基于TLE7810的車門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車技術(shù)發(fā)展至今，電子控制單元（ECU）已經(jīng)應(yīng)用到在汽車內(nèi)部的各個(gè)環(huán)節(jié)，技術(shù)也日趨成熟。作為車身電子的重要組成部分，車門電子自動(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)車窗或車門設(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，在門控系統(tǒng)中，車窗防夾設(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)車門控制產(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)、升降車窗、故障識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形中增加了產(chǎn)品的重量和成本。

針對這方面問題，我們提出了電動(dòng)車窗設(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)
由于此車門控制系統(tǒng)針對非司機(jī)側(cè)電動(dòng)車窗設(shè)計(jì)，因此與司機(jī)側(cè)電動(dòng)車窗相比，生產(chǎn)成本盡可能低；而且，非司機(jī)側(cè)門控系統(tǒng)不要求對后視鏡方向調(diào)節(jié)、刮雨器、外部車燈進(jìn)行控制，功能大大簡化。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)低邊開關(guān)（Relay驅(qū)動(dòng)），可以進(jìn)行片上調(diào)試，具備過流保護(hù)、看門狗、電壓監(jiān)視、溫度監(jiān)視和對MCU的監(jiān)視和保護(hù)功能。TLE7810有兩種低壓喚醒模式：LIN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?？梢钥闯?，對非司機(jī)側(cè)車窗的電子控制，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

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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LIN總線與主控制器（司機(jī)側(cè)）通信，它的兩個(gè)低邊開關(guān)與Relay連接以控制開關(guān)的接通與關(guān)斷，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)H橋控制電機(jī)。霍爾傳感器TLE4966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)而對車窗升降和電機(jī)的堵轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和識別，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TLE7810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，按鈕安裝在車門內(nèi)側(cè)，當(dāng)乘客對其進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)出的控制信號通過這四個(gè)口送至MCU從而喚醒單片機(jī)。第二部分為P2.0、P0.3和SUPPLY對應(yīng)的SPEED、DIR和SUPPLY霍爾信號輸入，這部分功能是接受霍爾傳感器TLE4966（見圖4）實(shí)時(shí)反饋回來的電機(jī)工作狀態(tài)信息。通過這幾個(gè)引腳，MCU能夠及時(shí)識別電機(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（見圖5），用于程序下載。

TLE7810的輸出引腳主要輸出開關(guān)信號，控制Relay（見圖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高邊開關(guān)，兩個(gè)低邊開關(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用來與上位機(jī)進(jìn)行通信，PWM用來起動(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

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電機(jī)控制程序流程如圖7所示，當(dāng)采樣到按鈕信號或由上位機(jī)通過LIN發(fā)過來的控制指令時(shí)，MCU被喚醒，調(diào)入電機(jī)控制程序。電機(jī)控制車窗運(yùn)行有兩種模式——上升或下降。在每一種模式執(zhí)行過程中，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，阻力主要來自車窗運(yùn)行至底部的阻擋力，所以直接停止電機(jī)即可。

車窗防夾驗(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設(shè)置和測定防夾力的大小。它的好處是通過與防夾力標(biāo)準(zhǔn)的對比，確保每個(gè)位置的防夾力在不同電壓下都小于100N（汽車廠的標(biāo)準(zhǔn)）。

圖8 車窗防夾實(shí)驗(yàn)測得的力和電流曲線

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)車窗玻璃舉升；二、在車窗玻璃上升過程中為其施加一個(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。黃線是車窗玻璃的受力情況，紅線為電機(jī)電流變化曲線。車窗玻璃在上升過程中，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），即車窗玻璃上升方向。在電機(jī)舉升車窗過程中施加防夾力，黃線迅速向上爬升100mV。這里需要說明的是，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)對應(yīng)30N的防夾力，ECU成功地識別出這個(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窗玻璃。200ms后，程序控制電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)車窗玻璃向下運(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)過程結(jié)束。圖9是突然對車窗玻璃施加防夾力這一瞬間電流和霍爾傳感器信號之間的變化關(guān)系。從圖中波形可以清楚的看出，在電流爬升過程中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，霍爾采集的信號周期增加，電機(jī)停轉(zhuǎn)后，電流陡降，霍爾周期隨之變?yōu)闊o窮大。
　　
結(jié)語
通過一系列試驗(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）來應(yīng)對車窗變形、或者其他不可預(yù)測障礙造成的力。防夾力度可預(yù)先設(shè)定及調(diào)整，可適應(yīng)隨環(huán)境因素而改變的車窗阻力以穩(wěn)定防夾功能，自動(dòng)校正車窗末端以確保車窗準(zhǔn)確地開關(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)。