于430時(shí)，則可以認(rèn)為電機(jī)發(fā)生了堵轉(zhuǎn)。出于保護(hù)電機(jī)的目的，程序?qū)⒆詣?dòng)關(guān)斷電源，電機(jī)進(jìn)入慣性制動(dòng)狀態(tài)。
    此外，為了實(shí)現(xiàn)車窗的防夾功能，控制器采用了一個(gè)雙霍爾式傳感器TLE4966判斷車窗的位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上端安裝了一個(gè)直徑約2 cm的磁環(huán)。而車窗控制器的PCB板被設(shè)計(jì)成如同手槍的形狀，在PCB板下側(cè)有一個(gè)長(zhǎng)約3 cm的突出部分，其頂端放置有霍爾傳感器，以便插入電機(jī)中，這樣便可以靠近磁環(huán)，利用霍爾效應(yīng)測(cè)得電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速大小。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁環(huán)也隨之產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)周期性的方波信號(hào)。單片機(jī)的比較捕獲模塊在霍爾信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)產(chǎn)生中斷，記錄下此時(shí)時(shí)間寄存器的值，利用前后相臨兩次值的差，便可以計(jì)算出方波信號(hào)的周期，從而獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。
    由于TLE7810的高集成度和專用性，整個(gè)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單可靠。這里采用的芯片數(shù)量極少，控制器的EMC性能也得到了極大的提高。

3 電動(dòng)車窗的軟件設(shè)計(jì)
    程序使用一個(gè)具有自動(dòng)重載功能的16位定時(shí)器作為主定時(shí)器，每20 ms定時(shí)器溢出，中斷服務(wù)程序置20 ms標(biāo)志位。在主程序中，單片機(jī)不斷查詢定時(shí)器的標(biāo)志位，周期性執(zhí)行A／D采樣、掃描命令端口、調(diào)用電機(jī)控制函數(shù)以及LIN通信等任務(wù)。
3．1 車窗電機(jī)的控制
    如圖4所示，程序初始化完成后，電機(jī)進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。在按鍵端口掃描到上升(或下降)按鍵輸入的控制命令后，主程序調(diào)用電機(jī)控制函數(shù)，電機(jī)進(jìn)入PWM軟啟動(dòng)。PWM啟動(dòng)分為10步，每步時(shí)間為20 ms，占空比從10％逐漸遞增到100％。隨后電機(jī)進(jìn)入上升(或下降)狀態(tài)。若此時(shí)控制器接收到停止、下降(或上升)命令，或是發(fā)生堵轉(zhuǎn)，則電機(jī)進(jìn)入200 ms的慣性制動(dòng)階段，此時(shí)PWM占空比為0，MOSFET關(guān)斷。這個(gè)階段結(jié)束之后，電機(jī)進(jìn)入上升(或下降)停止?fàn)顟B(tài)，如果此時(shí)按鍵停止、下降(或上升)命令，電機(jī)進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。

    如果電機(jī)在上升(或下降)過程中，采樣電流超過了短路保護(hù)的限定值，則認(rèn)為此時(shí)發(fā)生了短路故障，電機(jī)將直接進(jìn)入上升(或下降)停止?fàn)顟B(tài)，防止由于電流過大而燒毀電機(jī)。
    如果電機(jī)運(yùn)行過程中，電流遠(yuǎn)小于正常運(yùn)行的電流，則可以判斷發(fā)生了開路故障，此信息將通過LIN總線反饋給上位機(jī)，從而方便地進(jìn)行故障的診斷和排除。
3．2 車窗防夾功能
    為了防止車窗在自動(dòng)上升時(shí)發(fā)生夾傷乘客的事故．在控制器中設(shè)計(jì)了防夾功能。當(dāng)車窗玻璃運(yùn)行在防夾區(qū)域內(nèi)(距離頂部200～4 mm)，程序根據(jù)霍爾傳感器的信號(hào)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，判斷車窗是否遇到障礙物。如果遇到障礙物則發(fā)出下降指令，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。防夾實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

結(jié) 語(yǔ)
    該電動(dòng)車窗控制器采用了英飛凌新一代智能功率器件，充分利用了片上資源，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。而控制器的短路、開路檢測(cè)功能和防夾功能，也在提高駕駛舒適性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了行車安全。