基于電機電流檢測的乘用車車門控制模塊設計

劉建松，徐洋，譚偉，江松，熊秋涵

(1.重慶郵電大學自動化學院，重慶 400065；2.重慶利龍科技產(chǎn)業(yè)(集團)有限公司，重慶 400020)

0 引言

汽車車門控制器是汽車上一個至關重要的部件，不管是傳統(tǒng)的燃油車還是逐漸成為主流的電動汽車，都離不開車門控制器這一零部件。同時，由于車門控制器控制著車門門鎖及車窗玻璃升降等，因此車門控制器在特定情況下是一個關乎生命與安全的關鍵部件[1]。所以車門控制器的研發(fā)和改進一直是汽車零部件企業(yè)中一項具有廣闊前景的產(chǎn)業(yè)。文中將整個車門控制系統(tǒng)分為車窗、后視鏡、門鎖三大模塊分別進行軟硬件的設計與選型，其中車窗的控制邏輯較為復雜，功能也最多，所以將進行重點設計。

1 總體設計方案

文中設計車門控制系統(tǒng)采用的四控制器形式。整個分布式車門控制系統(tǒng)由前后左右4個門模塊(DCM)組成[2]。兩個前門模塊通過CAN總線連接至整車CAN網(wǎng)絡上，兩個后門控制模塊則通過LIN總線連接至前門模塊上，該車門模塊的系統(tǒng)劃分圖如圖1所示。各個DCM通過響應各開關按鍵的輸入控制信號來控制4個車門上的各個功能，形成一個完整的車門控制系統(tǒng)。系統(tǒng)左前模塊除了以控制左前門的車窗、后視鏡、門鎖為主外，還具有駕駛員對集中控制的主控開關，即可以對右前后視鏡，以及汽車前后左右4個車窗進行控制，且對各個車門操作在汽車的行進中起到失效狀態(tài)，達到控制目的。系統(tǒng)右前模塊(DCM)功能與左前模塊相似，具有對右前門后視鏡、門鎖、車窗的動作控制功能。同時，在主控開關上還設有運行故障指示、車窗升降指示、門鎖運行指示、燈光照明等系列LED器件。此外，左前車門、右前車門均配備了后視鏡水平調(diào)節(jié)和垂直調(diào)節(jié)兩個指示LED。由于車窗、后視鏡、門鎖的執(zhí)行器均為電機，因此，在電機驅(qū)動狀態(tài)下，電流值適時地轉(zhuǎn)換成電壓信號反饋給控制器，可通過檢測電機電流來判斷電機工作中的位置以及故障情況。

圖2 車窗電機電流檢測

其中，車窗自動上升時還具有防夾功能，即在玻璃上升過程中遇到障礙物時，會發(fā)生防夾反轉(zhuǎn)，防夾力小于100 N。后視鏡的內(nèi)部裝置中還配有三組電動機以及驅(qū)動器，使其能夠多角度進行后視鏡上下、左右的調(diào)整。當車輛在雨天或霧天行駛過程時，霧氣和雨會造成后視鏡模糊，影響駕駛?cè)艘暰€。駕駛員可通過開啟后視鏡內(nèi)部已配備的加熱除霜裝置，進行除霧、除霜工作，使其視線清晰，保證駕駛?cè)税踩{駛。門鎖模塊通過讀取車門開關或鑰匙開關輸入信號來解鎖汽車車門。

2 硬件設計

車門控制系統(tǒng)硬件設計的總體要求是控制界面簡潔、功能便于實現(xiàn)、具有較好的穩(wěn)定性和通用性，最大化地降低設計成本。其設計框架如圖3所示。車門控制系統(tǒng)在其芯片選擇上，采用了NXP公司的S32K142單片機為系統(tǒng)處理核心。該芯片具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強的優(yōu)點，是適用于汽車的專用芯片。

圖3 系統(tǒng)硬件設計框架

由于車門控制系統(tǒng)功能復雜，單靠系統(tǒng)基礎芯片的部分驅(qū)動能力，完全無法滿足功能眾多的DCM模塊需求，因此在地面照明燈、轉(zhuǎn)向燈、盲點檢測指示燈、鎖車指示DCM燈、后視鏡加熱、后視鏡折疊/復位、后視鏡調(diào)節(jié)、開關照明等一系列功能控制上需用額外一顆驅(qū)動芯片加以輔助驅(qū)動。

2.1 電機電流處理電路(車窗)

電機電流處理電路如圖4所示(以左前窗為例)，主要包括兩個部分：低通濾波電路、差分放大電路，低通濾波部分主要是為了濾除電機電流中的高頻信號和雜波，盡可能地降低或消除其在對電機電流進行分析和處理的過程中帶來的影響;差分放大部分采用的是運算放大器，將采集到的電流信號經(jīng)放大后輸入給MCU進行軟件算法的處理[4]。

圖4 電機電流處理電路

2.2 車窗電機驅(qū)動電路

車窗電機驅(qū)動電路如圖5所示(以左前窗為例)，主要包括達林頓晶體管陣列芯片、繼電器和采樣電阻(10 mΩ)3個部分，外接兩個信號，一個是單片機輸出的按鍵信號，作為繼電器驅(qū)動芯片的輸入;另一個是繼電器的輸出信號，用來控制電機轉(zhuǎn)動。其中，PWR_RLY為線圈供電，D5的作用是防浪涌，電容C73用于濾波，BATT為繼電器供電，同時還作為電壓反饋信號被單片機的ADC端口采集，目的是為了檢測繼電器是否異常或電機的工作是否為繼電器驅(qū)動所致，主要用于繼電器黏滯檢測[5]。

圖5 車窗電機驅(qū)動電路

2.3 后視鏡驅(qū)動電路

L9949是ST公司為汽車電子應用而專門開發(fā)的車門H橋電機驅(qū)動芯片[6]，設計中選用它作為車鎖電機和后視鏡電機的功率驅(qū)動芯片。該芯片和單片機之間采用SPI的通信方式，將最大化保證信息傳輸?shù)膶崟r性。其中，OUT1和OUT2為全橋輸出，OUT3—OUT5是半橋輸出，除此之外該驅(qū)動芯片還配有一個高端輸出OUT6，它可以驅(qū)動大功率的用電器如后視鏡加熱電阻絲。

圖6 后視鏡驅(qū)動電路

3 軟件算法設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為主程序和子程序兩部分。軟件主程序主要用來完成系統(tǒng)工作過程的數(shù)據(jù)存儲、處理和傳送；子程序則是完成具體公民命令的執(zhí)行程序，分別由系統(tǒng)初始化子程序、中斷服務子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機控制子程序和后視鏡控制子程序等構(gòu)成。

左前門控制模塊的程序是眾多控制模塊當中較為復雜的部分，該模塊不僅需要配備多個控制按鈕以及多個工作命令信息的輸入，而且還囊括了車輛所有車窗電機、門鎖電機、后視鏡的工作信息輸入輸出。正是因為其具有這種系統(tǒng)代表性，也是研究最具有挑戰(zhàn)的部分，所以是文中研究重點方向。

電解煙氣脫硫采用“雙氧水脫硫塔-高效濕式電除塵器”的工藝流程。包含：吸收塔、循環(huán)泵、雙氧水儲槽、藥劑計量添加泵、稀硫酸儲槽等。尾氣由脫硫塔底部進入，經(jīng)噴淋和填料吸收，與雙氧水溶液充分接觸和反應，生成稀硫酸。脫硫處理后的煙氣經(jīng)除霧沫后，由塔上部排出。為控制煙氣拖尾和進一步降低尾氣中的污染物濃度，脫硫煙氣經(jīng)脫硫塔后再串聯(lián)進入濕式電除塵器后達標排放。工藝流程如圖1 所示。

左前門控制模塊的軟件主要由主程序、系統(tǒng)初始化子程序、中斷服務子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機控制子程序和后視鏡控制子程序等構(gòu)成。

3.1 車窗防夾算法

電動車窗防夾功能的實現(xiàn)需要先確定兩個核心問題：一是車窗位置的精確判斷；二是夾物力的判斷。

電動車窗防夾的設計要求，要通過不斷地檢測電動車窗電機運動速度電流，以及玻璃上升下降位置，從而通過足夠多的數(shù)據(jù)來分析確定電動車窗是否進入防夾區(qū)、是否識別到障礙物，以此來判斷輸出工作命令，并決定是否對電動車窗實施防夾操作[7]。

此外，受到電機電流的影響，其電動車窗會產(chǎn)生固定數(shù)量的紋波脈沖，由此發(fā)現(xiàn)，紋波脈沖個數(shù)與車窗玻璃的行程呈線性關系。圖7為電機電流下的紋波脈沖信號，可以計算玻璃整個行程的脈沖個數(shù)，取相對值，從而獲得玻璃的具體位置信息。

圖7 紋波脈沖信號

車窗在上升過程中遇到外界阻力時，電機電流變化非常明顯。所以，可以根據(jù)電流的變化情況來進行防夾檢測，并執(zhí)行相應操作。

從圖8可知，當電動車窗識別到障礙物出現(xiàn)時，其電流變化很明顯(圖中A、B、C三點)，且電流的大小與所受到的阻力成正比關系(A點阻力>B點阻力>C點阻力)，但是，所遇阻的電流變化斜率是遠小于堵轉(zhuǎn)時的斜率，且電流值也小于電機啟動和堵轉(zhuǎn)時的值。根據(jù)上述遇阻電流的特性，可以采取面積積分法來判斷車窗是否遇阻：所謂面積積分法[8]，就是在電機電流曲線上取一段時間Ts，對橫軸(時間)與縱軸(電流)圍成的矩形面積求積分，若在防夾區(qū)域的某個時間內(nèi)，面積積分S大于防夾閾值S0(通過多次試驗取平均值的方法求出車窗受堵時的面積閾值，可通過自適應算法自動更新)，則判斷為車窗受阻而進行防夾操作。

假設有一底邊固定為Ts，高度可變并能沿時間軸移動的矩形框，它底邊的位置是由Ts時間段內(nèi)最小的電流值確定的，如圖8中矩形框A所示。在矩形框內(nèi)，電流曲線的起始時間為t0，此時電流為I0；結(jié)束時間為t1，此時電流為I1；任意時間t對應的底邊方程為：

I(t)=min(t),t0

(1)

在確定的時間T=t1-t0內(nèi)，電流曲線與該矩形框的底邊及兩條高所圍成的面積為：

(2)

若在時間T內(nèi)S>S0，則判斷車窗受堵，并執(zhí)行相應防夾操作。車窗防夾功能的軟件流程圖如圖9所示。

圖9 電流防夾軟件流程

3.2 后視鏡和中控鎖控制

后視鏡內(nèi)部配備的電機，在設計上，采用的是組合式開關，組合開關由左右后視鏡和上下、左右角度組合而成，駕駛員通過組合式開關，即可實現(xiàn)左右后視鏡，以及上下、左右角度的視角調(diào)整。

車輛的門鎖為二級安全件，設計選用直流電機來作為門鎖的執(zhí)行機構(gòu)，通過檢測狀態(tài)信號來控制門鎖的開閉，即中控鎖的解閉鎖、童鎖的解閉鎖等動作。門鎖控制模塊還設計5個獨立的微動觸點，即車門打開和關閉信息、上鎖和解鎖信息、鎖閉車門信息、安全鎖生效信息和鎖閉車門安全鎖失效信息。

當中央門鎖處于打開狀態(tài)時，其門鎖是無法上鎖的，或是門鎖處于失效狀態(tài)；當中央門鎖安全鎖處于打開狀態(tài)，其門鎖不具有安全鎖功能，安全鎖電機處在關閉位置，門鎖不能解鎖。后視鏡和門鎖的控制流程如圖10和圖11所示。

圖10 后視鏡控制流程

圖11 門鎖控制流程

4 系統(tǒng)測試與驗證

在文中設計時，通過設計一臺連接器設備和負載設備，將前后車門控制器連接到同一臺測試設備上。通過相應的車門控制開關和上位機軟件來發(fā)送模擬或數(shù)字消息給各個控制模塊，不僅能夠方便地測試單個車門控制器的功能，還可以檢驗前后車門控制器間的匹配度，以便及早發(fā)現(xiàn)問題并進行相應的改善。

圖12是系統(tǒng)測試框圖，使用上位機軟件，通過Vector公司的CAN診斷工具來測試與診斷連接前后車門控制模塊。可以連接在產(chǎn)品測試設備上的車門開關來控制車門控制器的相應功能。

圖12 系統(tǒng)測試框圖

首先是車窗防夾力的測試。以左前車窗為測試對象，多次測試后，防夾成功率在99%以上，并記錄了5個不同點的防夾力，每個點測試了5個數(shù)據(jù)，防夾力變化見表1。

表1 車窗玻璃防夾力變化

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在車窗的不同點進行防夾時，防夾力基本上在80 N以下變化，滿足設計要求。

其次是對后視鏡模塊的功能測試。通過主架位置的開關總成上的物理按鍵來控制后視鏡的折疊與打開、上下左右方向的調(diào)整，以及后視鏡加熱等功能，確保后視鏡各項功能均正常工作。同時測試后視鏡折疊、加熱以及各個方向調(diào)節(jié)時在不同電壓輸入條件下的工作情況和輸出能力，確保輸出信號參數(shù)滿足設計要求。

表2為后視鏡輸出參數(shù)測試結(jié)果。由此可知，測試全部合格。

表2 后視鏡輸出參數(shù)測試

5 結(jié)束語

通過對各個電機電流的檢測，設計了一款多功能車門控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有車窗自動升降及防夾、后視鏡調(diào)節(jié)和加熱、門鎖電動解閉鎖等功能，其中車窗的防夾功能符合GB 7258—2017標準的要求，防夾力普遍低于100 N，且后視鏡電機和門鎖電機均正常工作，達到了智能化控制的目的。