基于TLE7810的車門控制系統設計

汽車技術發展至今，電子控制單元（ECU）已經應用到在汽車內部的各個環節，技術也日趨成熟。作為車身電子的重要組成部分，車門電子自動控制技術的發展也十分迅速。但在實際應用中，凡是電動車窗或車門設備都有潛在的卡死可能，由此便可引發傷人的危險。因此，在門控系統中，車窗防夾設計占有極其重要的位置。

大多數已有的具有防夾功能的電動車門控制產品有一個共性，就是在硬件設計中以MCU為核心，輔之以功率器件、控制電路和相關的通信模塊（CAN或LIN），由這些組件配合共同實現驅動電機、升降車窗、故障識別與診斷等一系列控制功能。但是，這樣的設計往往會遭遇一些技術瓶頸，比如在原理圖設計中，MCU外圍電路的搭建，功率器件的選取，電子元件之間的配合與連線；在PCB板設計中則要考慮眾多器件的布置和安放，煩瑣復雜的走線，以及由此而引發的較差的EMC。這些雖然對系統的總體功能不會產生很大的影響，但會使電路可靠性不高，嚴重者更是故障頻頻；除此以外，大量的電子器件還無形中增加了產品的重量和成本。

針對這方面問題，我們提出了電動車窗設計的另一種解決方案——以英飛凌公司推出的TLE7810芯片為核心，外圍輔之以簡單功能模塊，優化設計的同時也探究了TLE7810功率芯片在電機控制中的作用。

總體設計與方法求解
1 TLE7810芯片特性及其優點
由于此車門控制系統針對非司機側電動車窗設計，因此與司機側電動車窗相比，生產成本盡可能低；而且，非司機側門控系統不要求對后視鏡方向調節、刮雨器、外部車燈進行控制，功能大大簡化。因此，選用TLE7810便可滿足所有要求。

TLE7810是一款具有高集成度的低成本智能功率芯片，它集成了一個支持片上調試功能的可以與8051兼容的8位單片機和一個SBC（System-Basis-Chip）。8位單片機有16K的flash、I/O口、霍爾傳感器接口、10位模數轉換器、帶有傳感器的供電輸出和開關，集成了LIN總線收發器、低電壓校正器LDO、兩個低邊開關（Relay驅動），可以進行片上調試，具備過流保護、看門狗、電壓監視、溫度監視和對MCU的監視和保護功能。TLE7810有兩種低壓喚醒模式：LIN總線喚醒和Wake-up引腳喚醒。

圖1 TLE7810內部結構

圖1是它的結構模塊。可以看出，對非司機側車窗的電子控制，TLE7810不僅能夠滿足各項指標和要求。而且，“一芯兩核”的特點簡化了原理圖設計和PCB的走線，同時還可降低成本。

2 車窗電機驅動控制設計
基于TLE7810自身特點，設計的總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

12V的VBAT電壓同時接TLE7810和執行電機以供電，TLE7810中的8位單片機通過LIN總線與主控制器（司機側）通信，它的兩個低邊開關與Relay連接以控制開關的接通與關斷，進而驅動H橋控制電機。霍爾傳感器TLE4966采集電機工作信息作為反饋送回MCU。反饋的內容包括電機位置和轉動方向兩個信息，以便更加精準地記錄的電機工作情況，進而對車窗升降和電機的堵轉進行控制和識別，提高工作性能。此外，PWM調壓方式作為可選配置也列入設計范圍。

圖3 TLE7810引腳連接方式

圖4 TLE4966霍爾傳感器外圍電路與接法

圖5 ULINK關引腳輸入

圖6 Relay控制

圖3所示為TLE7810的引腳連接方式。
TLE7810的輸入大體可分為三部分。第一部分為MON1-MON4的按鈕采樣輸入，按鈕安裝在車門內側，當乘客對其進行操作時，發出的控制信號通過這四個口送至MCU從而喚醒單片機。第二部分為P2.0、P0.3和SUPPLY對應的SPEED、DIR和SUPPLY霍爾信號輸入，這部分功能是接受霍爾傳感器TLE4966（見圖4）實時反饋回來的電機工作狀態信息。通過這幾個引腳，MCU能夠及時識別電機工作情況，并據此發出控制指令驅動或停止電機運行，從而應對電機工作的各種突發狀況，因此這部分輸入非常重要。第三部分是ULINK相關引腳輸入，這部分與JTAG連接（見圖5），用于程序下載。

TLE7810的輸出引腳主要輸出開關信號，控制Relay（見圖6）進而驅動電機。這部分引腳主要是用以驅動高邊LED的MON5高邊開關，兩個低邊開關LS1和LS2連接Relay，用以驅動H橋控制電機轉向。
還有一些引腳，如LIN用來與上位機進行通信，PWM用來起動電機，RESET、VBAT、VS等構成TLE7810的最小系統。

圖7 防夾程序流圖

電機控制程序流程如圖7所示，當采樣到按鈕信號或由上位機通過LIN發過來的控制指令時，MCU被喚醒，調入電機控制程序。電機控制車窗運行有兩種模式——上升或下降。在每一種模式執行過程中，如果采集到由按鈕發出的執行反方向運行信號時，程序控制電機立即切換到另一種運行模式。在上升模式中，有兩種情況使得電機發生堵轉，即玻璃上升置頂和上升過程中遭遇防夾力，這兩種情況的區別判斷主要是電機驅動車窗上邊緣至窗頂距離d是否位于4mm處。當d≥4mm時，程序調用防夾函數，否則停止電機運轉。在下降模式中，阻力主要來自車窗運行至底部的阻擋力，所以直接停止電機即可。

車窗防夾驗證與結果
按照現行慣例，本項目實驗為電機配備了雙霍爾傳感器來感應電機是否受到了阻力。并且為了完善實驗條件提高實驗精度，實驗中使用了力傳感器來設置和測定防夾力的大小。它的好處是通過與防夾力標準的對比，確保每個位置的防夾力在不同電壓下都小于100N（汽車廠的標準）。

圖8 車窗防夾實驗測得的力和電流曲線

實驗步驟總體上可分為三步：一、按動按鈕使電機驅動車窗玻璃舉升；二、在車窗玻璃上升過程中為其施加一個反方向力模擬防夾力；三、觀察玻璃運動情況，即電機工作情況，記錄相關波形。

圖9 電流與霍爾關系波形

整個過程中所記錄的防夾力與電機電流波形如圖8所示。黃線是車窗玻璃的受力情況，紅線為電機電流變化曲線。車窗玻璃在上升過程中，電機電流為正，定義為正轉（圖中所示電流零點偏置9.9A），即車窗玻璃上升方向。在電機舉升車窗過程中施加防夾力，黃線迅速向上爬升100mV。這里需要說明的是，按照傳感器給出的比例關系：
防夾力(N):電壓(mV)=0.3
本實驗中黃線的100mV應對應30N的防夾力，ECU成功地識別出這個障礙并做出反應，由程序控制電機停轉200ms，在此期間電流為零，防夾力依然作用于車窗玻璃。200ms后，程序控制電機反方向旋轉驅動車窗玻璃向下運動，電流為負，待下降200mm后電機停止旋轉，電流為零，整個實驗過程結束。圖9是突然對車窗玻璃施加防夾力這一瞬間電流和霍爾傳感器信號之間的變化關系。從圖中波形可以清楚的看出，在電流爬升過程中，由于電機轉速下降，霍爾采集的信號周期增加，電機停轉后，電流陡降，霍爾周期隨之變為無窮大。
　　
結語
通過一系列試驗可以得出，在正常情況下，TLE7810的防夾力基本可以做到20N，這樣就可以有80N富裕（100～20N）來應對車窗變形、或者其他不可預測障礙造成的力。防夾力度可預先設定及調整，可適應隨環境因素而改變的車窗阻力以穩定防夾功能，自動校正車窗末端以確保車窗準確地開關，電機超載電流保護，漸進式電機啟動及停止操控，低耗電模式、兼備手動及自動車窗控制模式，整合式設計便于安裝及降低成本，備有完善斷電及故障保護。