智能化車身驅(qū)動電路故障診斷與保護(hù)功能設(shè)計

黃東杰

(東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西，柳州 545005)

車身電氣系統(tǒng)是車輛舒適、安全運(yùn)行的支持系統(tǒng)，在車輛智能化的背景下，車身電氣系統(tǒng)正變得越來越智能化?，F(xiàn)有車身系統(tǒng)通常采用CAN、LIN等總線進(jìn)行控制，不僅簡化了線束，還豐富了車身控制功能[1]。但這類系統(tǒng)也存在潛在的風(fēng)險，由于車身電氣設(shè)備如車燈、電機(jī)、加熱電阻等需采用功率器件進(jìn)行驅(qū)動和控制，這些器件焊裝在電路板上，一旦發(fā)生短路將會造成整個電路板的損壞，所以應(yīng)采取專門的保護(hù)措施[2]。此外，車身設(shè)備發(fā)生斷路故障也會影響車輛的安全舒適性，這類輕微故障通常難以及時發(fā)現(xiàn)，在智能化汽車上，需要實現(xiàn)對故障的實時監(jiān)測并把信息反饋給駕駛員。

傳統(tǒng)車身電氣設(shè)備采用保險絲實現(xiàn)短路保護(hù)，由于體積原因該方式不適用于智能化車身。在智能化系統(tǒng)中短路保護(hù)的方式是選用具有自關(guān)斷功能的芯片，但很多車身系統(tǒng)在該方面的功能還不是很完善，如無法區(qū)分短路和斷路故障[3]。實現(xiàn)短路保護(hù)和故障檢測的可靠方式是通過電流信息來判斷系統(tǒng)狀態(tài)并自動切斷電路。趙登福等[4]針對電力系統(tǒng)直流電路短路保護(hù)問題采用了霍爾傳感器檢測電流法，該方法能夠精確檢測電流情況，但成本較高。李超[5]使用串聯(lián)電阻的方式檢測回路中的電流，進(jìn)而檢測系統(tǒng)故障，該方法原理簡單，結(jié)果也比較準(zhǔn)確，但這種方法的功率消耗與所檢測電流的二次方成正比，不適用于大電流驅(qū)動的場合。此外，還有利用功率驅(qū)動管導(dǎo)通電阻，通過檢測功率管源極和漏極之間的電壓檢測電流的方法[6]，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但是功率驅(qū)動管的電阻隨電流非線性變化，導(dǎo)致標(biāo)定困難，且導(dǎo)通電阻隨溫度變化很大，會帶來較大的誤差。在通過電流檢測進(jìn)行短路保護(hù)的方案中，李超[5]設(shè)計了專門的電路來實現(xiàn)。該電路利用邏輯芯片進(jìn)行判斷并將過流信號鎖存。但該方法電路設(shè)計復(fù)雜，未能充分發(fā)揮系統(tǒng)中已有單片機(jī)的功能。

本文提出了一種運(yùn)用靈巧功率的集成電路，通過功率芯片自帶的電流檢測功能檢測電流大小，并結(jié)合單片機(jī)軟件編程來判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。當(dāng)檢測到故障時，系統(tǒng)輸出關(guān)斷信號并產(chǎn)生故障代碼。該方案的電路設(shè)計簡單，運(yùn)行可靠，成本低，特別適用于智能化車身控制系統(tǒng)。

1 車身驅(qū)動電路

智能化車身控制系統(tǒng)通常包括儀表盤模塊、前部車燈模塊、后部車燈模塊、車門模塊等，其中的車燈、電機(jī)等設(shè)備額定工作電流通常在10 A以內(nèi)，因此，采用場效應(yīng)管實現(xiàn)驅(qū)動。為實現(xiàn)故障診斷和短路保護(hù)功能，選用了具有電流檢測功能的靈巧功率集成電路。

所設(shè)計的車身設(shè)備驅(qū)動電路如圖1所示。其中，選用的驅(qū)動器件為BTS6143，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)正常8 A的電流驅(qū)動，最大驅(qū)動電流能夠達(dá)到75 A。器件的導(dǎo)通電阻僅有10 mΩ，能有效降低驅(qū)動芯片上的功耗。芯片的TAB端為電源端，與電源正極相連，驅(qū)動端為引腳1和5，兩個引腳并聯(lián)后輸出至電路板的輸出端子。IN引腳為芯片控制端，接地時芯片導(dǎo)通，與地斷開時，電路截止。為了實現(xiàn)可靠控制，使用光耦進(jìn)行隔離，光耦初級連接單片機(jī)引腳，次級串接一電阻，減小功耗。4號引腳為電流檢測端，根據(jù)芯片特性，該端輸出與主驅(qū)動電流成固定比例的電流。通過為該引腳配置電阻，可將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。由于芯片使?2 V電源進(jìn)行驅(qū)動，輸出信號有可能高于單片機(jī)的供電電壓，為避免燒毀單片機(jī)，在AD采集端使用了4.7 V的穩(wěn)壓管。

圖1 車身設(shè)備驅(qū)動電路

PTA0是電流信息采集端，通過單片機(jī)的AD模塊完成對電流信息的實時采集。為簡化電路設(shè)計，電流檢測信號采用軟件濾波方式進(jìn)行處理。

2 SenseFET電流檢測原理

本系統(tǒng)使用的集成功率芯片BTS6143采用電流鏡原理檢測電流大小，原理如圖2所示。芯片由上萬個功率單元并聯(lián)而成，分成MainFET和SenseFET兩部分，大部分單元用于功率驅(qū)動，屬于MainFET，少部分單元用來引出測試電流，屬于SenseFET。根據(jù)電流鏡的原理[7]，電流檢測端輸出電流與功率驅(qū)動端的電流之比等于SenseFET與MainFET中的單元個數(shù)之比，BTS6143中兩部分功率管的個數(shù)比約為1∶10 000。由于芯片的功率單元采用相同工藝制作，因此一致性高，電流檢測的精度也較高。由于電流檢測端電流輸出比較小，因此檢測功耗較小，屬于一種無損檢測方式。

圖2 SenseFET電流檢測原理圖

3 電流標(biāo)定與軟件濾波

3.1 試驗系統(tǒng)組成

對電流檢測端的輸出信號進(jìn)行標(biāo)定是準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)，對系統(tǒng)檢測功能的實現(xiàn)至關(guān)重要。為此，專門設(shè)計了標(biāo)定測試系統(tǒng)，系統(tǒng)選用車燈作為負(fù)載，功率分別為21 W和55 W。驅(qū)動采用自行開發(fā)的驅(qū)動電路板，控制器為飛思卡爾S08系列單片機(jī)。

電流標(biāo)定測量設(shè)備選用電流探頭，型號為Tektronix TCP0030A，探頭能夠?qū)崿F(xiàn)最大30 A電流的測量。系統(tǒng)同時還測量電流測量端匹配電阻上的電壓值，并與電流探頭的輸出值進(jìn)行比較。為分析設(shè)計合理的濾波方式，控制器中包含了CAN通訊程序，將采集到的電流測量端電壓值發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)使用周立功CAN-2E-U板卡進(jìn)行采集。試驗系統(tǒng)如圖3所示。

3.2 電流測試端信號特征及標(biāo)定

理想情況下，BTS6143檢測端電流與實際負(fù)載電流大小比例為1∶10 000，即系統(tǒng)輸出1 A電流，檢測端的電流為0.1 mA，匹配1 kΩ電阻，系統(tǒng)檢測到的電壓為0.1 V。但測量電阻精度和芯片本身的因素都會引起系數(shù)發(fā)生變化，因此需采用試驗標(biāo)定。為測試電流測量值在動態(tài)過程中的信息準(zhǔn)確度，試驗中使用周期為1 s、占空比為50%的PWM信號進(jìn)行驅(qū)動。

圖3 試驗系統(tǒng)

試驗同時采集電流探頭電流值與電流感知端的電壓值，標(biāo)定后對比曲線如圖4所示。

圖4 標(biāo)定結(jié)果對比

圖4中，信號1為BTS6143電流檢測端的信號，信號2為電流探頭檢測的電流信號。由圖可知，二者趨勢一致，因此，電流檢測端能有效檢測到電流信號。通過數(shù)據(jù)處理，測得電壓值與實際電流值之間的系數(shù)為9。

3.3 軟件濾波

從芯片原理分析并通過示波器檢測發(fā)現(xiàn)，上述系統(tǒng)的輸出中包含噪聲，嚴(yán)重影響系統(tǒng)采集信息的準(zhǔn)確性。為避免系統(tǒng)識別錯誤，電流檢測端需選定適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率和濾波方法。

采樣頻率的選取需考慮負(fù)載的動態(tài)響應(yīng)過程，對車燈、雨刷等電器，其驅(qū)動信號通常采用簡單的開關(guān)信號，系統(tǒng)的響應(yīng)時間在毫秒級，通過實際測量，在系統(tǒng)短路時電流上升時間在2 ms左右。平衡各種因素，本系統(tǒng)中的采樣頻率設(shè)為1 kHz。

通過分析AD端采集到的信息可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的噪聲主要是毛刺噪聲。為簡化系統(tǒng)的運(yùn)行，降低運(yùn)算需求，系統(tǒng)需要選用較為簡單的濾波方法。常用的濾波方法中中位值濾波法能夠有效消除脈沖干擾信號，因此采用中位值濾波。具體方法為：系統(tǒng)每1 ms采集1次信號，單片機(jī)每3 ms對采集到的信號進(jìn)行排序，選擇中間值作為濾波結(jié)果。依據(jù)上述方法進(jìn)行采集和濾波后的曲線如圖5中紅線所示。

圖5 濾波效果對比

由圖5可知，濾波后的信號噪聲明顯變小，且符合車燈系統(tǒng)的電流特點。

4 故障判定與短路保護(hù)功能實現(xiàn)

4.1 故障判斷

利用單片機(jī)進(jìn)行邏輯判斷，實現(xiàn)故障檢測和短路保護(hù)功能。系統(tǒng)實時監(jiān)測電流的大小，當(dāng)電流高于上限工作電流時，即發(fā)生短路故障，當(dāng)電流小于系統(tǒng)下限工作電流時即發(fā)生斷路故障。系統(tǒng)故障判斷的真值見表1。

表1 系統(tǒng)故障判斷真值

系統(tǒng)能夠正常判斷的關(guān)鍵是獲取合理的上、下限值。車身電氣設(shè)備包含有電阻類負(fù)載和電感類負(fù)載，對于電阻型負(fù)載，通常會受到溫度的影響，如車燈在冷啟動時電阻較小，會發(fā)生浪涌電流。對感性負(fù)載，系統(tǒng)關(guān)斷的瞬間會產(chǎn)生一個較大的脈沖，這對短路檢測功能構(gòu)成了干擾。為解決該問題，需要進(jìn)行試驗確定系統(tǒng)上下限值。

經(jīng)過實際試驗測量，車燈冷啟動電流的大小依然遠(yuǎn)小于短路時的電流，在實現(xiàn)故障診斷時，可以選用浪涌電流的上限作為故障判定的門限值。本研究中選取車燈的電流上限值為20 A，下限值為0.2 A。

4.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件流程如圖6所示，采用中斷方式完成系統(tǒng)功能。中斷響應(yīng)程序每1 ms響應(yīng)1次，采集電流檢測端的值，每3 ms將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，實現(xiàn)中位值濾波，并做1次系統(tǒng)是否有故障的判斷，如檢測到短路故障，則關(guān)閉該條驅(qū)動電路，形成故障碼。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

5 基于電流檢測的驅(qū)動電路故障試驗驗證

為驗證所設(shè)計的驅(qū)動電路故障診斷與短路保護(hù)功能，設(shè)計了故障檢測試驗。試驗分為兩類，一類是短路故障檢測，一類是斷路故障檢測。

5.1 短路故障

車用電氣設(shè)施的短路通常在兩種情況下出現(xiàn)，一是未加電時已存在短路，二是系統(tǒng)工作時由于特殊原因被短路，試驗也針對這兩種情況進(jìn)行設(shè)計。

短路試驗一模擬未加電已短路的情況，方法是在加電前用導(dǎo)線將車燈正負(fù)極短接，然后利用單片機(jī)控制車燈開啟。試驗中同時采用示波器和電流探頭測試短路過程中的電流信息，測量控制端的輸入信號以及電流測試端的電壓信號。試驗測得的結(jié)果如圖7所示。

圖7 車燈關(guān)閉狀態(tài)下短路試驗曲線

由圖7可知，車燈驅(qū)動電路中的電流從0迅速上升，電流達(dá)到設(shè)定上限值時，將電路關(guān)閉，電流變?yōu)?，這個過程的時間約為20 ms。因此，該短路情況下，系統(tǒng)能夠有效切斷電路。

短路試驗二是模擬車燈正常使用過程中被短路的情況，方法是在系統(tǒng)上電的情況下，人為用導(dǎo)線在車燈處短接。試驗時同時測量電流、控制端輸入信號和電流檢測端電壓信號，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 車燈開啟狀態(tài)下短路試驗曲線

圖8中包含冷啟動過程中電流的響應(yīng)過程，在冷啟動時，車燈驅(qū)動電路中存在1個浪涌電流，該值約為17 A，遠(yuǎn)高于運(yùn)行電流4.6 A。由于系統(tǒng)設(shè)置的過流保護(hù)值比較大，所以未觸發(fā)關(guān)閉功能。在第2個階段，系統(tǒng)被短路時，電流探頭測得的電流瞬間變大，由于該值超出了系統(tǒng)設(shè)定上限值，單片機(jī)切斷控制電路，控制端的輸入電壓變?yōu)?，系統(tǒng)關(guān)閉的響應(yīng)時間約為2 ms左右。因此，在該情況下，系統(tǒng)在檢測到故障的同時能迅速實現(xiàn)短路保護(hù)功能。

5.2 斷路試驗

斷路故障也包含兩種情況，一種是在系統(tǒng)工作時出現(xiàn)斷路，如車燈燈絲燒斷，一種是在系統(tǒng)通電前已經(jīng)出現(xiàn)斷路。

斷路試驗一模擬在車燈正常工作時燈絲燒斷故障，方法是在車燈正常工作時將車燈導(dǎo)線拔斷。系統(tǒng)檢測到的開啟信號、電流探頭、感知端電壓信號如圖9所示。

圖9 車燈正常工作時斷路故障試驗曲線

由圖9可知，電流感知端能夠檢測到電流突然變小。為表征故障，試驗過程中編寫了故障響應(yīng)程序，使用LED頻閃表征短路故障。在該試驗中，頻閃狀態(tài)出現(xiàn)，表明單片機(jī)監(jiān)測到故障，并實現(xiàn)了對斷路故障的故障碼生成。

斷路試驗二模擬電氣設(shè)備在通電前已經(jīng)斷路的故障，方法是在斷電情況下斷開車燈連接線，然后對系統(tǒng)上電，試驗電流曲線如圖10所示。

該試驗感知端和電流探頭的電流值均為0，僅單片機(jī)LED燈閃亮，說明系統(tǒng)偵測到斷路故障，并生成了斷路故障碼信息。

圖10 車燈上電前斷路故障試驗曲線

由上述試驗可知，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠檢測用電端的短路和斷路故障，并能實現(xiàn)短路保護(hù)和故障碼的生成。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了適用于車身控制系統(tǒng)的小功率電氣設(shè)備驅(qū)動電路，驅(qū)動電路中的電流檢測端經(jīng)標(biāo)定和中位值濾波后可以有效檢測出電流的大小，通過邏輯判斷，系統(tǒng)能夠識別短路和斷路故障。經(jīng)試驗研究證明，所設(shè)計的系統(tǒng)電路和檢測方法可以有效防止電路板燒毀。