一種高性價比的電動車窗控制器設計

摘 要 結合汽車車門控制模塊設計的項目實踐，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闡述了它在低成本電動車控制器中的應用。最后，對電動車窗的防夾功能及其實現方法進行了簡單介紹。
關鍵詞 智能功率芯片 TLE7810 防夾

??? 隨著汽車的日益普及，消費者對汽車舒適性的要求也在不斷提高。越來越多的汽車開始選擇使用單片機為核心的電動車窗控制系統。近十年半導體技術和嵌入式系統的不斷發展，使生產商在花費較低成本的同時充分滿足消費者對電動搖窗機安全性和舒適性提出的要求。運用單片機控制的電動車窗可以實現對車門各種狀態的識別和保護。此外，運用單片機能夠進行脈寬調制(PWM)，使用PWM的電機驅動方式可以延長電機使用壽命，并提高車窗升降的性能，降低運行噪聲。CAN、LIN等網絡總線系統使汽車的模塊化設計和模塊之間的交互通信得以實現。
??? 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的控制功能和功率器件的驅動能力，一方面降低了控制器的生產、設計成本，另一方面使電路更為緊湊，提高了控制器的電磁兼容性能。本文結合汽車車門控制模塊設計的項目實踐，介紹了一種基于智能功率芯片TLE7810的低成本電動車窗硬件和軟件設計，并對電動車窗的防夾功能進行了簡單介紹。

1 車門控制模塊的整體設計
??? 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8位單片機、1個功率器件以及1個LIN總線驅動器。TLE7810的兩個低邊開關可以用來控制繼電器的初級線圈，進而控制繼電器組成的H橋，實現電機正轉和反轉，即控制了車窗的上升和下降。另一方面單片機產生的PWM信號可以控制連接在車窗電機回路接地端的絕緣柵型場效應管(MOSFET)的快速通斷，從而控制電機回路的通斷，避免了電機在剛啟動的那段時間里滿載運行，也就是所謂的電機軟啟動，同時實現了電壓PwM控制。除此之外，電流傳感器和霍爾效應傳感器還能將電機的運行狀態和運行位置及時反饋給單片機，保證了系統運行的魯棒性(參見圖3)。

2 電動車窗的硬件設計
2．1 邏輯控制和外部通信
??? 功率器件TLE7810內部集成了1塊8位單片機芯片、1塊功率器件芯片以及1塊LIN總線驅動芯片。正是由于TLE7810有著如此高度集成的結構，因此幾乎承擔了整個控制器全部的邏輯控制和電路驅動任務。TLE7810共有28條引腳，內部通過同步串行端口(SPI)連接。
??? TLE7810內嵌入的8位單片機基于標準的8051架構開發，增加了系統外設并提高了處理器的運算能力，能夠實時地對電機電流、電池電壓等信號進行采樣，接收故障信號和判斷車窗運行狀態。單片機通過高速SPI發送命令給功率器件，接收來自功率器件的診斷信息。同時，單片機的異步串行通信接口連接到功率器件的LIN驅動芯片，進而與外部LIN總線相連，與其他模塊進行通信，以保障行車安全。
??? TLE7810內部的功率器件功能十分強大，它包括：
??? ◆單片機和霍爾傳感器的驅動電源；
??? ◆接收來自單片機的SPI指令，控制兩路低邊開關和一路高邊開關的動作，通過SPI返回診斷信息；
??? ◆五路喚醒輸入；
??? ◆控制單片機復位的看門狗定時器；
??? ◆溫度／電源電壓傳感器；
??? ◆LIN驅動芯片。
2．2 功率芯片的驅動電路
??? 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芯片內部集成了一個1：8的運算放大電路，可以對O～40 V之間的電壓進行A／D采樣。端口MON5是一個高邊開關，可以作為LED的驅動電源以指示控制器工作狀態。端口MONl、MON2、MON3、MON4連接控制車窗運行的按鈕。在某些狀態下，TLE7810將進入低功耗的睡眠模式，而這些按鈕則可以將系統喚醒。

2．3 電機驅動電路
??? 圖3是車窗控制器的電機驅動電路。由于TLE7810輸出的電流不足以直接驅動車窗電機，故由TLE7810的低邊開關驅動繼電器，再由繼電器組成的H橋來操縱車窗上升或下降。而在繼電器的接地端串接了一個MOS—FET，由8位單片機捕獲比較模塊產生的PWM波形控制，可以實現電機的軟啟動，提高電機運行性能和延長電機使用壽命。

2．4 電機轉速和電流采樣
??? 在控制電機的H橋的低邊串聯了一個O．01Ω的采樣電阻，采樣電阻的電壓通過一個放大比例為21倍的運算放大電路連接到單片機的A／D轉換輸入口，以檢測電機運行時的電流，識別電機的堵轉、開路和短路等狀態。由于TLE8710內部的A／D轉換器精度為lO位，所以對應電流的計算公式如下：

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??? 因此，假設電機堵轉電流為10 A，參考電壓5 V，當采樣結果大于430時，則可以認為電機發生了堵轉。出于保護電機的目的，程序將自動關斷電源，電機進入慣性制動狀態。
??? 此外，為了實現車窗的防夾功能，控制器采用了一個雙霍爾式傳感器TLE4966判斷車窗的位置和電機轉速。電機的轉子軸上端安裝了一個直徑約2 cm的磁環。而車窗控制器的PCB板被設計成如同手槍的形狀，在PCB板下側有一個長約3 cm的突出部分，其頂端放置有霍爾傳感器，以便插入電機中，這樣便可以靠近磁環，利用霍爾效應測得電機的位置和轉速大小。當電機轉動時，磁環也隨之產生交變的磁場。轉子每轉過一周，霍爾傳感器就輸出一個周期性的方波信號。單片機的比較捕獲模塊在霍爾信號的下降沿到來時產生中斷，記錄下此時時間寄存器的值，利用前后相臨兩次值的差，便可以計算出方波信號的周期，從而獲得電機轉速。
??? 由于TLE7810的高集成度和專用性，整個系統電路簡單可靠。這里采用的芯片數量極少，控制器的EMC性能也得到了極大的提高。

3 電動車窗的軟件設計
??? 程序使用一個具有自動重載功能的16位定時器作為主定時器，每20 ms定時器溢出，中斷服務程序置20 ms標志位。在主程序中，單片機不斷查詢定時器的標志位，周期性執行A／D采樣、掃描命令端口、調用電機控制函數以及LIN通信等任務。
3．1 車窗電機的控制
??? 如圖4所示，程序初始化完成后，電機進入關斷狀態。在按鍵端口掃描到上升(或下降)按鍵輸入的控制命令后，主程序調用電機控制函數，電機進入PWM軟啟動。PWM啟動分為10步，每步時間為20 ms，占空比從10％逐漸遞增到100％。隨后電機進入上升(或下降)狀態。若此時控制器接收到停止、下降(或上升)命令，或是發生堵轉，則電機進入200 ms的慣性制動階段，此時PWM占空比為0，MOSFET關斷。這個階段結束之后，電機進入上升(或下降)停止狀態，如果此時按鍵停止、下降(或上升)命令，電機進入關斷狀態。

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??? 如果電機在上升(或下降)過程中，采樣電流超過了短路保護的限定值，則認為此時發生了短路故障，電機將直接進入上升(或下降)停止狀態，防止由于電流過大而燒毀電機。
??? 如果電機運行過程中，電流遠小于正常運行的電流，則可以判斷發生了開路故障，此信息將通過LIN總線反饋給上位機，從而方便地進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上升時發生夾傷乘客的事故．在控制器中設計了防夾功能。當車窗玻璃運行在防夾區域內(距離頂部200～4 mm)，程序根據霍爾傳感器的信號計算電機轉速，判斷車窗是否遇到障礙物。如果遇到障礙物則發出下降指令，實現保護功能。防夾實驗結果如圖5所示。

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結 語
??? 該電動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，降低了系統的設計和生產成本。而控制器的短路、開路檢測功能和防夾功能，也在提高駕駛舒適性的同時，提高了系統的可靠性，保證了行車安全。