劉建松，徐洋，譚偉，江松，熊秋涵

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

0 引言

汽車車門控制器是汽車上一個(gè)至關(guān)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(dòng)汽車，都離不開(kāi)車門控制器這一零部件。同時(shí)，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(gè)關(guān)乎生命與安全的關(guān)鍵部件[1]。所以車門控制器的研發(fā)和改進(jìn)一直是汽車零部件企業(yè)中一項(xiàng)具有廣闊前景的產(chǎn)業(yè)。文中將整個(gè)車門控制系統(tǒng)分為車窗、后視鏡、門鎖三大模塊分別進(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)與選型，其中車窗的控制邏輯較為復(fù)雜，功能也最多，所以將進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

文中設(shè)計(jì)車門控制系統(tǒng)采用的四控制器形式。整個(gè)分布式車門控制系統(tǒng)由前后左右4個(gè)門模塊(DCM)組成[2]。兩個(gè)前門模塊通過(guò)CAN總線連接至整車CAN網(wǎng)絡(luò)上，兩個(gè)后門控制模塊則通過(guò)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(gè)DCM通過(guò)響應(yīng)各開(kāi)關(guān)按鍵的輸入控制信號(hào)來(lái)控制4個(gè)車門上的各個(gè)功能，形成一個(gè)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(duì)集中控制的主控開(kāi)關(guān)，即可以對(duì)右前后視鏡，以及汽車前后左右4個(gè)車窗進(jìn)行控制，且對(duì)各個(gè)車門操作在汽車的行進(jìn)中起到失效狀態(tài)，達(dá)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(duì)右前門后視鏡、門鎖、車窗的動(dòng)作控制功能。同時(shí)，在主控開(kāi)關(guān)上還設(shè)有運(yùn)行故障指示、車窗升降指示、門鎖運(yùn)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(gè)指示LED。由于車窗、后視鏡、門鎖的執(zhí)行器均為電機(jī)，因此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，電流值適時(shí)地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)反饋給控制器，可通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電流來(lái)判斷電機(jī)工作中的位置以及故障情況。

圖2 車窗電機(jī)電流檢測(cè)

其中，車窗自動(dòng)上升時(shí)還具有防夾功能，即在玻璃上升過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，會(huì)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(dòng)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)器，使其能夠多角度進(jìn)行后視鏡上下、左右的調(diào)整。當(dāng)車輛在雨天或霧天行駛過(guò)程時(shí)，霧氣和雨會(huì)造成后視鏡模糊，影響駕駛?cè)艘暰€。駕駛員可通過(guò)開(kāi)啟后視鏡內(nèi)部已配備的加熱除霜裝置，進(jìn)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(guò)讀取車門開(kāi)關(guān)或鑰匙開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)來(lái)解鎖汽車車門。

2 硬件設(shè)計(jì)

車門控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體要求是控制界面簡(jiǎn)潔、功能便于實(shí)現(xiàn)、具有較好的穩(wěn)定性和通用性，最大化地降低設(shè)計(jì)成本。其設(shè)計(jì)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(jī)為系統(tǒng)處理核心。該芯片具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是適用于汽車的專用芯片。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架

由于車門控制系統(tǒng)功能復(fù)雜，單靠系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片的部分驅(qū)動(dòng)能力，完全無(wú)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(diǎn)檢測(cè)指示燈、鎖車指示DCM燈、后視鏡加熱、后視鏡折疊/復(fù)位、后視鏡調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)照明等一系列功能控制上需用額外一顆驅(qū)動(dòng)芯片加以輔助驅(qū)動(dòng)。

2.1 電機(jī)電流處理電路(車窗)

電機(jī)電流處理電路如圖4所示(以左前窗為例)，主要包括兩個(gè)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(jī)電流中的高頻信號(hào)和雜波，盡可能地降低或消除其在對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行分析和處理的過(guò)程中帶來(lái)的影響;差分放大部分采用的是運(yùn)算放大器，將采集到的電流信號(hào)經(jīng)放大后輸入給MCU進(jìn)行軟件算法的處理[4]。

圖4 電機(jī)電流處理電路

2.2 車窗電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

車窗電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示(以左前窗為例)，主要包括達(dá)林頓晶體管陣列芯片、繼電器和采樣電阻(10 mΩ)3個(gè)部分，外接兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是單片機(jī)輸出的按鍵信號(hào)，作為繼電器驅(qū)動(dòng)芯片的輸入;另一個(gè)是繼電器的輸出信號(hào)，用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)還作為電壓反饋信號(hào)被單片機(jī)的ADC端口采集，目的是為了檢測(cè)繼電器是否異?；螂姍C(jī)的工作是否為繼電器驅(qū)動(dòng)所致，主要用于繼電器黏滯檢測(cè)[5]。

圖5 車窗電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 后視鏡驅(qū)動(dòng)電路

L9949是ST公司為汽車電子應(yīng)用而專門開(kāi)發(fā)的車門H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片[6]，設(shè)計(jì)中選用它作為車鎖電機(jī)和后視鏡電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片和單片機(jī)之間采用SPI的通信方式，將最大化保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(dòng)芯片還配有一個(gè)高端輸出OUT6，它可以驅(qū)動(dòng)大功率的用電器如后視鏡加熱電阻絲。

圖6 后視鏡驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序和子程序兩部分。軟件主程序主要用來(lái)完成系統(tǒng)工作過(guò)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(wù)子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機(jī)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(dāng)中較為復(fù)雜的部分，該模塊不僅需要配備多個(gè)控制按鈕以及多個(gè)工作命令信息的輸入，而且還囊括了車輛所有車窗電機(jī)、門鎖電機(jī)、后視鏡的工作信息輸入輸出。正是因?yàn)槠渚哂羞@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(diǎn)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(chǔ)槽、藥劑計(jì)量添加泵、稀硫酸儲(chǔ)槽等。尾氣由脫硫塔底部進(jìn)入，經(jīng)噴淋和填料吸收，與雙氧水溶液充分接觸和反應(yīng)，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(jìn)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(jìn)入濕式電除塵器后達(dá)標(biāo)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(wù)子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機(jī)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(dòng)車窗防夾功能的實(shí)現(xiàn)需要先確定兩個(gè)核心問(wèn)題：一是車窗位置的精確判斷；二是夾物力的判斷。

電動(dòng)車窗防夾的設(shè)計(jì)要求，要通過(guò)不斷地檢測(cè)電動(dòng)車窗電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度電流，以及玻璃上升下降位置，從而通過(guò)足夠多的數(shù)據(jù)來(lái)分析確定電動(dòng)車窗是否進(jìn)入防夾區(qū)、是否識(shí)別到障礙物，以此來(lái)判斷輸出工作命令，并決定是否對(duì)電動(dòng)車窗實(shí)施防夾操作[7]。

此外，受到電機(jī)電流的影響，其電動(dòng)車窗會(huì)產(chǎn)生固定數(shù)量的紋波脈沖，由此發(fā)現(xiàn)，紋波脈沖個(gè)數(shù)與車窗玻璃的行程呈線性關(guān)系。圖7為電機(jī)電流下的紋波脈沖信號(hào)，可以計(jì)算玻璃整個(gè)行程的脈沖個(gè)數(shù)，取相對(duì)值，從而獲得玻璃的具體位置信息。

圖7 紋波脈沖信號(hào)

車窗在上升過(guò)程中遇到外界阻力時(shí)，電機(jī)電流變化非常明顯。所以，可以根據(jù)電流的變化情況來(lái)進(jìn)行防夾檢測(cè)，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

從圖8可知，當(dāng)電動(dòng)車窗識(shí)別到障礙物出現(xiàn)時(shí)，其電流變化很明顯(圖中A、B、C三點(diǎn))，且電流的大小與所受到的阻力成正比關(guān)系(A點(diǎn)阻力>B點(diǎn)阻力>C點(diǎn)阻力)，但是，所遇阻的電流變化斜率是遠(yuǎn)小于堵轉(zhuǎn)時(shí)的斜率，且電流值也小于電機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)的值。根據(jù)上述遇阻電流的特性，可以采取面積積分法來(lái)判斷車窗是否遇阻：所謂面積積分法[8]，就是在電機(jī)電流曲線上取一段時(shí)間Ts，對(duì)橫軸(時(shí)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(gè)時(shí)間內(nèi)，面積積分S大于防夾閾值S0(通過(guò)多次試驗(yàn)取平均值的方法求出車窗受堵時(shí)的面積閾值，可通過(guò)自適應(yīng)算法自動(dòng)更新)，則判斷為車窗受阻而進(jìn)行防夾操作。

假設(shè)有一底邊固定為Ts，高度可變并能沿時(shí)間軸移動(dòng)的矩形框，它底邊的位置是由Ts時(shí)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(shí)間為t0，此時(shí)電流為I0；結(jié)束時(shí)間為t1，此時(shí)電流為I1；任意時(shí)間t對(duì)應(yīng)的底邊方程為：

I(t)=min(t),t0

(1)

在確定的時(shí)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(shí)間T內(nèi)S>S0，則判斷車窗受堵，并執(zhí)行相應(yīng)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(jī)，在設(shè)計(jì)上，采用的是組合式開(kāi)關(guān)，組合開(kāi)關(guān)由左右后視鏡和上下、左右角度組合而成，駕駛員通過(guò)組合式開(kāi)關(guān)，即可實(shí)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(jí)安全件，設(shè)計(jì)選用直流電機(jī)來(lái)作為門鎖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)檢測(cè)狀態(tài)信號(hào)來(lái)控制門鎖的開(kāi)閉，即中控鎖的解閉鎖、童鎖的解閉鎖等動(dòng)作。門鎖控制模塊還設(shè)計(jì)5個(gè)獨(dú)立的微動(dòng)觸點(diǎn)，即車門打開(kāi)和關(guān)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(dāng)中央門鎖處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，其門鎖是無(wú)法上鎖的，或是門鎖處于失效狀態(tài)；當(dāng)中央門鎖安全鎖處于打開(kāi)狀態(tài)，其門鎖不具有安全鎖功能，安全鎖電機(jī)處在關(guān)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(cè)試與驗(yàn)證

在文中設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)一臺(tái)連接器設(shè)備和負(fù)載設(shè)備，將前后車門控制器連接到同一臺(tái)測(cè)試設(shè)備上。通過(guò)相應(yīng)的車門控制開(kāi)關(guān)和上位機(jī)軟件來(lái)發(fā)送模擬或數(shù)字消息給各個(gè)控制模塊，不僅能夠方便地測(cè)試單個(gè)車門控制器的功能，還可以檢驗(yàn)前后車門控制器間的匹配度，以便及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行相應(yīng)的改善。

圖12是系統(tǒng)測(cè)試框圖，使用上位機(jī)軟件，通過(guò)Vector公司的CAN診斷工具來(lái)測(cè)試與診斷連接前后車門控制模塊。可以連接在產(chǎn)品測(cè)試設(shè)備上的車門開(kāi)關(guān)來(lái)控制車門控制器的相應(yīng)功能。

圖12 系統(tǒng)測(cè)試框圖

首先是車窗防夾力的測(cè)試。以左前車窗為測(cè)試對(duì)象，多次測(cè)試后，防夾成功率在99%以上，并記錄了5個(gè)不同點(diǎn)的防夾力，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試了5個(gè)數(shù)據(jù)，防夾力變化見(jiàn)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(diǎn)進(jìn)行防夾時(shí)，防夾力基本上在80 N以下變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

其次是對(duì)后視鏡模塊的功能測(cè)試。通過(guò)主架位置的開(kāi)關(guān)總成上的物理按鍵來(lái)控制后視鏡的折疊與打開(kāi)、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(xiàng)功能均正常工作。同時(shí)測(cè)試后視鏡折疊、加熱以及各個(gè)方向調(diào)節(jié)時(shí)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(hào)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

表2為后視鏡輸出參數(shù)測(cè)試結(jié)果。由此可知，測(cè)試全部合格。

表2 后視鏡輸出參數(shù)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各個(gè)電機(jī)電流的檢測(cè)，設(shè)計(jì)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(dòng)升降及防夾、后視鏡調(diào)節(jié)和加熱、門鎖電動(dòng)解閉鎖等功能，其中車窗的防夾功能符合GB 7258—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，防夾力普遍低于100 N，且后視鏡電機(jī)和門鎖電機(jī)均正常工作，達(dá)到了智能化控制的目的。