智能隱藏式汽車外開手柄控制系統(tǒng)設(shè)計*

周滿 李冬輝 王立獻 江華僑 曹曉鵬

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.寧波帥特龍集團有限公司，寧波 315000；3.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春 130033）

1 前言

外開手柄是用戶首先觸及的汽車部件[1-2]，傳統(tǒng)手扣式外開手柄受結(jié)構(gòu)外形、功能等因素限制，影響整車美觀性、智能性。為提升汽車外開手柄與整車的協(xié)調(diào)美感及科技感，智能隱藏式外開手柄將成為未來汽車外開手柄的主要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的手扣式外開手柄相比，隱藏式外開手柄使整車車身線條簡約流暢，同時智能式彈出、縮回等功能可極大地提升整車的科技感[3-4]。

但隱藏式外開手柄存在諸多問題[5]，如冬季結(jié)冰無法正常彈出[6]、受噪聲干擾不能完全縮回[7-8]、夾手[9-10]等。為解決上述問題，本文對隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，增加電流及霍爾傳感器，同時增加故障智能檢測及容錯控制功能，提高隱藏式外開手柄的安全性、智能性，降低其故障率。

2 隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)

隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)負責(zé)接收LIN 總線上的控制指令[11]，并控制外開手柄彈出、縮回等，同時通過采集、分析外開手柄狀態(tài)信息，實現(xiàn)智能防夾、自主除冰、堵轉(zhuǎn)保護等功能。隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)主要由直流有刷電機、蝸輪蝸桿減速器、霍爾傳感器和控制器4個部分組成，如圖1所示。

圖1 隱藏式外開手柄執(zhí)行機構(gòu)及控制器系統(tǒng)示意

霍爾傳感器置于電機軸尾部，檢測到電機軸尾部磁鐵磁極變化后，會對外發(fā)送脈沖信號，用于檢測電機的旋轉(zhuǎn)角速度；減速器置于電機軸輸出端，用于增大電機輸出力矩；控制器上設(shè)有電流采樣電路，用于檢測電機母線電流，可實現(xiàn)過流保護功能，避免電流過大而損毀元器件。控制器接收指令信號，同時采集外開手柄的狀態(tài)信息（霍爾信號、電流信號等），并對數(shù)據(jù)進行分析處理，控制電機旋轉(zhuǎn)，帶動減速器旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)蝸輪蝸桿的推出與縮回，最終實現(xiàn)外開手柄的彈出與隱藏。

3 硬件設(shè)計

因隱藏式外開手柄內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊湊，為減小硬件電路板尺寸，同時降低成本，本文選用iND83209處理器，其內(nèi)部集成了3 路獨立可調(diào)的16 位脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、2 路LIN 收 發(fā)器，同時可直接由汽車蓄電池供電，無需額外增加模數(shù)（AD）采集芯片、LIN收發(fā)器、電源管理芯片及外圍電路等，可大幅減小電路板尺寸及降低硬件成本。隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過處理器內(nèi)部集成的LIN收發(fā)器與主機交互，接收LIN總線上的外開手柄控制指令，并對信息進行處理；控制器根據(jù)控制指令，生成PWM 控制信號，發(fā)送至電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；電機運動帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，霍爾器件因磁極方向改變，對外發(fā)出脈沖信號，處理器通過捕獲脈沖信號，進而實現(xiàn)外開手柄的位置及電機轉(zhuǎn)速的估計，實現(xiàn)隱藏式外開手柄的位置控制；處理器自帶AD 采集功能，可采集電機母線電壓，通過電流及外開手柄位置控制可實現(xiàn)智能防夾、自主除冰、堵轉(zhuǎn)保護等功能。

主控電路設(shè)計如圖3 所示。因iND83209 處理器功能集成度較高，采用該處理器設(shè)計隱藏式外開手柄主控電路時外圍電路較為簡單，可極大節(jié)約印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上的空間。

圖3 主控硬件電路圖

因iND83209 處理器主要針對汽車氛圍燈設(shè)計，不具備電機驅(qū)動能力，本文選用MPQ6612 驅(qū)動芯片作為電機驅(qū)動器，其H 橋由4 個N 溝道功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）組成，具備5 A 電流輸出能力，同時具備過壓、過流、過溫等保護功能，滿足項目使用需求。電機驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動電路圖

驅(qū)動芯片具備電機母線電流采集功能，其電壓（VISEN）引腳電流輸出為0.1 mA，通過外接10 kΩ采樣電阻，VISEN 引腳的輸出為1 V/A，主處理器通過采集采樣電阻的電壓，可獲取電機母線電流，實現(xiàn)隱藏式外開手柄系統(tǒng)的電流控制。

4 軟件設(shè)計

智能隱藏式外開手柄控制軟件是系統(tǒng)的核心之一，為簡化設(shè)計且易于工程實現(xiàn)，LIN 信號接收與霍爾信號捕獲均采用中斷觸發(fā)方式，電流采集、幀信息處理、外開手柄狀態(tài)信息處理、故障診斷、系統(tǒng)控制邏輯等均在定時器中斷中進行。

4.1 外開手柄控制流程

外開手柄控制模塊結(jié)合電流狀態(tài)、霍爾脈沖計數(shù)、LIN 通信內(nèi)容等，生成相應(yīng)的電機控制指令，進而驅(qū)動外開手柄彈出、隱藏、停止等動作。外開手柄控制模塊流程框圖如圖5所示。

圖5 外開手柄控制流程框圖

進入定時中斷后，控制器對幀內(nèi)容進行分析處理，解析控制指令；然后，讀取當前霍爾傳感器的脈沖計數(shù)，并采集母線電流；之后，對數(shù)據(jù)信息進行分析處理，分析當前外開手柄的狀態(tài)信息，并結(jié)合故障診斷結(jié)果，進入不同的工作模式，執(zhí)行對應(yīng)控制策略。

本文設(shè)計的智能隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)共有7種工作模式：

a.系統(tǒng)休眠模式。系統(tǒng)休眠模式下，電機進入制動狀態(tài)，PWM管腳均處于拉低狀態(tài)。

b.堵轉(zhuǎn)保護模式。系統(tǒng)診斷到目前電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，且多次運行仍存在堵轉(zhuǎn)，則進入堵轉(zhuǎn)保護模式，電機進入制動狀態(tài)。

c.限位保護模式。系統(tǒng)檢測到霍爾脈沖計數(shù)已達到限位設(shè)定值時，則進入限位保護模式，電機制動，直到控制指令方向發(fā)生切換。

d.自動彈出模式。系統(tǒng)故障檢測無異常，且收到外開手柄彈出指令后，則進入自動彈出模式，由外開手柄位置控制器控制其自動彈出。

e.自動隱藏模式。系統(tǒng)故障檢測無異常，且收到外開手柄縮回指令后，則進入自動隱藏模式，由外開手柄位置控制器控制其自動縮回。

f.智能防夾模式。系統(tǒng)收到外開手柄縮回指令后，在防夾區(qū)域內(nèi)診斷到系統(tǒng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，則進入智能防夾模式，由智能防夾控制器控制其運行，在防夾控制策略執(zhí)行結(jié)束后，若仍存在堵轉(zhuǎn)，則進入堵轉(zhuǎn)保護模式。

g.自主除冰模式。系統(tǒng)收到外開手柄彈出指令后，在啟動區(qū)診斷到系統(tǒng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，則進入自主除冰模式，由自主除冰控制器控制其運行，在除冰控制策略執(zhí)行結(jié)束后，若仍存在堵轉(zhuǎn)，則進入堵轉(zhuǎn)保護模式。

4.2 故障自診斷設(shè)計

隱藏式外開手柄在運行過程中難免存在誤觸發(fā)、夾手、堵轉(zhuǎn)等問題，為提高系統(tǒng)的安全性，對外開手柄狀態(tài)信息進行分析處理，實現(xiàn)其故障自診斷及處理，故障自診斷框圖如圖6所示。

圖6 故障自診斷框圖

故障自診斷主要包括通信幀診斷、過流診斷、電流異常診斷、霍爾異常診斷、堵轉(zhuǎn)診斷5個部分：

a.通信幀診斷。在復(fù)雜工況下（洗車、下雨等），隱藏式外開手柄觸摸板可能誤觸發(fā)開鎖、解鎖功能，為此增加通信幀的診斷功能，系統(tǒng)在10 ms 內(nèi)連續(xù)接收到2幀以上相同內(nèi)容，則認為幀有效，其他情況下將該幀視為無效幀。

b.過流診斷。隱藏式外開手柄在運行中，可能因堵轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)卡滯等導(dǎo)致電流過大，為保護器件安全，同時避免噪聲引起的誤采樣，增加過流診斷功能，系統(tǒng)在0.3 s 內(nèi)電流采樣值持續(xù)高于閾值，則認為發(fā)生堵轉(zhuǎn)，其他情況視為未發(fā)生堵轉(zhuǎn)。

c.電流異常診斷。為避免電流采集模塊異常導(dǎo)致外開手柄故障，同時避免噪聲引起的誤采樣，增加電流異常診斷功能，系統(tǒng)在0.3 s 內(nèi)檢測電機轉(zhuǎn)速不為零，但電流采樣值持續(xù)低于閾值下限，則認為電流模塊異常，需進行維修，其他情況視為無異常。

d.霍爾異常診斷。為避免霍爾異常導(dǎo)致外開手柄故障，增加霍爾異常診斷功能，系統(tǒng)在0.3 s內(nèi)檢測電機轉(zhuǎn)速不為零，但霍爾采樣值持續(xù)為零，則認霍爾模塊異常，需進行維修，其他情況視為無異常。

e.堵轉(zhuǎn)診斷。外開手柄在運行過程中，因卡滯、夾手、限位等，均會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況，為保證系統(tǒng)安全可靠運行，需對堵轉(zhuǎn)原因進行自主診斷分析，并執(zhí)行相應(yīng)的控制策略，提高系統(tǒng)的智能性。

外開手柄彈出過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)時：若堵轉(zhuǎn)位于啟動區(qū)，則執(zhí)行自主除冰操作，執(zhí)行10 次后，若仍檢測為堵轉(zhuǎn)則系統(tǒng)進入堵轉(zhuǎn)保護；若堵轉(zhuǎn)位置不在啟動區(qū)，且不在限位區(qū)，則系統(tǒng)進入堵轉(zhuǎn)保護；若堵轉(zhuǎn)位置不在啟動區(qū)，但位于限位區(qū)內(nèi)，則認為外開手柄已經(jīng)完全彈出，系統(tǒng)進入限位保護。

外開手柄縮回過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)時：若堵轉(zhuǎn)位于防夾區(qū)，則執(zhí)行智能防夾操作，執(zhí)行3 次后，若仍檢測為堵轉(zhuǎn)則系統(tǒng)進入堵轉(zhuǎn)保護；若堵轉(zhuǎn)位置不在防夾區(qū)，且不在限位區(qū)，則系統(tǒng)進入堵轉(zhuǎn)保護；若堵轉(zhuǎn)位置不在防夾區(qū)，但位于限位區(qū)內(nèi)，則認為外開手柄已經(jīng)完全縮回，系統(tǒng)進入限位保護。

系統(tǒng)檢測到有異常情況發(fā)生，或累計20 次連續(xù)發(fā)生自主除冰操作時，認為電流模塊失效，并將錯誤信息反饋至主機。

5 試驗驗證

為驗證智能隱藏式汽車外開手柄控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性，搭建試驗平臺，對其進行功能性測試。主要包括外開手柄彈出與縮回測試、防夾測試、自主除冰測試、堵轉(zhuǎn)測試。試驗設(shè)備主要包括電源、示波器、LIN 設(shè)備、外開手柄控制器等。隱藏式外開手柄控制系統(tǒng)試驗平臺如圖7所示。

圖7 外開手柄控制系統(tǒng)試驗平臺

其中，示波器主要用于檢測電機母線電壓，因電機啟動、停止、正常運行、受阻等情況下電壓存在明顯區(qū)別，可根據(jù)電壓變化確定電機的運行狀態(tài)。

5.1 外開手柄彈出與縮回測試

為驗證系統(tǒng)的彈出與縮回功能，使用LIN設(shè)備向外開手柄發(fā)送彈出及縮回指令，并通過示波器監(jiān)測電機母線上的采樣電阻兩側(cè)電壓，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 外開手柄彈出與縮回測試結(jié)果

由圖8可知，在彈出及縮回過程中，僅啟動時存在電壓脈沖，停止時無電壓脈沖，即電機啟動瞬間存在電流沖擊，同時通過統(tǒng)計霍爾脈沖數(shù)量的方式，使外開手柄運動到指定位置后，機械限位前自動停止，符合設(shè)計要求。

5.2 外開手柄防夾測試

為驗證系統(tǒng)的智能防夾功能，在外開手柄的防夾區(qū)放置一塑料盒，阻止外開手柄縮回。試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 外開手柄防夾測試結(jié)果

從圖9可知，在縮回過程中，共有6次電壓脈沖，第1次、第3次、第5次脈沖為啟動縮回，在縮回過程中，在防夾區(qū)遇到阻力后，外開手柄自動彈出，即產(chǎn)生第2次、第4次、第6次脈沖，彈出運行一定距離，在達到限位前自動停止，此時電壓基本為零，每次彈出保持3 s后再次嘗試縮回，連續(xù)運行3次，若阻力仍然存在則彈出后不再縮回，與設(shè)計的控制邏輯保持一致。

5.3 外開手柄除冰測試

為驗證系統(tǒng)的自主除冰功能，在外開手柄的外側(cè)啟動區(qū)放置障礙物，阻礙外開手柄向外彈出，設(shè)定除冰頻率為25 Hz，通過高頻快速沖擊動作，使外開手柄上的冰層松動，進而實現(xiàn)除冰的目的。試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 外開手柄除冰測試結(jié)果

由圖10 可知，共有10 次電壓脈沖，脈沖高電平持續(xù)時間20 ms，電機在啟動區(qū)遇到阻力后，保持20 ms若外開手柄仍無法彈出則電機制動，此時電壓基本為零，然后再次快速啟動重復(fù)之前的沖擊動作，連續(xù)10 次仍無法彈出，阻力仍然存在則不再進行嘗試，電機進入制動狀態(tài)，此時電壓基本為零，與設(shè)計的控制邏輯保持一致。

5.4 外開手柄堵轉(zhuǎn)測試

為檢驗外開手柄彈出及縮回過程中的防堵轉(zhuǎn)功能，將霍爾計數(shù)值增加，使其超出機械行程，系統(tǒng)檢測堵轉(zhuǎn)電流，并實現(xiàn)外開手柄堵轉(zhuǎn)保護，測試結(jié)果如圖11所示。

由圖11 可知，在彈出及縮回過程中，啟動和停止時均存在電壓脈沖，即在彈出及縮回過程中，發(fā)生電機堵轉(zhuǎn)，形成電壓脈沖，隨后控制電機進入制動狀態(tài)，母線電流為零，避免長時間堵轉(zhuǎn)而燒毀器件，與設(shè)計的控制邏輯保持一致。

圖11 外開手柄堵轉(zhuǎn)測試

6 結(jié)束語

本文為解決隱藏式外開手柄存在的彈出異常、夾手等問題，設(shè)計了具有自主除冰、智能防夾和故障自診斷等功能的外開手柄控制系統(tǒng)，同時從控制系統(tǒng)的功能及控制邏輯的驗證2個方面說明了智能隱藏式汽車外開手柄的控制系統(tǒng)設(shè)計方案可行，能夠根據(jù)主機指令，控制外開手柄彈出與縮回，同時能夠自主診斷外開手柄故障，并執(zhí)行自主除冰、智能防夾、堵轉(zhuǎn)保護等操作，有效解決了隱藏式外開手柄運行中出現(xiàn)的故障，提高了系統(tǒng)的安全性和智能性，下一步將結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)對其性能進行詳細驗證。