汽車尾箱電動(dòng)氣彈簧柔性控制系統(tǒng)

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(fèi)量增大、消費(fèi)者對(duì)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(jī)械撐桿，這種撐桿操作簡(jiǎn)單，但尾箱門會(huì)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(jī)推動(dòng)的氮?dú)鈸螚U為控制對(duì)象，采用MC9S12XS128為主控芯片［1］，通過H橋驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)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(dāng)車主攜帶智能鑰匙靠近汽車尾部時(shí)，智能鑰匙將與尾箱門控制芯片進(jìn)行無線通信，自動(dòng)進(jìn)行身份識(shí)別，喚醒控制系統(tǒng)。系統(tǒng)完成身份識(shí)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(duì)尾箱門進(jìn)行指令控制。

當(dāng)車主下達(dá)開關(guān)門指令后，系統(tǒng)由飛思卡爾MC9S12XS128主控芯片對(duì)英飛凌BTS7960B電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)撐桿電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，使尾箱門按照車主的指令進(jìn)行任意幅度的開、關(guān)門動(dòng)作。

1.2 功能需求

系統(tǒng)要求自動(dòng)識(shí)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(dòng)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(duì)汽車尾箱門進(jìn)行操作;支持一鍵啟動(dòng)，智能判別尾箱門狀態(tài)，車主只需按一個(gè)按鈕，就可靈活實(shí)現(xiàn)尾箱門的所有操作。

“自動(dòng)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(dòng)調(diào)整撐桿電機(jī)狀態(tài)，使尾箱門自動(dòng)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(jiǎn)單方便。車主可在任意時(shí)刻任意位置對(duì)尾箱門進(jìn)行人為抬高、壓低或一鍵即停操作，達(dá)到車主理想位置時(shí)，長按開門鍵4秒，聽到蜂鳴器長嘀一聲，則自動(dòng)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(jì)要求，尾箱門控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)撐桿電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)，能根據(jù)用戶要求對(duì)尾箱門的開關(guān)度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，并在尾箱門出現(xiàn)異常情況時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行故障診斷與處理。該系統(tǒng)由一片最小系統(tǒng)芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)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(dòng)氣彈簧撐桿柔性模型設(shè)計(jì)

氮?dú)鈴椈墒菍⒏邏旱獨(dú)饷芊庠诖_定的容器中，外力通過柱塞桿將氮?dú)鈮嚎s，當(dāng)外力去除時(shí)靠高壓氮?dú)馀蛎泚慝@得一定的彈力。氮?dú)鈴椈删哂畜w積小、彈力大、壽命長、彈力恒定等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，電動(dòng)氣彈簧撐桿采用有刷直流電機(jī)作為動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母帶動(dòng)活塞，螺桿與螺母的配合推動(dòng)活塞伸縮，見圖2。因此，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)尾部與編碼器相連，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)編碼器磁極運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)編碼器發(fā)出兩相矩形方波，該方波送到單片機(jī)端口，實(shí)現(xiàn)電機(jī)方向檢測(cè)和波形個(gè)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(dòng)步距為τ，則得全行程螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù):

因減速的變比為1:X，則有，電機(jī)完成總行程的電機(jī)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(gè)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(xiàng)目、甘肅省農(nóng)村信息公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)工程二期項(xiàng)目為契機(jī)，通過政府補(bǔ)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(cái)政補(bǔ)助資金達(dá)170多萬元，主要用于縣級(jí)農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，村級(jí)信息點(diǎn)工作經(jīng)費(fèi)，新技術(shù)、新產(chǎn)品的示范應(yīng)用等方面，為各項(xiàng)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(gè)數(shù)，即完成了對(duì)行程L的控制。

圖2 電動(dòng)氣壓撐桿結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主控芯片的選型及其特點(diǎn)

系統(tǒng)的核心在于對(duì)撐桿電機(jī)的控制，在滿足汽車電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下，高效精準(zhǔn)的對(duì)電機(jī)實(shí)施正反轉(zhuǎn)控制，及時(shí)應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況并進(jìn)行故障處理是主控芯片選型的依據(jù)。本設(shè)計(jì)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(duì)汽車電子的高性能16位單片機(jī)，總線速度高達(dá)40 MHz，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低等特點(diǎn)，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(diǎn)應(yīng)用，內(nèi)嵌支持LIN協(xié)議的增強(qiáng)型SCI模塊及SPI模塊;4通道16位計(jì)數(shù)器;出色的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能，實(shí)現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能;8通道PWM，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)電機(jī)采用PWM驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電路由兩片“英飛凌”電機(jī)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(dòng)電路，該芯片內(nèi)部采用P溝道MOSFET，避免了電機(jī)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(dá)40 A，允許PWM的頻率從0 Hz到25 kHz間任意變化，滿足目標(biāo)電機(jī)的各種驅(qū)動(dòng)需求。通過狀態(tài)標(biāo)志位(IS位)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)診斷和電流采樣，并具有保護(hù)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(dòng)電流可達(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)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(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等控制。電機(jī)停止時(shí)，將控制芯片INH控制端電平拉低，使電機(jī)控制芯片進(jìn)入休眠模式，減少電源消耗。BTS7960B的IS為運(yùn)行電流大小檢測(cè)輸出端，通過外接電阻R，獲取采樣電壓送MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的判別與控制。

2.4 正反轉(zhuǎn)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

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

系統(tǒng)中正反轉(zhuǎn)檢測(cè)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(shí)差，觸發(fā)D及端，測(cè)量會(huì)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(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

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(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23 V)，具有完善的保護(hù)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(jì)框圖

考慮到汽車電子的特性，汽車在啟動(dòng)的瞬間，電流會(huì)急劇增加，所以在電源取電端增加一個(gè)1 A自恢復(fù)保險(xiǎn)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(dá)到100 A，對(duì)電路起到有效的保護(hù)作用。D2為TVS穩(wěn)壓二級(jí)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(jì)及抗EMC措施

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

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(jì)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(jìn)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(duì)底層進(jìn)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(jī)工作在開關(guān)狀態(tài)，在電機(jī)輸出兩端采用大電容并小電容的方式進(jìn)行濾波和抑制紋波電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包含主程序和5個(gè)較為重要的模塊程序(電機(jī)動(dòng)作、遙控通信、學(xué)習(xí)存儲(chǔ)、AD檢測(cè)、脈沖計(jì)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(gè)系統(tǒng)會(huì)被激活，所有的動(dòng)作才會(huì)響應(yīng)，因此串口中斷設(shè)置為第一優(yōu)先級(jí);脈沖累加中斷設(shè)置為第二優(yōu)先級(jí)，因系統(tǒng)的正常運(yùn)行都需要明確知道當(dāng)前的位置，如位置計(jì)算誤差過大，就會(huì)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(rèn)位置時(shí)，就有可能達(dá)不到用戶的要求;外部中斷按鍵設(shè)置為第三優(yōu)先級(jí)，其功能為開關(guān)門按鈕在電機(jī)不動(dòng)作的時(shí)候，能夠瞬間響應(yīng)。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于此時(shí)有脈沖累加中斷產(chǎn)生，所以外部中斷有可能會(huì)被打斷，這并不影響用戶的直觀感受;定時(shí)器中斷設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)，主要用來定時(shí)檢測(cè)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(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)該套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將主控板和電動(dòng)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(jìn)行上車調(diào)試，測(cè)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(cè)試

表2 “自動(dòng)避障”及“一鍵即?！惫δ軠y(cè)試

表3 “開度可調(diào)”測(cè)試

如表1所示，在反復(fù)開關(guān)門指令測(cè)試中，誤動(dòng)作次數(shù)都為0，撐桿最大行程捕獲的脈沖個(gè)數(shù)穩(wěn)定在7 000個(gè)脈沖左右，表明控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠;如表2所示，在“自動(dòng)避障”、“一鍵即?！钡裙δ苤?，該控制系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間快達(dá)1 s左右，保證了系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性;如表3所示，“開度可調(diào)”使得車主可以自主設(shè)定默認(rèn)高度，垂直偏差量控制在1 cm左右，控制精度非常高。在測(cè)試過程中，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有差異的主要原因是電機(jī)在全程正常運(yùn)行的過程中返回給AD檢測(cè)的值在不同的位置時(shí)不一樣。而堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的響應(yīng)很快，因?yàn)樯婕暗接布Ｗo(hù)的問題，一旦響應(yīng)延遲，會(huì)影響電機(jī)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(dá)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(huì)影響脈沖中斷，撐桿走完全程的時(shí)間為2 s左右，大概每300 μs就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖中斷，而串口的中斷為1 ms左右，所以有可能在兩個(gè)中斷同時(shí)觸發(fā)的時(shí)候丟失一個(gè)脈沖。在脈沖誤差控制當(dāng)中，AD采樣速率為2 MHz，采樣一個(gè)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(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用多次均值濾波，最終保證脈沖的丟失個(gè)數(shù)在30個(gè)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(shí)物圖及上車調(diào)試過程如圖6和圖7所示。

圖6 主控板實(shí)物圖

圖7 上車調(diào)試過程實(shí)物圖

5 結(jié)束語

本文在對(duì)電動(dòng)氣彈簧控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套汽車尾箱電動(dòng)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(qiáng)。該套系統(tǒng)綜合考慮了系統(tǒng)資源、功能性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多方面因素，為汽車尾箱機(jī)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(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(1):102-103，105.

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