車門控制模塊的電動車窗的設(shè)計

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，越來越多的低端汽車也開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)實現(xiàn)四個車門之間的通信。車窗防夾功能是車門控制系統(tǒng)的難點之一。門控系統(tǒng)具有多種故障診斷能力，能夠及時識別出短路、斷路、過熱、過載等故障。

本文結(jié)合汽車車門控制模塊設(shè)計的項目實踐，重點介紹了電動車窗部分的硬件和軟件設(shè)計。對智能功率芯片BTS7960在正常運行時的啟動特性及故障檢測特性進(jìn)行了研究與分析，并給出了試驗結(jié)果。

車門控制模塊的整體設(shè)計

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關(guān)動作，同時對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行定時監(jiān)控，接收合適的故障反饋信號，并通過車載網(wǎng)絡(luò)（如CAN總線）實現(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，從而及時在用戶界面上顯示故障內(nèi)容并對車門進(jìn)行實時控制，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，并且通過MAC單元的DSP功能實現(xiàn)了強(qiáng)大的計算和控制能力。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。

電動車窗采用兩個半橋智能功率驅(qū)動芯片BTS7960B組合成一個H橋驅(qū)動，中央門鎖、后視鏡和加熱器的驅(qū)動芯片分別采用TLE6208-3G、BTS7741G和BSP752R，車燈的驅(qū)動芯片采用BTS724。這些器件已提供了完善的故障檢測及保護(hù)功能，因而避免了采用過多的分立元件，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、電動車窗驅(qū)動電路、后視鏡驅(qū)動電路、加熱器驅(qū)動電路、中央門鎖驅(qū)動電路、車燈驅(qū)動電路、CAN總線接口電路及按鍵接口電路等。

電動車窗的硬件設(shè)計

1 電動車窗驅(qū)動電路及啟動特性

本車窗控制系統(tǒng)通過智能功率芯片BTS7960驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，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)動的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了EMI。集成的驅(qū)動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動電流可達(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。

如圖3所示，兩片BTS7960構(gòu)成全橋驅(qū)動車窗上升或下降。T1和T4導(dǎo)通時，車窗上升；T2和T3導(dǎo)通時，車窗下降。系統(tǒng)沒有主動制動過程，車窗移好之后，上管觸發(fā)信號停，通過該橋臂下管反并聯(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)啟動瞬間出現(xiàn)電流尖峰，通過對下橋臂開關(guān)管進(jìn)行頻率為20kHz的PWM信號控制，實現(xiàn)軟啟動功能。

2 BTS7960故障檢測特性

如圖3所示，BTS7960的芯片內(nèi)部為一個半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個MOSFET導(dǎo)通。IN=1且INH=1時，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時，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)斷的時間，具有防電磁干擾的功能。IS引腳是電流檢測輸出引腳。

圖3 全橋驅(qū)動電路示意圖

BTS7960的引腳IS具有電流檢測功能。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短路故障實驗的實驗條件如下：+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電阻和一個發(fā)光二極管。V S與電池正極間導(dǎo)線長1.5m（R=0.15Ω）。如圖5所示，其中V _IS是IS引腳對地的電壓、V _L是OUT引腳對地電壓，I _L為發(fā)生對地短路故障時，流過BTS7960的短路電流。

（a）                        （b）

圖4 BTS7960電流檢測引腳IS的工作原理圖

無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的對地短路實驗電路圖

圖6和圖7分別為BTS7960先短路后上電短路實驗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的時間內(nèi)，電流上升到峰值，可達(dá)62A左右。此時，BTS7960檢測出短路故障，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)斷的過程，整個過程持續(xù)時間約為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)出微弱的反向電動勢，所以O(shè)UT引腳輸出電壓會呈現(xiàn)出短時間負(fù)電壓。狀態(tài)檢測引腳IS在5V左右上下波動，其具有隨短路電流上下波動的特點。整個短路過程中，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短路實驗波形圖前半部分

圖7 BTS7960短路實驗波形后半部分

電動車窗的軟件設(shè)計

1 驅(qū)動芯片BTS7960的軟件設(shè)計

電動車窗部分，在硬件上通過BTS7960驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，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包括IN1、IN2、INH1和INH2；IS1和IS2是電流檢測信號。
車窗上升：IN1=1，IN2=0，INH1/2=1；車窗下降：IN1=0，IN2=1，INH1/2=1。整個驅(qū)動過程可分為軟啟動、滿PWM輸出、續(xù)流和停止四個階段。車窗升降過程通過對下橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM控制實現(xiàn)軟啟動功能，PWM頻率為20kHz，軟啟動持續(xù)200ms，在這一過程中，占空比逐漸增大，從0%增加到100%，分成10段，每段持續(xù)時間為20ms。PWM信號是施加在下管所在橋臂的INH引腳上，該橋臂關(guān)斷（INH=0）時電流通過上管的反并二極管續(xù)流。經(jīng)PWM信號實現(xiàn)軟啟動后，電動車窗啟動時的電流波形如圖8所示。從圖中可以看出，電流尖峰被有效抑制。

本系統(tǒng)沒有主動制動過程，車窗移好之后，開關(guān)管還會工作大約250ms，這是續(xù)流過程，這期間，上管觸發(fā)信號停，通過該橋臂下管反并聯(lián)二極管續(xù)流（這時需繼續(xù)給原來另一橋臂的下管觸發(fā)信號，如正續(xù)流時：IN1=1，INH1=0，IN2=0，INH2=1），直到電流為0。但是如果出現(xiàn)過熱，這種續(xù)流過程就不需要了。電機(jī)堵轉(zhuǎn)是不允許的，因為這樣會出現(xiàn)過流。BTS7960自身可以檢測開關(guān)管的電流，通過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)過簡單的RC濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過一個保護(hù)電阻（未加入）送到AN0/AN1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)檢測到電流大于15A時，就可以判斷出電機(jī)正處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時微控制器停止觸發(fā)電機(jī)（仍需續(xù)流），用戶可以重新啟動車窗。

車窗部分要檢測的故障有上橋臂的兩個開關(guān)管過熱和負(fù)載開路。檢測方法一是通過BTS7960內(nèi)置的溫度檢測功能來檢測上管的過熱，發(fā)生過熱時器件自動關(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開路，通過檢測IS引腳電流值可以實現(xiàn)，需要微控制器提供CTRLWIN信號。

圖8 電動車窗軟啟動電流波形

2 電動車窗主程序的軟件設(shè)計

本電動車窗控制系統(tǒng)的軟件控制是基于狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過比較系統(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)行的動作。程序中將電動車窗的運行狀態(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)電動車窗處于OFF狀態(tài)，接收到上升或下降的命令，程序會使車窗先進(jìn)入PWM漸增的狀態(tài)，實現(xiàn)軟啟動。當(dāng)達(dá)到PWM滿占空比時，車窗才轉(zhuǎn)入UP或DOWN的狀態(tài)。若在PWM漸增狀態(tài)或PWM滿占空比運行時接收到要讓電動車窗停下或要反方向轉(zhuǎn)的命令，程序會讓車窗進(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)下如果檢測到開路或過壓等故障，車窗會進(jìn)入OFF狀態(tài)。