談曉成，吳新開，周奇峰，劉朝偉

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

近年來，隨著汽車消費量增大、消費者對汽車舒適度要求的提高，汽車產(chǎn)品向智能化過渡的步伐也愈來愈快。然而目前大多數(shù)國產(chǎn)汽車在尾箱門上采用機械撐桿，這種撐桿操作簡單，但尾箱門會直接開啟至最大高度，缺乏靈活可控性，導(dǎo)致尾箱門很容易出現(xiàn)刮擦或者夾手現(xiàn)象。為了提高汽車尾箱門的智能化水平，作者以由伺服電機推動的氮氣撐桿為控制對象，采用MC9S12XS128為主控芯片［1］，通過H橋驅(qū)動電路構(gòu)成實時反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機的狀態(tài)檢測與正反轉(zhuǎn)控制。該方案控制方便、成本低廉、拓展性好，大大提高了汽車尾箱門的安全性與靈活性，可廣泛應(yīng)用于汽車尾箱門上，提高了汽車的智能化水平。

1 系統(tǒng)功能需求

1.1 功能要求

當車主攜帶智能鑰匙靠近汽車尾部時，智能鑰匙將與尾箱門控制芯片進行無線通信，自動進行身份識別，喚醒控制系統(tǒng)。系統(tǒng)完成身份識別后，車主通過觸發(fā)紅外感應(yīng)探頭、鑰匙開關(guān)或車載開關(guān)按鈕三種方式對尾箱門進行指令控制。

當車主下達開關(guān)門指令后，系統(tǒng)由飛思卡爾MC9S12XS128主控芯片對英飛凌BTS7960B電機驅(qū)動電路的控制，實現(xiàn)對撐桿電機正反轉(zhuǎn)的控制，使尾箱門按照車主的指令進行任意幅度的開、關(guān)門動作。

1.2 功能需求

系統(tǒng)要求自動識別尾箱門的工作狀態(tài)，根據(jù)不同狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。本系統(tǒng)有以下功能:“智能操控”、“自動避障”、“一鍵即?！焙汀伴_度可調(diào)”。

“智能操控”:系統(tǒng)支持紅外感應(yīng)、鑰匙開關(guān)、車載開關(guān)三種方式對汽車尾箱門進行操作;支持一鍵啟動，智能判別尾箱門狀態(tài)，車主只需按一個按鈕，就可靈活實現(xiàn)尾箱門的所有操作。

“自動避障”:尾箱門在上升或者下降過程中，如遇到障礙物或一定阻力，系統(tǒng)將在1秒內(nèi)自動調(diào)整撐桿電機狀態(tài)，使尾箱門自動小幅度回轉(zhuǎn)后停下，以避免損壞尾箱門，有效防止尾箱門誤壓誤撞人體的事故。

“一鍵即?！?系統(tǒng)支持一鍵即停操作，車主可通過按鍵在尾箱開關(guān)門全過程中選擇任意位置停下，并且不影響后續(xù)操作，繼續(xù)按下按鍵，尾箱門將完成未完成的操作。

“開度可調(diào)”:尾箱門初始開啟高度可根據(jù)用戶自定義靈活設(shè)定，操作簡單方便。車主可在任意時刻任意位置對尾箱門進行人為抬高、壓低或一鍵即停操作，達到車主理想位置時，長按開門鍵4秒，聽到蜂鳴器長嘀一聲，則自動完成設(shè)定開門高度。

2 系統(tǒng)的基本架構(gòu)及主要硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，尾箱門控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)對撐桿電機的實時狀態(tài)檢測，能根據(jù)用戶要求對尾箱門的開關(guān)度進行精準控制，并在尾箱門出現(xiàn)異常情況時，自動進行故障診斷與處理。該系統(tǒng)由一片最小系統(tǒng)芯片、電機驅(qū)動模塊、檢測模塊、無線通信模塊、紅外感應(yīng)探頭、遙控器和若干車載按鍵組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 電動氣彈簧撐桿柔性模型設(shè)計

氮氣彈簧是將高壓氮氣密封在確定的容器中，外力通過柱塞桿將氮氣壓縮，當外力去除時靠高壓氮氣膨脹來獲得一定的彈力。氮氣彈簧具有體積小、彈力大、壽命長、彈力恒定等特點。本設(shè)計中，電動氣彈簧撐桿采用有刷直流電機作為動力部件，其前端與減速器相連接，減速器與螺桿剛性連接，通過電機的轉(zhuǎn)動帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母帶動活塞，螺桿與螺母的配合推動活塞伸縮，見圖2。因此，電機的旋轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運動。電機尾部與編碼器相連，電機旋轉(zhuǎn)時帶動編碼器磁極運動，觸發(fā)編碼器發(fā)出兩相矩形方波，該方波送到單片機端口，實現(xiàn)電機方向檢測和波形個數(shù)累加［2］。

設(shè)活塞行程量為L，螺桿每轉(zhuǎn)一周，活塞移動步距為τ，則得全行程螺桿轉(zhuǎn)動圈數(shù):

因減速的變比為1:X，則有，電機完成總行程的電機轉(zhuǎn)數(shù)T為:

依據(jù)編碼器線數(shù)K，則得完成總行程編碼器輸出波形個數(shù)C為:

以甘肅省農(nóng)村信息公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)工程一期項目、甘肅省農(nóng)村信息公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)工程二期項目為契機，通過政府補助和企業(yè)自籌相結(jié)合的方式，加大資金投入，加快農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。省、縣財政補助資金達170多萬元，主要用于縣級農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺建設(shè)，村級信息點工作經(jīng)費，新技術(shù)、新產(chǎn)品的示范應(yīng)用等方面，為各項工作的順利開展提供了資金保障。

K、X、τ為結(jié)構(gòu)系數(shù)，均為常量。由此，控制了脈沖個數(shù)，即完成了對行程L的控制。

圖2 電動氣壓撐桿結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主控芯片的選型及其特點

系統(tǒng)的核心在于對撐桿電機的控制，在滿足汽車電子行業(yè)標準下，高效精準的對電機實施正反轉(zhuǎn)控制，及時應(yīng)對各種突發(fā)情況并進行故障處理是主控芯片選型的依據(jù)。本設(shè)計采用美國飛思卡爾公司的MC9S12XS128MAA芯片作為主控芯片，該芯片是一款專門針對汽車電子的高性能16位單片機，總線速度高達40 MHz，具有速度快、功能強、成本低、功耗低等特點，集成了以下資源［3］:128 kB程序Flash和8 kB Data Flash;內(nèi)嵌 MSCAN模塊用于CAN節(jié)點應(yīng)用，內(nèi)嵌支持LIN協(xié)議的增強型SCI模塊及SPI模塊;4通道16位計數(shù)器;出色的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能，實現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能;8通道PWM，易于實現(xiàn)電機控制。

2.3 電機驅(qū)動設(shè)計

該系統(tǒng)電機采用PWM驅(qū)動，如圖3所示，驅(qū)動電路由兩片“英飛凌”電機專用芯片BTS7960B組成H橋型電路。BTS7960B是一款集成度較高的大電流半橋驅(qū)動電路，該芯片內(nèi)部采用P溝道MOSFET，避免了電機的電磁干擾，提高了EMC能力［4］。該芯片持續(xù)的漏極電流高達40 A，允許PWM的頻率從0 Hz到25 kHz間任意變化，滿足目標電機的各種驅(qū)動需求。通過狀態(tài)標志位(IS位)，實現(xiàn)電機狀態(tài)診斷和電流采樣，并具有保護功能。通過外部電阻調(diào)節(jié)內(nèi)部 MOSFET開關(guān)速率，以獲得最優(yōu) EMI。BTS7960B通態(tài)電阻典型值為16 mΩ，驅(qū)動電流可達43 A［5］，即使在北方寒冷的冬天，也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計框圖

通過調(diào)制的脈沖，經(jīng)過BTS7960B的控制輸入端IN1和IN2分別送入兩片控制芯片中，通過IN1和IN2的不同電平組合，分別完成對電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動等控制。電機停止時，將控制芯片INH控制端電平拉低，使電機控制芯片進入休眠模式，減少電源消耗。BTS7960B的IS為運行電流大小檢測輸出端，通過外接電阻R，獲取采樣電壓送MCU進行AD轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)對電機堵轉(zhuǎn)的判別與控制。

2.4 正反轉(zhuǎn)檢測模塊設(shè)計

編碼器輸出波形特性為:電機正向旋轉(zhuǎn)時 A相超前B相90°;電機反向旋轉(zhuǎn)時A相滯后B相90°。因此，判別電機正反轉(zhuǎn)方向的實質(zhì)是測量并計算A、B兩相波形的相位差，以此來判別電機旋轉(zhuǎn)方向。

系統(tǒng)中正反轉(zhuǎn)檢測模塊采用帶維持阻塞性能的雙D觸發(fā)器SN74LS74構(gòu)成的正反轉(zhuǎn)判斷電路，利用A、B兩相波形出現(xiàn)的時差，觸發(fā)D及端，測量會由于D及觸發(fā)端先后觸發(fā)順序不同而造成的高低電平差異來確定電機的旋轉(zhuǎn)方向。

2.5 電源模塊設(shè)計

LM2576芯片是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，內(nèi)含固定頻率振蕩器(52 kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23 V)，具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。其最大輸出電流為3 A，最高輸入電壓40 V，輸出電壓5 V，最大穩(wěn)壓誤差為4%，轉(zhuǎn)換效率75% ～88%，工作溫度范圍為-40℃～125℃，TTL 電平兼容［6］。

圖4 電源模塊設(shè)計框圖

考慮到汽車電子的特性，汽車在啟動的瞬間，電流會急劇增加，所以在電源取電端增加一個1 A自恢復(fù)保險絲，其在室溫下的最高工作電流為1.1 A，最小故障電流為2.2 A，耐流值可達到100 A，對電路起到有效的保護作用。D2為TVS穩(wěn)壓二級管，有助于電路中的器件免受浪涌脈沖的破壞。

2.6 PCB設(shè)計及抗EMC措施

PCB設(shè)計難點在于元件布局和布線。布局按不同功能模塊進行分塊，布線要考慮各功能信號線的特征阻抗、頻率和電流大小，進行線寬和間距設(shè)計。

盡量縮小電源線與地線間距，以減小電流回路面積，增大互感系數(shù)，減少感應(yīng)效應(yīng)，且印制線路板上的電源線面積和地線面積在設(shè)計上保持兩者基本相等。在IC附近，電源線和地線之間采取加高頻、低自感系數(shù)的陶瓷電容進行去耦處理。大容量電容的容值保持在所有去耦電容容值和的10倍以上［7］。

為提供抗EMC能力，對底層進行覆銅到地，并有效縮短接地網(wǎng)絡(luò)的路徑，減小引線電感;由于電機工作在開關(guān)狀態(tài)，在電機輸出兩端采用大電容并小電容的方式進行濾波和抑制紋波電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計共包含主程序和5個較為重要的模塊程序(電機動作、遙控通信、學(xué)習存儲、AD檢測、脈沖計算)。

系統(tǒng)工作流程:串口接收到數(shù)據(jù)表示車主遙控器在搜索范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)會被激活，所有的動作才會響應(yīng)，因此串口中斷設(shè)置為第一優(yōu)先級;脈沖累加中斷設(shè)置為第二優(yōu)先級，因系統(tǒng)的正常運行都需要明確知道當前的位置，如位置計算誤差過大，就會導(dǎo)致用戶的直觀感受滿意度不高，特別是用戶自定義新的默認位置時，就有可能達不到用戶的要求;外部中斷按鍵設(shè)置為第三優(yōu)先級，其功能為開關(guān)門按鈕在電機不動作的時候，能夠瞬間響應(yīng)。在電機運轉(zhuǎn)的時候，由于此時有脈沖累加中斷產(chǎn)生，所以外部中斷有可能會被打斷，這并不影響用戶的直觀感受;定時器中斷設(shè)置為最低優(yōu)先級，主要用來定時檢測串口的數(shù)據(jù)得到遙控器的信息。圖5為該系統(tǒng)流程框圖。

4 測試結(jié)果及分析

根據(jù)該套系統(tǒng)的設(shè)計方案，將主控板和電動氣彈簧撐桿相連接并與無線遙控模塊相配合在福特翼虎車型上進行上車調(diào)試，測試結(jié)果如表1-表3所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程框圖

表1 開/關(guān)門測試

表2 “自動避障”及“一鍵即?！惫δ軠y試

表3 “開度可調(diào)”測試

如表1所示，在反復(fù)開關(guān)門指令測試中，誤動作次數(shù)都為0，撐桿最大行程捕獲的脈沖個數(shù)穩(wěn)定在7 000個脈沖左右，表明控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠;如表2所示，在“自動避障”、“一鍵即?！钡裙δ苤校摽刂葡到y(tǒng)的平均響應(yīng)時間快達1 s左右，保證了系統(tǒng)響應(yīng)的實時性;如表3所示，“開度可調(diào)”使得車主可以自主設(shè)定默認高度，垂直偏差量控制在1 cm左右，控制精度非常高。在測試過程中，系統(tǒng)響應(yīng)時間有差異的主要原因是電機在全程正常運行的過程中返回給AD檢測的值在不同的位置時不一樣。而堵轉(zhuǎn)檢測的響應(yīng)很快，因為涉及到硬件保護的問題，一旦響應(yīng)延遲，會影響電機壽命，所以采取的是在不同位置設(shè)定不同的堵轉(zhuǎn)限定值，這樣就可達到平衡響應(yīng)速度和響應(yīng)上限的目的。脈沖丟失現(xiàn)象的主要原因是系統(tǒng)程序中串口的中斷會影響脈沖中斷，撐桿走完全程的時間為2 s左右，大概每300 μs就會產(chǎn)生一個脈沖中斷，而串口的中斷為1 ms左右，所以有可能在兩個中斷同時觸發(fā)的時候丟失一個脈沖。在脈沖誤差控制當中，AD采樣速率為2 MHz，采樣一個數(shù)據(jù)只需0.5 μs，而脈沖中斷的周期大概為300 μs，所以采取多做幾次濾波處理來保證數(shù)據(jù)的準確性，本系統(tǒng)采用多次均值濾波，最終保證脈沖的丟失個數(shù)在30個以內(nèi)，誤差控制在0.5%以內(nèi)。總的來說，該控制方案沒有誤操作，響應(yīng)快、控制穩(wěn)定、精度高，能夠滿足控制要求。主控板實物圖及上車調(diào)試過程如圖6和圖7所示。

圖6 主控板實物圖

圖7 上車調(diào)試過程實物圖

5 結(jié)束語

本文在對電動氣彈簧控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套汽車尾箱電動氣彈簧柔性控制系統(tǒng)。目前這套系統(tǒng)已在福特翼虎型汽車上完成調(diào)試，從使用效果來看，該系統(tǒng)可完成所有預(yù)設(shè)功能，并且穩(wěn)定度高、可靠性強。該套系統(tǒng)綜合考慮了系統(tǒng)資源、功能性、經(jīng)濟性、可靠性等多方面因素，為汽車尾箱機械撐桿系統(tǒng)提供了更新?lián)Q代的可能。

［1］劉偉.基于MC9S12XS128微控制器的智能車硬件設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2010，18(1):102-103，105.

［2］羅亞非.凌陽.16位單片機應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］蔡述庭.“飛思卡爾”杯智能汽車競賽設(shè)計與實踐［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2012.

［4］張林，趙治國.離合器作動電機驅(qū)動電路設(shè)計［J］.機械與電子，2010，28(8):17-21.

［5］BTS7960 high current PN half bridge，Infineon on Data Sheet，Rev 1.1，［Z］.2004.

［6］王明順.基于LM2576的高可靠MCU電源設(shè)計［J］.國外電子元器件，2004，11(11):12-14.

［7］GB4586.3-88，印制電路板設(shè)計和使用［S］.