CAN總線電動車窗控制系統(tǒng)的可靠性研究

王菁，劉杰

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽550025）

CAN總線電動車窗控制系統(tǒng)的可靠性研究

王菁，劉杰

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽550025）

CAN總線電動車窗近些年被越來越多地采用，而國內(nèi)對該電動車窗系統(tǒng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)卻并不明確，其可靠性研究更是少之又少?；谔岣逤AN總線電動車窗控制系統(tǒng)的可靠性和安全性的目的，本文通過對該電動車窗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的可靠性進行定性分析，又對車窗節(jié)點的失效率進行了定量分析。同時介紹了基于3種防夾算法的混合控制算法。并給出了故障自診斷功能等電動車窗保護系統(tǒng)的設(shè)計，分析結(jié)果表明可靠性設(shè)計能明顯改進電動車窗的具體缺陷，較全面地提高CAN總線電動車窗控制系統(tǒng)的可靠性。

電動車窗；CAN總線；防夾算法；可靠性

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動了整個汽車電子行業(yè)的騰飛。汽車的高標(biāo)準(zhǔn)與使用的廣泛性，對汽車電子的可靠性提出了更高的要求，而我國針對汽車電子可靠性開展的工作還遠遠不夠?，F(xiàn)實中常有因為車窗故障引起的影響車輛正常行駛甚至是公共安全的事故發(fā)生。例如在高速公路收費站，司機無法準(zhǔn)確打開車窗造成交通擁堵。

汽車的大量使用，表明電動車窗運行的可靠性就顯得尤為關(guān)鍵。基于CAN總線的電動車窗因其簡單的結(jié)構(gòu)和較高的抗干擾性而被現(xiàn)代汽車廣泛使用。本文從整體系統(tǒng)設(shè)計到防夾控制算法再到子系統(tǒng)設(shè)計的角度，較完整地分析了該電動車窗控制系統(tǒng)的可靠性，給出了車窗電機保護系統(tǒng)、自診斷保護系統(tǒng)以及自適應(yīng)系統(tǒng)等可靠性改進方案，對電動車窗研究有較大的現(xiàn)實意義。

1 電子產(chǎn)品可靠性的概念

可靠性指的是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的任務(wù)的能力。對于不同的電子產(chǎn)品，由于其幾何形狀、強度等產(chǎn)品特征的不同，它們的可靠性也不同。產(chǎn)品失去規(guī)定的功能，無論是否可以修復(fù)，統(tǒng)稱為失效。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，大約65%的汽車維修是由于其電子器件失效引起的。提高產(chǎn)品的可靠性，不但可以降低產(chǎn)品整個壽命周期費用，提高產(chǎn)品的利用率，還可以防止事故的發(fā)生，保障使用者的安全。

2 電動車窗整體控制方案選擇

整個電動車窗的外圍控制系統(tǒng)由控制開關(guān)、繼電器、車窗升降器、電動機、限位開關(guān)、等裝置組成。與傳統(tǒng)的車窗控制方式不同，采用CAN總線技術(shù)的車窗系統(tǒng)，無論控制多少節(jié)點，都只需兩條公共傳輸線連接，布線簡單明確，可提高整個車窗系統(tǒng)的可靠性。

為增加CAN總線通訊的可靠性和抗干擾能力，設(shè)計在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間裝一個光電耦合器。在此選用光電耦合器型號為6N137，該芯片可快速進行電流，溫度和電壓的補償，也可以隔離過高的輸入輸出，同時輸入電流僅5 mA。但由于6N137隔離功能為單通道，因此要在CAN_H和CAN_L上都安裝光電隔離芯片。而為了增加車窗電機工作的可靠性，車窗玻璃的頂部和底部安裝了限位開關(guān)，當(dāng)玻璃上升或下降碰到限位開關(guān)時，限位開關(guān)立即切斷電機電源。并且車窗應(yīng)按順次打開或關(guān)閉，以避免全部車窗同時工作引起電流消耗過大。

圖1 CAN總線車窗控制系統(tǒng)

3 車窗系統(tǒng)可靠性分析

電子設(shè)備的可靠性預(yù)計，首先要將系統(tǒng)劃分成可靠性預(yù)計單元，建立系統(tǒng)的可靠性預(yù)計模型。盡量使單元之間為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并使預(yù)計單元之間保持獨立，整個系統(tǒng)失效率為各預(yù)計單元失效率之和。最后由系統(tǒng)失效率就可求得系統(tǒng)平均故障時間等可靠性數(shù)據(jù)。對于具體某一種芯片，都可查到其相關(guān)資料和參數(shù)。

根據(jù)電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊可知，微處理器的工作失效率公式為公式（1）：

πE：環(huán)境系數(shù)； πV：電壓應(yīng)力系數(shù)； C1和C2：電路復(fù)雜度失效率

πL：成熟系數(shù)； C3：封裝復(fù)雜度失效率； πY：溫度應(yīng)力系數(shù)

πQ：質(zhì)量系數(shù)； λP：工作失效率

3.1 車窗節(jié)點的可靠性分析

整個車窗節(jié)點主要由電機驅(qū)動模塊、CAN通信模塊和單片機模塊3部分構(gòu)成。該節(jié)點選用飛思卡爾公司的MC33887芯片，對于該芯片的可靠性預(yù)計方法采用應(yīng)力分析預(yù)計法。由該芯片的參數(shù)及工作環(huán)境可知：

由失效率公式1計算得:

由系統(tǒng)失效率可得，僅對應(yīng)用該芯片的車窗節(jié)點來說，其正常使用地持續(xù)工作，平均故障時間為104年。說明該車窗節(jié)點具有很強的可靠性，足夠滿足車窗要求。

3.2 車窗網(wǎng)關(guān)節(jié)點的可靠性分析

電動車窗的網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由PCA82C250總線收發(fā)數(shù)字電路驅(qū)動芯片和單片機MC9S08DZ128芯片等構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責(zé)CAN總線通信和開關(guān)信號的采集。

其中PCA82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，主要進行總線的差分發(fā)送和接收。對于PCA82C250芯片，由該芯片參數(shù)及工作環(huán)境可知：

MC9S08DZ128是飛思卡爾公司生產(chǎn)的性能較好的單片機芯片，集成了CAN控制器，可組建CAN網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN網(wǎng)管的功能。其內(nèi)部擁有 PWM輸出和12位精度的ADC，同時CPU最高可達40MHz，支持32個中斷和復(fù)原源。由該芯片參數(shù)及工作環(huán)境可知：

由上述各預(yù)計單元的結(jié)果，可得整個CAN通信模塊的總失效率為：

同樣可得CAN通信系統(tǒng)在正常持續(xù)使用情況下的平均故障時間約28年，能夠滿足汽車系統(tǒng)的使用要求。分析系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的失效率可知，單片機芯片的失效率占了整個網(wǎng)關(guān)節(jié)點失效率的絕大部分。因此為了提高系統(tǒng)的可靠性，可選用質(zhì)量等級更高的芯片。

4 汽車車窗防夾控制算法的可靠性分析

目前，防夾車窗的技術(shù)主要用于高檔汽車領(lǐng)域。車窗防夾的技術(shù)水平和車窗的可靠性是制約其發(fā)展的主要因素。傳統(tǒng)的電動車窗主要是通過檢測電機的電流來實現(xiàn)車窗防夾，例如幅值法、斜率法、積分法。但由于汽車運行的環(huán)境非常復(fù)雜，電機電流并不穩(wěn)定，因此僅通過電流來實現(xiàn)車窗防夾算法，可靠性并不能得到保證?？蓪嚧暗膴A力和玻璃位置進行判斷，來更準(zhǔn)確地實現(xiàn)電動車窗防夾?；诖说姆缞A算法主要有3種。

4.1 電流+霍爾脈沖的直接夾力和位置判別法

首先對電機電流進行檢測，確定某類車窗的背景力，即可測算出車窗夾力與電機電流的關(guān)系。通過電機電流的變化來判斷夾力的大小。霍爾脈沖用來判斷車窗是否在防夾范圍，也可檢測是否在車窗在頂部和底部兩端位置。應(yīng)用此法，只需檢測電機電流平均值的幅值和形態(tài)變化，即可判斷防夾力。同時通過霍爾脈沖也可計算車窗運行的速度和加速度，判斷車窗運行的狀態(tài)。因此，電流+霍爾脈沖檢測防夾算法有很高的可靠性。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電流+霍爾脈沖檢測防夾算法系統(tǒng)框圖

4.2 電流紋波檢測的直接夾力和間接位置檢測法

直流穩(wěn)壓源一般是由交流電源整流穩(wěn)壓后得到的，在其中參雜的交流波稱為紋波。假設(shè)電機的換向器中換向片數(shù)為n，則電流紋波頻率為電機轉(zhuǎn)速m的n倍，即紋波頻率為f= nm，繞組電流換向引起電流紋波。因此根據(jù)電機紋波電流的變化就可以對電機的運動狀態(tài)進行檢測。電流紋波進行數(shù)字化處理后可將其看作脈沖波，就得到了與霍爾脈沖檢測相似的信息。該方法成本非常低，只需要利用電機的一般的特性作為根據(jù)。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 電流紋波檢測防夾算法系統(tǒng)框圖

4.3 基于霍爾脈沖的加速度和速度算法

該方法首先需要在電機轉(zhuǎn)軸上加裝磁環(huán)，霍爾原件裝在控制器的板子上。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈時，霍爾傳感器產(chǎn)生一個周波的方波脈沖信。MCU的時鐘模塊可以捕捉信號的個數(shù)，來確定車窗玻璃的運行位置。通過讀取霍爾脈沖的信息，即可判斷夾力的大小以及車窗玻璃是否在防夾區(qū)域。該方法簡單易操作，且具有很高的可靠性。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 基于霍爾脈沖的防夾算法系統(tǒng)框圖

4.4 混合算法

為了提高整個車窗防夾系統(tǒng)的可靠性，就要綜合分析上述3種方法。實際中需要進行混合算法，結(jié)合運用上述3種方法。雖然可能會一定程度增加軟件方面的成本和復(fù)雜性，但是整個車窗防夾控制系統(tǒng)的誤判卻能很大程度減少，大幅度提高其可靠性。

5 車窗故障的自診斷保護功能

電動車窗的故障自診斷保護功能，對于提高整個電動車窗控制系統(tǒng)的可靠性同樣具有重大的作用。擁有的自診斷保護功能的車窗系統(tǒng)，可以自行判斷車窗所處的工作狀態(tài)，及時執(zhí)行相應(yīng)措施，避免更大的危害出現(xiàn)。

車窗故障診斷系統(tǒng)是通過VNH2SP30芯片來實現(xiàn)的。VNH2SP30是一個集成了一個雙單片高邊驅(qū)動器和兩個低邊開關(guān)全橋式電動機驅(qū)動芯片。ENA/DIAGA和ENB/DIAGB是該功率芯片的故障診斷引腳，根據(jù)INA和INB端口的狀態(tài)，同時AD來采集ENA/DIAGA和ENB/DIAGB的電壓，兩者結(jié)合可以對車窗的故障進行自診斷。整體流程圖如圖5所示。

圖5 自診斷保護功能流程圖

6 自適應(yīng)功能

汽車工作的環(huán)境非常復(fù)雜，在不同的溫度、受力情況等條件下，車窗系統(tǒng)的機械部分會隨時間而磨損等，電動車窗的工作穩(wěn)定性也受很大考驗。因此車窗控制系統(tǒng)必須要有自適應(yīng)的功能，來提高其的可靠性。對于各種環(huán)境變化造成的影響，系統(tǒng)必須具有很強大的魯棒性，具體思路流程圖如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)功能流程圖

結(jié)合之前防夾控制算法的方法。當(dāng)車窗上升到頂部，若當(dāng)前霍爾數(shù)值與前一次的值相差較大時，則舍棄當(dāng)前計數(shù)值，則頂部位置依然用前一次的值，保存在寄存器；若當(dāng)前霍爾數(shù)值與前一次的值相差不大，則頂部位置保留在當(dāng)前值，更新了頂部防夾點和頂部軟停止點，如此循環(huán)。

7 車窗控制系統(tǒng)電機保護功能

車窗電機的使用量很大。要保障電機長時間的可靠使用，需要設(shè)計電機保護電路。整個保護電路如圖7所示。

圖中PTB是通用 I/O口，其既可作為內(nèi)部具有上拉電阻，雙向的 5 V數(shù)字 I/O口使用，又可作為 ADC2p5（A/D轉(zhuǎn)換器，電壓2.5 V）端模擬輸入端子。MOTOR1和MOTOR2是電機接入接口，R1和R2的阻值相同，PTB的端電壓為電機電樞電壓的一半，即可通過PTB端來檢測電機的電樞電壓。電阻R3、R4和電容C構(gòu)成電機緩沖回路，可吸收消除過大的d u/d t、d i/d t。R5為壓敏電阻，當(dāng)繼電器的輸出電壓高于預(yù)定值時，R5短路，消除突然的尖峰電壓，保護電機。

圖7 電機保護電路

8 結(jié)束語

CAN總線電動防夾車窗已經(jīng)應(yīng)用于中高端汽車中，而可靠性是其進一步普及的關(guān)鍵要求。本文對整個CAN總線電動車窗系統(tǒng)的可靠性進行了分析。指出了其通信系統(tǒng)、防夾算法、故障診斷和適應(yīng)系統(tǒng)、車窗電機的缺陷，并對此各方面提出了相應(yīng)的可靠性改進方法?？煽啃匝芯考缺ＷC電動車窗的穩(wěn)定使用和車內(nèi)人員的安全，又可以減少因為車窗故障導(dǎo)致的車輛維修的額外成本。相信隨著電動車窗技術(shù)的普及，其可靠性的研究也會進一步發(fā)展。

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Reliability research of electric w indows control system based on CAN bus

WANG Jing，LIU Jie
（College of Big Data and Information Engineering of Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Electric windows based on CAN bus are increasingly used in recent years，however reliability standards of the electronicwindow system are notclearand there are few research on that.Based on the purpose of improving the reliability and safety of the CAN bus electric window control system，the reliability of the overall structure of the window system is analyzed qualitatively in this paper，and the failure rate of the node is analyzed quantitatively.A hybrid control algorithm based on 3 kinds of anti-pinch algorithm is introduced.The design of electric window protection system is presented such as fault self diagnosis function，and the analysis results show that the reliability design can improve the specific defects of the electric window so thatcan improve the reliability of the CAN buselectricwindow controlsystem.

electric window；CAN Bus；anti-pinch algorithm；reliability

TN711

A

1674－6236（2016）20-0039-04

2015-10-27 稿件編號：201510194

國家自然科學(xué)基金（61262007）；貴州省普通高等學(xué)校特色重點實驗室（黔教合KY字［2014］213）

王菁（1990—），男，遼寧錦州人，碩士研究生。研究方向：軟硬件協(xié)同設(shè)計。