车门控制模块的电动车窗的设计

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1、车门控制模块的电动车窗的设计车门控制模块的电动车窗的设计 作者：作者：同济大学中德学院 英飞凌-同济大学汽车电子实验室 吴海燕 吴志红 朱元 刘宋涛 以前曾用机械方法控制的车门系统现在逐渐改成电子控制，越来越多的低端汽车也开始采用电子控制的车门控制系统，利用 CAN 或者 LIN 总线通信技术实现四个车门之间的通信。车窗防夹功能是车门控制系统的难点之一。门控系统具有多种故障诊断能力，能够及时识别出短路、断路、过热、过载等故障。 本文结合汽车车门控制模块设计的项目实践，重点介绍了电动车窗部分的硬件和软件设计。对智能功率芯片 BTS7960在正常运行时的启动特性及故障检测特性进行了研究与分析，并给

2、出了试验结果。 车门控制模块的整体设计车门控制模块的整体设计 图 1 是门控模块的原理框图，其中微控制器 XC164CS 用于控制所有功率器件的开关动作，同时对系统状态进行定时监控，接收合适的故障反馈信号，并通过车载网络（如 CAN 总线）实现与中央车身控制器及其他车门控制器的故障信息和按键控制信息的交换，从而及时在用户界面上显示故障内容并对车门进行实时控制，确保了行车安全。 图图 1 门控模块整体原理框图门控模块整体原理框图 16 位微控制器 XC164CS 基于增强 C166S V2 结构， 结合了 RISC 和 CISC 处理器的优点， 并且通过 MAC 单元的 DSP功能实现了强大的计

3、算和控制能力。XC164CS 把功能强劲的 CPU 内核和一整套强大的外设单元集成于一块芯片上，使得连接变得非常有效和方便。 电动车窗采用两个半桥智能功率驱动芯片 BTS7960B 组合成一个 H 桥驱动，中央门锁、后视镜和加热器的驱动芯片分别采用 TLE6208-3G、BTS7741G 和 BSP752R，车灯的驱动芯片采用 BTS724。这些器件已提供了完善的故障检测及保护功能，因而避免了采用过多的分立元件，大大减小了模块体积，并提高了模块的 EMC（电磁兼容）特性。 车门控制模块的电路主要由以下几部分组成：电源电路、电动车窗驱动电路、后视镜驱动电路、加热器驱动电路、中央门锁驱动电路、车灯

4、驱动电路、CAN 总线接口电路及按键接口电路等。 电动车窗的硬件设计电动车窗的硬件设计 1 电动车窗驱动电路及启动特性 本车窗控制系统通过智能功率芯片 BTS7960 驱动直流电机转动，BTS7960 的接口电路如图 2 所示。图中的引脚7960INH1、7960IN1、7960IS1、7960INH2、7960IN2 和 7960IS2 分别连接到 XC164CS 的 I/0 口 P9.4、P1L.4、P5.6、P9.5、P1L.5 和 P5.7。 图图 2 BTS7960 接口连线图接口连线图 BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片， 它带有一个P沟道的高边MOSFET、 一

5、个N沟道的低边MOSFET和一个驱动 IC。P 沟道高边开关省去了电荷泵的需求, 因而减小了 EMI。集成的驱动 IC 具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960 通态电阻典型值为 16m，驱动电流可达 43A。因此即使在北方寒冷的冬天，仍能保证车窗的安全启动。 如图 3 所示，两片 BTS7960 构成全桥驱动车窗上升或下降。T1 和 T4 导通时，车窗上升；T2 和 T3 导通时，车窗下降。系统没有主动制动过程，车窗移好之后，上管触发信号停，通过该桥臂下管反并联二极管续流，直到电流为 0A。续流过程持续 250ms，足以满足车

6、窗电机大功率的需求。为了避免车窗电机启动瞬间出现电流尖峰，通过对下桥臂开关管进行频率为 20kHz 的 PWM 信号控制，实现软启动功能。 2 BTS7960 故障检测特性 如图 3 所示，BTS7960 的芯片内部为一个半桥。INH 引脚为高电平，使能 BTS7960。IN 引脚用于确定哪个 MOSFET导通。IN=1 且 INH=1 时，高边 MOSFET 导通，OUT 引脚输出高电平；IN=0 且 INH=1 时，低边 MOSFET 导通，OUT引脚输出低电平。SR 引脚外接电阻的大小，可以调节 MOS 管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。IS 引脚是电流检测输出引脚。 图图 3

7、全桥驱动电路示意图全桥驱动电路示意图 BTS7960的引脚IS具有电流检测功能。 正常模式下， 从IS引脚流出的电流与流经高边MOS管的电流成正比， 若RIS=1k,则 V IS=I load/8.5；在故障条件下，从 IS 引脚流出的电流等于 I IS(lim) (约 4.5mA),最后的效果是 IS 为高电平。如图 4所示，图（a）为正常模式下 IS 引脚电流输出，图（b）为故障条件下 IS 引脚上的电流输出。 BTS7960 短路故障实验的实验条件如下：+12.45V 电池电压，+5V 电源供电，2.0m 短路导线（R=0.2），横截面积为0.75 mm，连接 1k 电阻和一个发光二极管

8、。V S 与电池正极间导线长 1.5m（R=0.15）。如图 5 所示，其中 V IS 是IS 引脚对地的电压、V L 是 OUT 引脚对地电压，I L 为发生对地短路故障时，流过 BTS7960 的短路电流。 （a） （b） 图图 4 BTS7960 电流检测引脚电流检测引脚 IS 的工作原理图的工作原理图 无论是先上电后短路还是先短路后上电，BTS7960 都呈现出相同的保护特性，所以下文将只就其一进行讲述。 图图 5 BTS7960 的对地短路实验电路图的对地短路实验电路图 图 6 和图 7 分别为 BTS7960 先短路后上电短路实验波形图的前半部分和后半部分。短路瞬间输出端电流迅速上

9、升，在80s 的时间内，电流上升到峰值，可达 62A 左右。此时，BTS7960 检测出短路故障，关断 MOS 管，输出电流下降直至 0A, 紫色箭头所指部分有明显的关断，图中虚线所夹部分为 MOS 管的关断及维持关断的过程，整个过程持续时间约为 80s。短路导通瞬间，OUT 引脚输出电压为 5V 左右，这是短路导线与电池和地之间的总电阻的分压值；MOS 管关断期间，OUT 引脚输出电压为 0V。在电流急剧下降的瞬间，短路导线上感应出微弱的反向电动势，所以 OUT 引脚输出电压会呈现出短时间负电压。状态检测引脚 IS 在 5V 左右上下波动，其具有随短路电流上下波动的特点。整个短路过程中，BT

10、S7960 周期性的关断 MOS 管，防止短路电流使芯片持续升温，导致芯片过热烧毁，从而有效地保护了芯片。最后，BTS7960 完全关断 MOS 管，短路电流缓降为 0A，IS 管脚在 MOS 管完全关断后约 500s 由自身的冷却恢复至正常电平。 图图 2 BTS7960 短路实验波形图前半部分短路实验波形图前半部分 图图 7 BTS7960 短路实验波形后半部分短路实验波形后半部分 电动车窗的软件设计电动车窗的软件设计 1 驱动芯片 BTS7960 的软件设计 电动车窗部分，在硬件上通过 BTS7960 驱动直流电机转动，使窗上升或下降。采用两片 BTS7960B 构成全桥工作。 BTS7

11、960 与微控制器的接口信号包括 IN1、IN2、INH1 和 INH2；IS1 和 IS2 是电流检测信号。 车窗上升：IN1=1，IN2=0，INH1/2=1；车窗下降：IN1=0，IN2=1，INH1/2=1。 整个驱动过程可分为软启动、满 PWM 输出、续流和停止四个阶段。车窗升降过程通过对下桥臂开关管进行 PWM 控制实现软启动功能，PWM 频率为 20kHz，软启动持续 200ms，在这一过程中，占空比逐渐增大，从 0%增加到 100%，分成 10 段，每段持续时间为 20ms。PWM 信号是施加在下管所在桥臂的 INH 引脚上，该桥臂关断（INH=0）时电流通过上管的反并二极管续

12、流。经 PWM 信号实现软启动后，电动车窗启动时的电流波形如图 8 所示。从图中可以看出，电流尖峰被有效抑制。 本系统没有主动制动过程，车窗移好之后，开关管还会工作大约 250ms，这是续流过程，这期间，上管触发信号停，通过该桥臂下管反并联二极管续流（这时需继续给原来另一桥臂的下管触发信号，如正续流时：IN1=1，INH1=0，IN2=0，INH2=1），直到电流为 0。但是如果出现过热，这种续流过程就不需要了。 电机堵转是不允许的，因为这样会出现过流。BTS7960 自身可以检测开关管的电流，通过 2.2k 的采样电阻电流进行电流/电压转换，采样电压经过简单的 RC 滤波网络，经过一个保护电

13、阻（未加入）送到 AN0/AN1 进行模数转换。当检测到电流大于 15A 时，就可以判断出电机正处于堵转状态，此时微控制器停止触发电机（仍需续流），用户可以重新启动车窗。 车窗部分要检测的故障有上桥臂的两个开关管过热和负载开路。检测方法一是通过 BTS7960 内置的温度检测功能来检测上管的过热，发生过热时器件自动关断所有输出电路，且 IS 引脚输出电平为高；二是需要辅助晶体管检测开路，通过检测 IS 引脚电流值可以实现，需要微控制器提供 CTRLWIN 信号。 图图 8 电动车窗软启动电流波形电动车窗软启动电流波形 2 电动车窗主程序的软件设计 本电动车窗控制系统的软件控制是基于状态的转换。

14、通过比较系统状态与控制命令做出判断，确定出目前系统应该执行的动作。程序中将电动车窗的运行状态做了如下划分：WINDOW_OFF、WINDOW_UP_PWM、WINDOW_UP、WINDOW_UP_FREE、 WINDOW_UP_STOP、 WINDOW_DOWN_PWM、 WINDOW_DOWN、 WINDOW_DOWN_FREE和 WINDOW_DOWN_STOP。当电动车窗处于 OFF 状态，接收到上升或下降的命令，程序会使车窗先进入 PWM 渐增的状态，实现软启动。当达到 PWM 满占空比时，车窗才转入 UP 或 DOWN 的状态。若在 PWM 渐增状态或 PWM 满占空比运行时接收到要让电动车窗停下或要反方向转的命令，程序会让车窗进入续流状态。续流完成，车窗进入 STOP 状态。在任何状态下如果检测到开路或过压等故障，车窗会进入 OFF 状态。