汽车自动天窗控制单元的设计与实现

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 汽车自动天窗控制单元的设计与实 现 摘 要：针对目前汽车天窗及其 防夹功能存在的隐患，文中设计了以 STM8AF6288 作为主控芯片的汽车自动 天窗控制单元。该控制单元通过操作开 关来控制天窗运行。继电器闭合对天窗 机构进行驱动，实现天窗的平移打开、 平移关闭、起翘打开、起翘关闭、防夹 回退等控制功能。一体式电机控制单元 代替传统的分体式电机控制单元，使得 安装更加方便、简单，节省空间，同时 也大大降低了成本。 中国论文网 /8/view-12869595.htm 关键词：天窗；控制器；电机； 继电器；防夹 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号：TP391.1 文献标识 码：A 文章编号：2095-1302（2017） 02-0-03 0 引 言 随着汽车电子技术的发展，人们 对汽车的安全性和舒适性提出了越来越 高的要求，汽车自动天窗已经成为轿车 上的重要部件，它可以有效改善车内的 空气环境和采光。天窗在给人们生活带 来舒适感的同时也暴露了其所存在的问 题，如经常在各种媒体上看到的天窗夹 人、天窗关闭不严等问题1。为了保证 人身安全（尤其是小孩） ，急需解决天 窗存在的问题。 文中设计了一种适用于汽车自动 天窗的防夹控制单元，集控制器 PCBA 板和电机于一体，通过一系列机械结构 将电机的正、反转动作转换为天窗的打 开和关闭动作。通过一定的算法并结合 传感器信号进行位置探测，精度高，安 装方便，生产成本低，寿命长且具备防 夹功能2。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 1 系统硬件设计 电路设计是硬件系统的核心，对 于硬件电路设计来说，要优先保证系统 的稳定性。系统的硬件设计结构框图如 图 1 所示。汽车自动天窗的电子控制系 统主要由 ECU（电子控制单元） 、天窗 电机、天窗软轴、天窗开关等组成。其 机械原理是电机安装在天窗前部的框架 上，电机齿轮旋转时，天窗玻璃组合受 到软轴的拉动实现打开、关闭及起翘。 控制系统设计包括核心控制的 MCU 模 块、电源电路、继电器驱动电机电路、 霍尔元件电路以及 LIN 通讯等。 1.1 MCU 模块设计 根据汽车自动天窗控制系统的功 能需求，控制器 MCU 模块硬件电路采 用 ST 公司的 8 位汽车专用 STM8A 系 列作为主控制芯片。该芯片为汽车级芯 片，能够满足汽车控制器对工作环境的 各种苛刻要求，同时提供足够的硬件资 源和较快的运行速度3。芯片性能的好 坏对整个系统的功能实现存在很大的影 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 响。STM8A 是一款专用于满足汽车应 用的特殊需求的 8 位 Flash 微控制器4。 具有集成式数据 E2PROM，16 MHz 和 128 kHz 的 RC 振荡器，并且在 16 MHz 的频率下可以实现 10M IPS 的性能，有 独立的看门狗定时器、时钟安全系统、 电源掉电复位，可以执行 CAN 和 LIN 通信，其供电电压为 5 V，并可通过集 成收发器连接到网络上。MCU 芯片的 管脚定义图如图 2 所示。 1.2 继电器驱动模块设计 汽车自动天窗运行的控制对象是 工作额定电压为 13.5 V，额定电流为 2 A 的直流小电机。该电路设计采用 NPN 三极管，当输入为 0 V 时，三极管截止， 继电器线圈无电流流过，继电器关闭 （OFF） ；相反，当输入为某一电压时， 三极管饱和，继电器线圈有电流流过， 继电器导通（ON）5。ECU 单元通过 继电器控制电机的正反端，当正端接通 电源正极，负端接通电源负极时，电机 正传，天窗动作为起翘关闭和水平打开； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 当正端接通电源负极，负端接通电源正 极时，电机反转，天窗动作为起翘打开 和水平关闭。ECU 通过判断继电器的开 闭状态来判断天窗的运行位置，并且防 夹功能只有在水平关闭和起翘关闭过程 中才有效。集控制器 PCBA 板和电机于 一体，通过一系列机械结构将电机的正、 反转动作转换为天窗的开闭。 继电器驱动模块主要电路原理图 如图 3 所示。当输入 INPUT 电压变为 0 V 时，三极管由饱和变为截止，此时继 电器电感线圈中的电流便失去了流通通 路，若无续流二极管 D1，则将在线圈 两端产生较大的反向电动势，极性为下 正上负，电压值高达一百多伏。这个电 压加上电源电压一起作用在三极管的集 电极上足以损坏三极管。故续流二极管 D1 的作用是将这个反向电动势放电。 1.3 电源管理模块设计 设计电源管理系统必须考虑输出 的电压、电流和功率；输入的电压、电 流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 电磁干扰；体积限制；功耗限制及成本 限制等6。系统对电源的稳定性要求很 高，所以要采用 LDO 稳压芯片。控制 单元设计的核心是确定电源要求并选择 合适的电源方案。适合控制器的电源包 括线性电源（或称线性稳压器）和开关 电源（或开关稳压器） 。在车身控制模 块的供电电源方面，中国市场上所售的 汽车中，轿车一般采用 12 V 电源7 ， 本设计推荐使用 ST 公司的 5V 稳压芯 片 L5150BN。图 4 所示为 L5150BN 的 应用电路，电路中的电容器也起到稳压 作用。系统采用线性电源稳压电路的供 电电压为 12 V，用于电机和继电器工作。 MCU 芯片的工作电压为 5 V，使用稳压 电路，将 12 V 电源电压转变为 5 V，为 MCU 内部各模块提供 5 V 电源。 1.4 LIN 通信模块设计 天窗的通信不需要较大的带宽或 实现复杂的功能，因此选择经济型的串 行通讯总线LIN 总线。在设计中， 描述了推荐的 LIN 主/从节点收发器及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 其外围集成电路。接口电路的示意图如 图 5、图 6 所示，其中，LIN 收发器采 用 TJA1021 芯片。它是专用于 LIN 总 线的物理层接口器件，完全兼容 LIN2.0 协议，LIN 网络波特率最大不超 kb/s，且具有非常低的电磁辐射和良好 的电磁兼容性。 LIN 总线输出管脚通过一个内部 上拉电阻输出高电平。在主机应用中， 管脚 INH 或管脚 VBAT 与管脚 LIN 之 间必须串联一个外部电阻和二极管。接 收器在 LIN 总线输入管脚检测数据流并 通过管脚 RXD 发送到微控制器。在睡 眠模式中，TJA1021 的功率消耗非常低； 在故障模式下，功率消耗极低8。 LIN 既可基于 MCU 自带的 UART 模块也可基于独立的 LIN 控制器 实现。与车身控制器 BCM 进行通信， ECU 通过 LIN 线检测车速信号，天窗 控制器通过 LIN 线更新天窗状态。为了 使主从节点之间能够进行正常通信， LIN 主节点需要一个上拉电阻。在 ECU -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 与 BCM 的通信过程中，BCM 为主模式， ECU 为从模式。通信流程均为 BCM 发 起询问，ECU 应答。 2 系统软 件设计 软件设计是控制系统功能实现的 关键。主要包括所有底层驱动功能的实 现、LIN 总线通信层的实现和算法实现。 LIN 通信协议程序主要负责与 BCM 交 互9，例如 ECU 进行错误检测后，通 过 LIN 总线将错误信息发送给 BCM， BCM 做进一步处理。汽车自动 天窗控制单元的软件实现流程如图 7 所 示。 3 实验 3.1 高温高湿耐久性试验 试验条件及技术要求如下： （1）试作模拟实车装配状态； （2）逐步升高恒温箱温度至 （852），湿度调节为（855）%， 放置 1 小时； （3）通电后，马达正转 10 秒， 反转 10 秒，休息 30 秒，此过程为一循 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 环，运行 1 000 小时。试验过程及记录 如下： （1）试验前对样品外观功能进 行检查，样品外观功能均正常； （2）将样品放入恒温恒湿试验 箱中，设置试验温度为 85，湿度调节 为 85%，持续放置 1 小时，然后为样品 通电，持续运行 1 000 小时； （3）试验完后取出样品，常温 下放置 2 小时后检查，发现样品外观清 洁无气泡、无毛刺，正常运行。 3.2 叠加交流电压测试 试验条件及技术要求如表 1 所列。 试验过程及记录如下： （1）试验前对样品外观功能进 行检查，样品外观功能均正常； （2）将样品接入汽车瞬变脉冲 测试系统，设置试验参数，试验电压范 围 14 V18 V，频率范围从 50 Hz 到 20 kHz，120 s 一个循环，持续 5 个循 环； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 （3）试验完对样品进行测试， 样品外观功能正常。 3.3 防夹测试试验 用 12 V 的直流电源给天窗电机 供电，将样件安装到电机中后上电。按 住测试板的 Close/Tilt Up（平移关闭/起 翘打开）按键超过 7 s，天窗便从当前 位置进入硬起翘位置，再进入软零点， 完成初始化。通过点触按压测试板 Open/Tilt Down（平移打开 /起翘关闭） 按键、Close/Tilt Up 按键可使天窗经历 一个完整行程，此行槭翘齑胺兰辛 习过程。设置夹力测试计不超过 100 N，通过 Close/Tilt Up 按键、Open/Tilt Down 按键控制天窗平移关闭、起翘关 闭，查看天窗是否遇到障碍物后回退。 通过试验测试，天窗遇到障碍物 后回退，平移区回退到平移开点，起翘 区