劉文慶 ，馮志堅(jiān) ，徐勤佳 ，耿勝民 ，沙 覃 ，王林榮

（揚(yáng)州華光新材料股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002）

0 引言

當(dāng)前，新能源汽車正在朝著智能化、集成化、輕量化的方向快速發(fā)展，對(duì)各子系統(tǒng)也提出了更高的要求。汽車熱管理系統(tǒng)主要包括電池?zé)峁芾?、電機(jī)電控系統(tǒng)熱管理以及乘員艙熱管理，是整車的能量調(diào)節(jié)中樞，對(duì)整車的安全性、節(jié)能性以及舒適性都起到了決定性作用。近年來，隨著特斯拉率先推出熱管理集成模塊，各大主機(jī)廠及零部件廠家對(duì)熱管理集成模塊開展了大量的研究[1-5]。多通閥作為熱管理集成模塊的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接決定了整個(gè)模塊的性能。因此，研究一種高精度、高可靠性的多通閥控制系統(tǒng)尤為重要。

為了實(shí)現(xiàn)水閥的精確控制，需要在水閥執(zhí)行器上安裝角度位置傳感器，以檢測(cè)水閥的實(shí)時(shí)位置。目前廣泛應(yīng)用的主要有兩種類型的傳感器：相對(duì)式和絕對(duì)式位置傳感器。相對(duì)式位置傳感器通過霍爾開關(guān)監(jiān)測(cè)水閥的運(yùn)動(dòng)步數(shù)以推算出水閥的實(shí)時(shí)角度，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低，缺點(diǎn)是需要上電自學(xué)習(xí)。絕對(duì)式位置傳感器可實(shí)時(shí)反饋水閥的當(dāng)前位置，不需要自學(xué)習(xí)。常用的絕對(duì)位置傳感器有電位器和碳膜電阻兩種[6-7]，這兩種傳感器都是接觸式傳感器，它們共同的缺點(diǎn)是精度低、可靠性差。為了解決接觸式傳感器精度低、可靠性差的問題，本文提出了一種基于3D霍爾傳感器的水閥控制器，該傳感器是一種非接觸式傳感器，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及精度高的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)水閥控制系統(tǒng)研究具有重要意義[8-10]。利用該傳感器的水閥可實(shí)現(xiàn)360°位置檢測(cè)，且傳感器和水閥通過磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行位置檢測(cè)，無物理接觸，可靠性高，另外，其14 位的分辨率可將角度精度控制在1°以內(nèi)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

水閥控制系統(tǒng)主要由上下蓋、直流電機(jī)、PCBA、齒輪系統(tǒng)及感應(yīng)磁鐵組成，如圖1 所示。3D 霍爾傳感器安裝在PCBA 上，在其正上方的輸出齒輪中嵌入一個(gè)磁鐵，電機(jī)驅(qū)動(dòng)次輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，3D 霍爾傳感器根據(jù)次輪旋轉(zhuǎn)感應(yīng)出不同的角度信息給微處理器，微處理器根據(jù)整車發(fā)送的角度指令，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精確控制。

圖1 水閥執(zhí)行器結(jié)構(gòu)爆炸圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由4 部分組成，分別是電源模塊、微處理器模塊、傳感器模塊、LIN 驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示，其中LIN 通信端口用于接收整車主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置請(qǐng)求信號(hào)以及執(zhí)行器狀態(tài)反饋，SPI 模塊用于讀取霍爾傳感器的角度位置信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 電源模塊

MLX81332 內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)器，可直接接12 V 電源供電，外部主要是防反接、穩(wěn)壓及濾波電路設(shè)計(jì)，電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

防反接保護(hù)主要防止電源正負(fù)極反接對(duì)硬件造成損壞，本系統(tǒng)采用二極管的單向?qū)щ娦栽O(shè)計(jì)防反接電路?？刂破鞑捎弥绷鞴╇?，為避免整車?yán)擞侩妷簩?duì)硬件造成損壞，需要設(shè)計(jì)電流吸收電路。本文采用TVS 管與被保護(hù)線路并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。TVS 管有相當(dāng)高的浪涌吸收能力，可在亞納秒級(jí)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。當(dāng)電源兩端接受瞬間的高電壓沖擊時(shí)，TVS 管將發(fā)生雪崩擊穿，瞬間由高阻抗變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)，以吸收一個(gè)瞬間大電流，使電源兩端電壓箝制在預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)硬件免受瞬態(tài)高能量的沖擊。并且當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS 管再自動(dòng)恢復(fù)至高阻狀態(tài)，整個(gè)回路又回到正常電壓狀態(tài)。

2.2 微處理器模塊

MLX81332 是邁來芯最新推出的一款基于LIN的車規(guī)級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用于10 W 以內(nèi)的小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)有刷、無刷、步進(jìn)等多種類型的電機(jī)。該芯片集成了豐富的片內(nèi)資源，包括4 個(gè)FET 半橋驅(qū)動(dòng)器、1 個(gè)有自動(dòng)尋址功能的LIN 驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓器（可直接接12 V 系統(tǒng)）。同時(shí)內(nèi)部集成了過溫、過壓欠壓、過流保護(hù)功能。而且該芯片專為安全應(yīng)用設(shè)計(jì)，符合ASIL-B 級(jí)（ISO 26262）標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)主要使用到了微處理器的電源模塊、SPI 模塊、LIN 模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，微處理器電路如圖4所示。

圖4 微處理器電路

2.3 傳感器模塊

MLX90363 是一款非接觸式3D 霍爾傳感器，可在單點(diǎn)感應(yīng)三個(gè)方向的磁通量。芯片內(nèi)部集成原始信號(hào)處理模塊、DSP 微處理器模塊和SPI 輸出模塊。將感應(yīng)到的單個(gè)方向的磁通量進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，通過DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后再通過SPI 發(fā)出。該系統(tǒng)中MLX90363 充當(dāng)SPI 的從節(jié)點(diǎn)，單片機(jī)為主節(jié)點(diǎn)。其主要通過4 根線與主機(jī)相連：NSS（片選信號(hào)）、SCLK（時(shí)鐘線）、MOSI、MISO。最后SPI 將0°～360°轉(zhuǎn)換為0～16 383 的5 位數(shù)字傳遞給主機(jī)。MLX81332 內(nèi)置的電源模塊可為MLX90363 提供5 V 電源，SPI 總線與微處理器的SPI 模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，傳感器電路如圖5所示。

圖5 傳感器電路

2.4 LIN通信模塊

LIN接口電路如圖6所示，MLX81332采用全集成的LIN從機(jī)設(shè)計(jì)方法，內(nèi)部集成了LIN驅(qū)動(dòng)電路，需要在總線接口處設(shè)計(jì)ESD防護(hù)電路，以保持系統(tǒng)的魯棒性。本設(shè)計(jì)采用雙向TVS管來抑制電磁干擾，耐壓值為27 V，最大電流200 mA，最大工作溫度150 ℃。

圖6 LIN接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)及功能測(cè)試

水閥執(zhí)行器軟件主要通過LIN總線讀取主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置請(qǐng)求信號(hào)，通過SPI 模塊讀取位置傳感器當(dāng)前的角度值與目標(biāo)值并進(jìn)行比較，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)角度精確控制，系統(tǒng)軟件控制流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件控制流程

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要實(shí)現(xiàn)MCU 初始化及系統(tǒng)參數(shù)的初始化等。MCU初始化主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)器模塊、LIN通信模塊、SPI模塊、ADC模塊及中斷相關(guān)設(shè)置。系統(tǒng)參數(shù)初始化包括傳感器初始化以及一些系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

3.2 角度信號(hào)讀取

主機(jī)需要向從機(jī)發(fā)送一系列的初始化信號(hào)以啟動(dòng)固件，信號(hào)請(qǐng)求序列如圖8所示。

圖8 位置信號(hào)獲取信息序列

位置信號(hào)的讀取波形如圖9 所示。f r a m e 1 ～frame5為初始化指令，frame7開始發(fā)送位置獲取指令。

圖9 位置信號(hào)讀取波形

3.3 水閥控制

水閥控制系統(tǒng)有兩種工作模式，正常工作模式和休眠模式。系統(tǒng)開啟狀態(tài)下，若總線上無LIN 信號(hào)，系統(tǒng)將水閥執(zhí)行到安全模式后進(jìn)入休眠模式。系統(tǒng)開啟狀態(tài)下，若總線信號(hào)正常則執(zhí)行正常工作模式，在正常工作模式下根據(jù)總線位置請(qǐng)求信號(hào)和水閥實(shí)際位置控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，水閥控制流程如圖10所示。

圖10 水閥控制流程

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于3D 霍爾角度位置檢測(cè)及基于LIN的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的汽車電子水閥執(zhí)行器控制方案。方案選用MLX90363 霍爾傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)，該傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，選用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片MLX81332 作為主控芯片，該芯片具有集成度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有集成度高、成本低、可靠性高以及精度高的特點(diǎn)，可在汽車水閥控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。