基于智能功率開關(guān)BTS6143D的車輛雨刷電機(jī)起動控制方案設(shè)計

李艷明，蔣任君，倪永亮，戚于飛，吳婷婷

(中國北方車輛研究所，北京100072)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，車輛用電設(shè)備的數(shù)量迅速增加，例如空調(diào)、多媒體、中央門鎖、玻璃升降、后視鏡調(diào)節(jié)、天窗控制、座椅調(diào)節(jié)、點(diǎn)火延時控制等設(shè)備，使乘用人員更加方便、快捷和舒服.同時車輛用電設(shè)備的迅速增加也帶來了如下問題:1)數(shù)百米的電力線路與信息線路以及數(shù)以百計的電子、電氣裝置，它們被局限在狹小的安裝空間內(nèi)，因此整個車輛的電磁環(huán)境復(fù)雜性增高.2)當(dāng)某些電機(jī)負(fù)載直接起動時，將會產(chǎn)生瞬間的電流尖峰，其值將是其額定電流的5～6倍(如圖1雨刷電機(jī)起動曲線)，這就造成了對該電機(jī)的損害以及整個電網(wǎng)的沖擊，并且影響其它用電設(shè)備工作的安全性.因此傳統(tǒng)的采用保險絲與繼電器的電機(jī)負(fù)載控制方式就難以滿足目前車輛電子電氣系統(tǒng)的可靠性與發(fā)展的要求.

圖1 某車型雨刷電機(jī)電流曲線圖

針對上述問題，為了減小車輛電機(jī)類負(fù)載起動的瞬間電流沖擊，以車輛雨刷電機(jī)為研究對象，對雨刷電機(jī)的起動沖擊問題進(jìn)行了研究和試驗，提出了以英飛凌XC2000系列微控制器XC2785X控制驅(qū)動高邊智能開關(guān)BTS6143D的電機(jī)起動方案，通過控制器捕獲比較口實現(xiàn)雨刷電機(jī)的脈寬調(diào)制起動過程.即保持智能功率開關(guān)頻率不變的情況下，逐漸增大占空比，使雨刷電機(jī)端有效電壓從初始值自動無級上升至額定電壓，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升至額定轉(zhuǎn)速，減小起動時的電流沖擊，從而實現(xiàn)了雨刷電機(jī)的平穩(wěn)起動，保證了車輛電網(wǎng)的安全性.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

雨刷電機(jī)起動控制方案由硬件系統(tǒng)方案與軟件系統(tǒng)方案組成.

1.1 硬件方案設(shè)計

系統(tǒng)的硬件方案主要由微控制器最小系統(tǒng)、功率驅(qū)動開關(guān)以及其外圍驅(qū)動采樣電路組成，整個系統(tǒng)的原理圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

1.1.1 微控制器最小系統(tǒng)

微控制器最小系統(tǒng)主要由微控制器芯片、電源監(jiān)控及復(fù)位電路、隔離型CAN總線組成.

微控制器芯片采用英飛凌公司的16位微控制器SAK-XC2785X-104F80L芯片.該芯片架構(gòu)為英飛凌成熟的、廣受歡迎的C166架構(gòu)，有著功能強(qiáng)大的內(nèi)核及片上外設(shè)資源，例如:832KB片上Flash存儲器、58KB片上RAM、4個 PWM單元(CCU6)驅(qū)動三相電機(jī)、16通道的普通捕獲比較口、24通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、雙通道CAN控制器等.具有很好的魯棒性、很寬的工作溫度范圍和很高的可靠性及功耗低的功能，因此能夠滿足各種苛刻的使用條件.

電源監(jiān)控及復(fù)位電路采用美信公司的MAX705芯片.當(dāng)電源電壓跌落到4.65 V時，給出低電平復(fù)位信號;同時該芯片還作為外部看門狗使用.MCU在工作過程中需經(jīng)常刷新WDI管腳，如果在規(guī)定的時間內(nèi)不能刷新WDI管腳，則該芯片輸出復(fù)位信號，對MCU進(jìn)行復(fù)位.

隔離型CAN總線收發(fā)器采用NXP的82C250，CAN_H和CAN_L管腳通過CAN總線專用共模抑制扼流圈，連接到外部總線上;隔離器件采用ANALOG公司的ADUM1201BRZ，其速率可達(dá)10 Mbps，工作溫度范圍更寬，為-40～+105℃;隔離電源采用TI/BB公司的集成隔離開關(guān)電源芯片DCP010505，其工作溫度范圍為-40～+100℃.

1.1.2 功率驅(qū)動開關(guān)

功率驅(qū)動開關(guān)是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護(hù)電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件.功率驅(qū)動開關(guān)為固態(tài)無觸點(diǎn)開關(guān)器件，具有優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)能力，且體積小、重量輕、性能好、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，非常適合車輛電子電氣系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域.

本方案采用德國西門子公司生產(chǎn)的集成SIPMOS＆reg片上技術(shù)的高邊智能功率開關(guān)BTS6143D.該芯片是英飛凌公司設(shè)計的高邊功率功率管，內(nèi)部集成有邏輯處理電路、充電泵、功率MOSFET，電流檢測反饋電路，同時該集成電路還具有短路關(guān)斷、過載保護(hù)、過壓保護(hù)、過溫關(guān)斷等功能.其工作的溫度范圍為-40～+150℃，非常適用于汽車電子苛刻的工作環(huán)境，其主要工作性能如表1 所示[1].

表1 BTS6143D主要性能表

如圖2所示，其管腳描述如下:

IN:輸入管腳，為芯片的控制信號線;

IS:電流反饋引腳;

OUT:電源輸出管腳;

Vbb:電源電壓輸入管腳，給整個芯片供電.

該功率開關(guān)適用于阻性、容性、感性負(fù)載的驅(qū)動控制，尤其在大電流、高浪涌負(fù)載的驅(qū)動控制上有明顯的優(yōu)勢，可以取代傳動繼電器與保險絲的驅(qū)動控制方法.其性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性，特別易于實現(xiàn)單片機(jī)的控制，響應(yīng)速度快，當(dāng)一片不能滿足功率要求時可多片并聯(lián)使用來獲得更大的負(fù)載驅(qū)動能力，因此使得微控制器對大負(fù)載的控制更加靈活.

1.1.3 驅(qū)動及采樣電路

功率開關(guān)驅(qū)動電路采用ULN2003D芯片，該芯片內(nèi)部集成7個獨(dú)立的高耐壓、大電流達(dá)林頓管，單個達(dá)林頓管集電極可輸入500 mA電流，將其并聯(lián)輸出可實現(xiàn)更大的電流驅(qū)動能力，電路內(nèi)部設(shè)計有續(xù)流二極管，可廣泛應(yīng)用于繼電器、步進(jìn)電機(jī)等驅(qū)動系統(tǒng)[2].

電流采樣電路采用電阻進(jìn)行分壓，將智能功率開關(guān)的反饋電流值轉(zhuǎn)換為電壓值.該電壓值經(jīng)過運(yùn)放電路LM124處理后輸入到微控制器的模擬采集通道，經(jīng)過數(shù)字運(yùn)算后可以獲得當(dāng)前功率開關(guān)的通過電流值[3].

1.2 軟件方案設(shè)計

雨刷電機(jī)起動控制程序采用嵌入式C語言進(jìn)行編寫，利用Keil uVision4進(jìn)行編譯處理，通過DAP接口下載到微控制器中進(jìn)行運(yùn)行.主要實現(xiàn)對雨刷電機(jī)的如下操作:

1)接收CAN總線雨刷電機(jī)通斷命令，并上傳雨刷電機(jī)工作狀態(tài)及故障狀態(tài).

2)通過對雨刷電機(jī)狀態(tài)信息及總線通斷命令的綜合處理，決定雨刷電機(jī)的開通及關(guān)斷，邏輯關(guān)系如表2所示.

3)采用軟件起動策略方式對雨刷電機(jī)進(jìn)行起動.程序流程圖如圖3所示.

表2 邏輯關(guān)系

圖3 雨刷電機(jī)起動流程圖

2 起動特性試驗

試驗過程采用開關(guān)頻率為5 kHz的PWM波.初始占空比為30%，當(dāng)占空比達(dá)到90%時將其完全開通，每種占空比的持續(xù)時間為50 ms[4].其PWM示意圖如圖4所示，PWM脈寬增長示意圖如圖5所示.

圖4 PWM示意圖

圖5 PWM脈寬增長示意圖

在試驗過程中，除了對該起動過程電流采集外，我們還特地對該電機(jī)進(jìn)行傳統(tǒng)起動試驗(繼電器與保險絲模式)，采集了其起動電流曲線以方便我們進(jìn)行比較，兩種起動方式的比較曲線如圖6所示.

圖6 兩種起動方式的試驗對比曲線

從圖6兩種方式起動電流曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，起動電流峰值得到了明顯的改善，降幅超過了50%，起動電流的沖擊變得很小.實現(xiàn)了雨刷電機(jī)平穩(wěn)無級起動的過程，有利于對負(fù)載及電網(wǎng)的保護(hù).

3 結(jié)束語

采用PWM起動方式，使車輛負(fù)載轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，減小了起動時的機(jī)械沖擊以及電流沖擊，從而保證了車輛電網(wǎng)的安全性，但是PWM起動過程所帶來的電磁兼容性問題同樣值的我們進(jìn)一步研究.

[1]Infineon Technologies AG. PROFET Data Sheet BTS6143D [M/CD].2003

[2]馬幼捷，邵寶福.智能功率模塊驅(qū)動保護(hù)電路的研究與應(yīng)用 [J].電測與儀表，2007，(4):60-63.

[3]唐 華，楊新志.新型雙列直插封裝智能功率模塊及其外部電路設(shè)計 [J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，(11):43-47.

[4]孫 誼，張曉冬，楊廷麟.基于智能功率模塊的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表與分析檢測，2007，(4):9-12.