一种高性价比的电动车窗控制器设计

摘 要 结合汽车车门控制模块设计的项目实践，介绍了一种高性能的智能功率芯片TLE7810，并从软件和硬件方面详细阐述了它在低成本电动车控制器中的应用。最后，对电动车窗的防夹功能及其实现方法进行了简单介绍。
关键词 智能功率芯片 TLE7810 防夹

    随着汽车的日益普及，消费者对汽车舒适性的要求也在不断提高。越来越多的汽车开始选择使用单片机为核心的电动车窗控制系统。近十年半导体技术和嵌入式系统的不断发展，使生产商在花费较低成本的同时充分满足消费者对电动摇窗机安全性和舒适性提出的要求。运用单片机控制的电动车窗可以实现对车门各种状态的识别和保护。此外，运用单片机能够进行脉宽调制(PWM)，使用PWM的电机驱动方式可以延长电机使用寿命，并提高车窗升降的性能，降低运行噪声。CAN、LIN等网络总线系统使汽车的模块化设计和模块之间的交互通信得以实现。
    如今，新一代的智能功率器件正在悄然兴起。这类功率器件融合了单片机的控制功能和功率器件的驱动能力，一方面降低了控制器的生产、设计成本，另一方面使电路更为紧凑，提高了控制器的电磁兼容性能。本文结合汽车车门控制模块设计的项目实践，介绍了一种基于智能功率芯片TLE7810的低成本电动车窗硬件和软件设计，并对电动车窗的防夹功能进行了简单介绍。

1 车门控制模块的整体设计
    图1是汽车门控模块的原理框图。智能功率器件TLE7810整合了1个8位单片机、1个功率器件以及1个LIN总线驱动器。TLE7810的两个低边开关可以用来控制继电器的初级线圈，进而控制继电器组成的H桥，实现电机正转和反转，即控制了车窗的上升和下降。另一方面单片机产生的PWM信号可以控制连接在车窗电机回路接地端的绝缘栅型场效应管(MOSFET)的快速通断，从而控制电机回路的通断，避免了电机在刚启动的那段时间里满载运行，也就是所谓的电机软启动，同时实现了电压PwM控制。除此之外，电流传感器和霍尔效应传感器还能将电机的运行状态和运行位置及时反馈给单片机，保证了系统运行的鲁棒性(参见图3)。

2 电动车窗的硬件设计
2．1 逻辑控制和外部通信
    功率器件TLE7810内部集成了1块8位单片机芯片、1块功率器件芯片以及1块LIN总线驱动芯片。正是由于TLE7810有着如此高度集成的结构，因此几乎承担了整个控制器全部的逻辑控制和电路驱动任务。TLE7810共有28条引脚，内部通过同步串行端口(SPI)连接。
    TLE7810内嵌入的8位单片机基于标准的8051架构开发，增加了系统外设并提高了处理器的运算能力，能够实时地对电机电流、电池电压等信号进行采样，接收故障信号和判断车窗运行状态。单片机通过高速SPI发送命令给功率器件，接收来自功率器件的诊断信息。同时，单片机的异步串行通信接口连接到功率器件的LIN驱动芯片，进而与外部LIN总线相连，与其他模块进行通信，以保障行车安全。
    TLE7810内部的功率器件功能十分强大，它包括：
    ◆单片机和霍尔传感器的驱动电源；
    ◆接收来自单片机的SPI指令，控制两路低边开关和一路高边开关的动作，通过SPI返回诊断信息；
    ◆五路唤醒输入；
    ◆控制单片机复位的看门狗定时器；
    ◆温度／电源电压传感器；
    ◆LIN驱动芯片。
2．2 功率芯片的驱动电路
    图2所示的是TLE7810的外部电路。VS是电源电压采样输入端口。TLE7810芯片内部集成了一个1：8的运算放大电路，可以对O～40 V之间的电压进行A／D采样。端口MON5是一个高边开关，可以作为LED的驱动电源以指示控制器工作状态。端口MONl、MON2、MON3、MON4连接控制车窗运行的按钮。在某些状态下，TLE7810将进入低功耗的睡眠模式，而这些按钮则可以将系统唤醒。

2．3 电机驱动电路
    图3是车窗控制器的电机驱动电路。由于TLE7810输出的电流不足以直接驱动车窗电机，故由TLE7810的低边开关驱动继电器，再由继电器组成的H桥来操纵车窗上升或下降。而在继电器的接地端串接了一个MOS—FET，由8位单片机捕获比较模块产生的PWM波形控制，可以实现电机的软启动，提高电机运行性能和延长电机使用寿命。

2．4 电机转速和电流采样
    在控制电机的H桥的低边串联了一个O．01Ω的采样电阻，采样电阻的电压通过一个放大比例为21倍的运算放大电路连接到单片机的A／D转换输入口，以检测电机运行时的电流，识别电机的堵转、开路和短路等状态。由于TLE8710内部的A／D转换器精度为lO位，所以对应电流的计算公式如下：

   
    因此，假设电机堵转电流为10 A，参考电压5 V，当采样结果大于430时，则可以认为电机发生了堵转。出于保护电机的目的，程序将自动关断电源，电机进入惯性制动状态。
    此外，为了实现车窗的防夹功能，控制器采用了一个双霍尔式传感器TLE4966判断车窗的位置和电机转速。电机的转子轴上端安装了一个直径约2 cm的磁环。而车窗控制器的PCB板被设计成如同手枪的形状，在PCB板下侧有一个长约3 cm的突出部分，其顶端放置有霍尔传感器，以便插入电机中，这样便可以靠近磁环，利用霍尔效应测得电机的位置和转速大小。当电机转动时，磁环也随之产生交变的磁场。转子每转过一周，霍尔传感器就输出一个周期性的方波信号。单片机的比较捕获模块在霍尔信号的下降沿到来时产生中断，记录下此时时间寄存器的值，利用前后相临两次值的差，便可以计算出方波信号的周期，从而获得电机转速。
    由于TLE7810的高集成度和专用性，整个系统电路简单可靠。这里采用的芯片数量极少，控制器的EMC性能也得到了极大的提高。

3 电动车窗的软件设计
    程序使用一个具有自动重载功能的16位定时器作为主定时器，每20 ms定时器溢出，中断服务程序置20 ms标志位。在主程序中，单片机不断查询定时器的标志位，周期性执行A／D采样、扫描命令端口、调用电机控制函数以及LIN通信等任务。
3．1 车窗电机的控制
    如图4所示，程序初始化完成后，电机进入关断状态。在按键端口扫描到上升(或下降)按键输入的控制命令后，主程序调用电机控制函数，电机进入PWM软启动。PWM启动分为10步，每步时间为20 ms，占空比从10％逐渐递增到100％。随后电机进入上升(或下降)状态。若此时控制器接收到停止、下降(或上升)命令，或是发生堵转，则电机进入200 ms的惯性制动阶段，此时PWM占空比为0，MOSFET关断。这个阶段结束之后，电机进入上升(或下降)停止状态，如果此时按键停止、下降(或上升)命令，电机进入关断状态。

    如果电机在上升(或下降)过程中，采样电流超过了短路保护的限定值，则认为此时发生了短路故障，电机将直接进入上升(或下降)停止状态，防止由于电流过大而烧毁电机。
    如果电机运行过程中，电流远小于正常运行的电流，则可以判断发生了开路故障，此信息将通过LIN总线反馈给上位机，从而方便地进行故障的诊断和排除。
3．2 车窗防夹功能
    为了防止车窗在自动上升时发生夹伤乘客的事故．在控制器中设计了防夹功能。当车窗玻璃运行在防夹区域内(距离顶部200～4 mm)，程序根据霍尔传感器的信号计算电机转速，判断车窗是否遇到障碍物。如果遇到障碍物则发出下降指令，实现保护功能。防夹实验结果如图5所示。

结 语
    该电动车窗控制器采用了英飞凌新一代智能功率器件，充分利用了片上资源，降低了系统的设计和生产成本。而控制器的短路、开路检测功能和防夹功能，也在提高驾驶舒适性的同时，提高了系统的可靠性，保证了行车安全。