基于XC164CS和BTS7741G的中央门锁控制

2008-09-11 15:08:46来源: 今日电子 关键字:门锁控制  LATCH  中央门锁  开路故障  功率继电器  对地电压  励磁线圈  图3

  如今已有越来越多的汽车采用电子车门控制系统,中央门锁是车门控制系统的重要组成部分。本文结合车门控制模块设计的项目实践,重点介绍了中央门锁部分的硬件和软件设计,对智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障检测特性进行了分析,并给出了实验结果。

  车门控制模块的整体设计

  汽车车门控制系统随着半导体技术的发展而发展,由于传统的继电器、熔断器控制方式存在种种弊端,所以迫切需要引入新的控制方式来改善车门控制的现状,本设计是基于16位嵌入式系统的车辆门控系统解决方案。

  

  图1 系统结构框图

  如图1所示,车门控制模块主要由以下几部分组成:电源电路、电动车窗驱动电路、后视镜驱动电路、加热器驱动电路、中央门锁驱动电路、车灯驱动电路、CAN总线接口电路、RS232接口电路及按键接口电路等。微控制器XC164CS用于控制所有功率器件的开关动作,同时对系统状态进行定时监控,提供合适的反馈信号以及周期性地显示诊断信息,并通过车载网络(如CAN)实现信息交换。由于选用的功率器件已经提供了完善的保护功能,本设计避免了采用过多的功率元件,减小了模块体积,并提高了模块的电磁兼容性。

  中央门锁控制硬件设计

  1智能功率芯片的选择

  现有的中央门锁多采用继电器驱动方式。但是,继电器驱动有诸多缺点:功率继电器励磁线圈驱动电流较大,需消耗较大功率且接口电路复杂;继电器的使用使控制器体积增大,重量增加;继电器开关频率相对较低,触点易抖动,很难满足车辆在带电情况下行驶对机械震动的要求。此外,触点抖动会影响继电器的寿命,且EMI严重,难以有效实现对车灯的过热、过压、短路等故障的诊断及保护,需配合熔断器使用,以防止过流。但熔断器一旦动作(即熔断),电路将彻底切断,需手动更换熔断器。

  智能功率芯片BTS7741G适合于汽车电子苛刻的应用环境。它的两个高边开关和两个低边开关具有欠压保护、对地短路保护、对电源短路保护、热关断冷却后重启等多种智能保护功能,同时两个高边开关还包含故障诊断电路,通过故障反馈引脚ST可以诊断出开路故障、短路故障等故障状态,适合用于中央门锁的控制。

  BTS7741G内含四个MOS管,两个高边开关和两个低边开关,可以灵活配置输出方式,用作H桥或者用作单独的开关均可。高边开关导通电阻为110mΩ,低边开关导通电阻为100mΩ,工作电压可达40V。

  2 中央门锁控制驱动电路设计

  BTS7741G与微控制器连接电路如图2所示。BTS7741G用作H桥,驱动中央门锁正转或反转。驱动过程靠时间来控制,电机运行一定时间(本设计取值为0.25s)产生一定的位移,实现锁定或开锁。电机运行时间在程序中可变。无主动制动过程,通过上管续流实现电机制动。两次中央门锁开关动作之间至少要有 0.5s时间间隔,保证MOS管可靠关断。

  

  图2 BTS7741G与微控制器连接电路

  上电后门锁的状态是未知的,因此微控制器首先关闭门锁。中央门锁的电机驱动不采用PWM调压方式。SH2外接 1kΩ上拉电阻,由+12V电源供电,可实现在关断状态下的开路故障检测。

  BTS7741G对地短路实验

  虽然BTS7741G的两个高边开关和两个低边开关都具有完备的短路保护功能,但是故障反馈引脚ST却只能反馈两个高边开关的短路故障状态。所以,本设计针对BTS7741G的高边开关做了对地短路实验。实验分为先短路后上电和先上电后短路两种情况。

  BTS7741G的对地短路实验条件为+12.45V电池电压,+5V电源供电, 1.5m短路导线(R=0.12Ω)。如图3所示,其中VST为ST引脚对地的电压、VIN是IH1引脚对地的电压、VOUT是OUT引脚对地电压,IL为发生对地短路故障时,流过BTS7741G的短路电流。

  1 先短路后上电条件下的对地短路实验

  

  图3 BTS7741G先短路后上电短路实验波形图前半段

  

  图4 BTS7741G先短路后上电短路实验波形图后半段

  

  图5 BTS7741G先上电后短路短路实验波形图前半段

  

  图6 BTS7741G先上电后短路短路实验波形图后半段

  如图3所示,在开关按下的瞬间,由于开关自身的机械结构导致了大量毛刺;瞬间浪涌电流为10A(25℃,BTS7741G的短路电流峰值典型值为10A);输出端电压VOUT一直为低电平;ST故障诊断引脚在短路发生后1.4ms左右被拉低,意味着BTS7741G在此时诊断出了故障。此后,BTS7741G内部会周期性的关断MOS管,所以短路电流IL被周期性的钳制为0A,有效抑制了短路电流导致的芯片持续发热,从而保护芯片不会因为短路而损坏;ST引脚的电平也会随着短路电流的变化而周期性的被拉为低电平。如图4所示,当芯片完全冷却后,BTS7741G可以重新启动,继续正常工作。

  2 先上电后短路条件下的对地短路实验

  如图5所示,在开关按下的瞬间,瞬间浪涌电流为25A,远远高于25℃时BTS7741G的短路电流峰值典型值10A。但这个25A的浪涌电流仅持续不到30μs的时间立即降为10A,所以对芯片损坏不大;输出端电压VOUT在短路瞬间被拉低为低电平;ST故障诊断引脚在短路发生后1.6ms左右被拉低,意味着BTS7741G在此时诊断出了故障。此后,BTS7741G内部会周期性的关断MOS管,类似于先短路后上电短路实验,短路电流IL被周期性的钳制为0A,ST引脚的电平也随着短路电流的变化而周期性的被拉为低电平。如图6所示,当短路现象消失后,BTS7741G可以重新启动,输出电压VOUT为高电平,芯片没有受到短路状况的任何影响,继续正常工作,充分显示了BTS7741G完善的短路保护功能。

  门锁部分的软件设计

  门锁软件的算法就是在适当的状态中控制适当的桥臂导通或者关断。在门锁开启或者关闭时需要上下各一个桥臂导通,在开启或者关断之后需要进行续流,这时就只需要关断下桥臂,而让上桥臂导通一段时间即可。其具体的控制算法可以参考图7所示的门锁的状态流图。

  

  图7 门锁控制状态流图

  表1给出了门锁的几种工作状态。

  

  各个工作状态之间的转换并不是都由控制命令ubCmdLatch来触发激活的。从LATCH_CLOSED到LATCH_OPENING和从LATCH_OPENED到LATCH_CLOSING这两次转换是由ubCmdLatch来触发的,其意义就是在得到开启或者关闭的命令后,门锁从静止的状态开始变化到运动的状态,也就是门锁从关闭的静止状态开始开启,或者在打开后开始关闭。在PASSAT B5电动车门中使用了电动门锁,门锁开启或者闭合都是由电机带动锁插销前后移动来实现的。而BTS7741G内部就是一个简单的H桥电路,因此就是通过程序控制H桥在合适的时间开启适当的上下桥臂,达到控制门锁电机正反转的目的。在LATCH_OPENING 和LATCH_CLOSING这两个状态中就编写了控制一对上下桥臂管导通的命令。而在状态LATCH_CLOSED和 LATCH_OPENED中,四个管子都不导通。

  其余各个状态之间的转换都不是由控制命令触发的,有些是通过定时,有些则是通过错误的检测。故障检测功能通过监视ST引脚输出电平实现。在正常状态下,ST引脚输出高电平;当发生故障时,ST引脚输出为低电平。具体的状态切换可以从图7中清楚的看到。例如,从状态LATCH_OPENING到LATCH_OPEN_FREE就是计时到门锁开启时间(LATCH_OPENING_TIME)结束,而如果检测到开路故障或过载故障,门锁会一直保持在LATCH_CLOSED或者LATCH_OPENED状态下。

  通过对智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障检测特性的研究与分析,对该芯片的安全性给与了肯定,确保了本设计的正确性和可靠性。

 

关键字:门锁控制  LATCH  中央门锁  开路故障  功率继电器  对地电压  励磁线圈  图3

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0911/article_1295.html
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