電子工藝與綜合設計課程設計--12v汽車車窗直流電機控制器的設計

1、<p><b>　　電子工藝與綜合設計</b></p><p><b>　　課程報告</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　一、汽車車窗電機工作原理分析2<

2、;/p><p>　　1.1、汽車車窗電機參數2</p><p>　　1.2、汽車車窗電機工作原理2</p><p>　　二、汽車車窗電機控制器方案4</p><p>　　2.1、汽車車窗電機參數分析4</p><p>　　2.2、汽車車窗電機控制方法分析4</p><p>　　2.3、汽車

3、車窗電機硬件方案4</p><p>　　三、汽車車窗電機控制器硬件設計4</p><p>　　3.1車窗控制系統(tǒng)………………………………………………………………………………………………………..6</p><p>　　3.2 LIN節(jié)點設計………………………………………………………………………………………………………...6</p><p&g

4、t;　　3.3電源模塊的設計……………………………………………………………………………………...8</p><p>　　3.4電機驅動模塊設計…………………………………………………………………………………………………..8</p><p>　　四、汽車車窗電機控制器軟件設計8</p><p>　　4.1報文內容定義………………………………………………………………

5、………………………………………..9</p><p>　　4.2 LIN節(jié)點軟件設計…………………………………………………………………………………………………10</p><p>　　4.3車窗電機啟動控制算法…………………………………………………………………………………………….13</p><p><b>　　參考文獻..15</b>&l

6、t;/p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著汽車的普及，人們對汽車的安全性方面也越來越重視。在車窗控制系統(tǒng)中，汽車電動車窗具備防夾功能成為系統(tǒng)的必需要求。這樣當車窗上升遇到障礙物(如手、頭等)時可以自動后退到底，從而可以避免事故的發(fā)生，車窗防夾功能對汽車的安全性能而言是一種十分人性化的設計。</p><p>　　與此同時，

7、在我國國外企業(yè)壟斷了技術含量高、利潤豐厚的發(fā)動機電子、底盤電子和車身電子等產品的汽車電子市場，國內企業(yè)仍局限在低端產品，如車載音響等。國內的汽車公司大多沒有建立自己的總線網絡技術標準，更多的還主要是開發(fā)支持CAN/LIN車載設備，配合某種車型的CAN/LIN網絡使自己的產品支持這種總線通信協(xié)議。目前我們的研發(fā)工作還處在向國外學習的階段，但很多與汽車電子技術相關的國外文獻都是講其優(yōu)勢，不講其缺陷。結果使得我國許多從事汽車電子技術的研發(fā)人員

8、在研發(fā)過程中，不能進行取長補短，使研發(fā)陷入困境。突破技術封鎖也是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。本課題旨在提出一種基于LIN線技術的汽車車窗智能控制系統(tǒng)中，使得該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、易于維護和很好的穩(wěn)定性等優(yōu)點。首先對LIN總線協(xié)議進行了研究，制定相應的LIN總線協(xié)議規(guī)范，然后完成了車窗控制系統(tǒng)的軟硬件功能實現，包括汽車車窗防夾系統(tǒng)和溫控車窗舒適系統(tǒng)的實現，改進了車窗控制系統(tǒng)的安全性和舒適性，使得車窗控制系統(tǒng)的設計更人性化。此次課題的研究成功對

9、以后逐步實現汽車電子技術的國產化有重要意義。</p><p>　　現代的汽車電子技術已體現出網絡化的發(fā)展方向，車載網絡成為汽車電子領域的最大熱點，提高控制單元間通信可靠性和降低導線成本的網絡總線技術應用成為動力所在，包括CAN、LIN、FlexRay、MOST等已成為現代汽車網絡總線的關鍵技術。</p><p>　　（1）FlexRay 高速度（每通道高達10Mbps）、雙通道、時間觸

10、發(fā)、強大的容錯協(xié)議，設計用作骨干網。一般的目標應用是所謂的X-by-wire（線控）概念。其目的是通過電子信號傳輸來替代傳統(tǒng)的制動踏板和制動器或方向盤和車輪之間的機械傳動。 </p><p>　?。?）CAN 中等速度（最高1Mbps）、單通道、雙線容錯協(xié)議，目前不僅在汽車業(yè)，還在許多工業(yè)應用中廣泛使用。CAN協(xié)議的目標應用可以包括電機控制、懸架控制和車內資訊娛樂功能。 </p><p&g

11、t;　　（3）LIN 低速（最高20kbps）、單線低成本協(xié)議，可用於終端節(jié)點應用。LIN的概念注定這種協(xié)議用於傳感器/執(zhí)行器中，一般用于低速通訊，即速度不是關鍵因素的應用中。 而本次設計用的是LIN總線的方式來實現對車窗的升降的一個控制。</p><p>　　一、汽車車窗電機工作原理分析</p><p>　　1.1、汽車車窗電機參數</p><p&g

12、t;<b>　　圖1.電機參數</b></p><p>　　1.2、汽車車窗電機工作原理</p><p><b>　　1.電動車窗概述</b></p><p>　　現在許多轎車門窗玻璃的升降(關閉和開啟)已經拋棄了搖把式的手動升降方式，一般都改用按鈕式電動升降方式，即使用電動玻璃升降器來控制，也就是常說的“電動車窗”。&l

13、t;/p><p>　　電動車窗系統(tǒng)主要是由車窗、車窗升降器、車窗電動機、相關的電子電路模塊以及開關等裝置組成。</p><p>　　車窗和車窗升降器主要是機械結構，這里不作介紹。所有的車窗系統(tǒng)都裝有兩套控制開關。一套裝在駕駛員側門的中部，為總開關，由駕駛員控制每個車窗的升降。另一套分別裝在每個車門的中部，為分開關，由乘客進行操作。對開關的操作可以完成車窗的手動升降，很多高級轎車還具有自動升降功

14、能。車窗電動機的質量直接關系到電動玻璃升降器的正常工作，它具有體積小、重量輕、防護等級高、噪聲低、電磁干擾小、運行可靠等特點。</p><p>　　現在國產轎車上絕大部分的車窗電動機還是采用繼電器控制方式或者使用限位開關的機械電子組合控制方式。20世紀90年代中期以來，電動玻璃升降器的控制技術發(fā)展很快，電子模塊控制形式大量應用于批量裝車，并具有安全保護功能。例如博世公司生產的電動玻璃升降器系統(tǒng)，在電動機中埋植磁環(huán)

15、，感應電機轉速，在電子模塊中埋植霍爾元件，感應電流，并通過電子模塊控制對電動機的過流、過壓及過熱保護，而且當玻璃上升途中遇到人力障礙時會自動識別而反向運行，防止乘員夾傷，實現防夾功能。</p><p>　　2.直流勵磁的磁路在電工設備中的應用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應用在直流旋轉電機中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電

16、動機。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內電車、電纜設備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發(fā)電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。雖然直流發(fā)電機和直流電動機的用途各不同，但是它們的結構基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現機械

17、能與電能的相互轉換。 直流電機的最大弱點就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運行中的維護檢修也比較麻煩。因此，電機制造業(yè)中正在努力改善交流電動機的調速性能，并且大量代替直流電動機。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機方面，已經取得了很大進展。包括直流電機在內的一切旋轉電機，實際上都是依據我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：</p><p>　　二、汽車車窗電機控制器方案</p>

18、;<p>　　2.1、汽車車窗電機參數分析</p><p>　　汽車車窗電機控制電路。結構簡單，開窗速度可控且電磁干擾小。包括電源保護單元、功率單元、控制單元和換 向單元，控制單元包括MCU，換向單元包括控制車窗上升的繼電器K1和控制車窗下降的繼電器K2；功率單元包括濾波電路和調速控制電路，調速控制電路包括 集成MOSFET智能開關、電阻R2、電阻R3、電阻R4、二級管D3和電容C10；集成MOSF

19、ET智能開關設有信號接口一、信號接口二、信號接口三和 信號接口四。本實用新型中，由于在換向過程中，電機回路是沒有通電的，所以就不會產生電磁干擾；又因為本案中采用集成MOSFET智能開關代替現有技術中 的分立器件，使得生產成本大幅降低，可靠性增強 。</p><p>　　2.2、汽車車窗電機控制方法分析</p><p>　　新車型設計時,并不是什么都是從頭開始,而是首先根據設計需求,選定一個

20、基本車型作為參考,這樣可降低設計難度,使設計思路更加清晰?新車型電動車窗的設計也是參考基礎車型電動車窗進行的,因此,有必要先介紹一下基礎車型電動車窗的功能及控制原理和方式? 基礎車型電動車窗控制部分由電動車窗主開關?電動車窗副開關?電動車窗電動機?電動車窗電動機斷路器組成?</p><p>　　2.3、汽車車窗電機硬件方案</p><p>　　電機的硬件可以分為兩個模塊，即電源模

21、塊和電機的驅動模塊。電源模塊主要是為電機和其他芯片供電，由于單片機的電源電壓是5V的，所以還需要一個LM2575穩(wěn)壓電源電路芯片來構一個穩(wěn)壓電路，將12V的電壓轉化5V電壓。電機驅動可由智能功率芯片MC33486，該芯片可外接兩個MOSFET管(這里選用P60N06，能夠輸出較大的工作電流驅動電機)組成一個H橋來實現電機的雙向控制。其正常工作溫度范圍在－40℃到+150℃，正常連續(xù)輸出電流最大達到10A，直流輸入電壓范圍為8~28V，而

22、且當電壓高于28V時具有過壓保護功能。</p><p>　　三、汽車車窗電機控制器硬件設計</p><p><b>　　3.1車窗控制系統(tǒng)</b></p><p>　　車窗控制系統(tǒng)主要是由車窗、車窗升降器、車窗電機模塊、控制開關以及相關的電子電路模塊等裝置組成。車窗和車窗升降器主要是機械結構。車窗控制開關有兩套，一主一從，可以控制每個車窗的升降

23、。一般在主開關上裝有斷路開關，如果它斷開，分開關就不起作用。如今的車窗控制系統(tǒng)內裝有的先進電子設備，具有安全保護功能，能夠通過電子模塊控制對電機的過流、過壓以及過熱保護，而且當玻璃上升途中遇到障礙時會自動識別而停止轉動，防止乘客夾傷，實現防夾功能。下面對本次設計的電子電路模塊給出了詳細說明。</p><p>　　3.2 LIN節(jié)點設計</p><p>　　微處理器需要選擇帶有異步串行收發(fā)器

24、模塊(UART)的微控制器和符合LINv2.1規(guī)范的收發(fā)器，因為它決定了系統(tǒng)的硬件設計連接以及軟件開發(fā)環(huán)境等一系列的問題。在汽車專用微控制器(MCU)領域，美國Mierochip(微芯)和Freescale(飛思卡爾)兩家公司的MCU針對LIN的數據收發(fā)進行了優(yōu)化設計，同時，針對汽車的惡劣環(huán)境如溫度，濕度變化大、電磁干擾嚴重做了性能優(yōu)化，是用于車內LIN控制節(jié)點微控制器的較好方案。本文選用Freescale公司的MC9S08DZ60單片

25、機和LIN物理層收發(fā)器MCZ33661芯片構成節(jié)點的硬件。</p><p>　　MC9S08DZ60單片機提供了工業(yè)級的制造工藝與流片工藝保證，因此可以適用于嚴酷的車內運行環(huán)境。而MCZ33661是LIN總線收發(fā)器，在單片機和LIN半雙工總線之間提供了一個物理接口，可以為汽車和工業(yè)應用捉供一個最高20Kbit/s的串行總線傳輸速率。LIN收發(fā)器MCZ33661芯片針對工作在汽車環(huán)境下的情況進行了特別設計，符合LI

26、Nv2.1總線規(guī)格。</p><p>　　圖2.LIN節(jié)點硬件電路圖</p><p>　　圖3—4顯示了LIN總線的節(jié)點硬件連接示意圖。圖中C7應該選用電解電容電容或膽電容，使芯片能在更大的溫度范圍內工作。C1用作外部電壓源的濾波電容。D2則是27V的瞬態(tài)電壓抑制二極管，同為可選器件，可以在電源瞬變的時候起保護作用。因LIN總線為單主多從結構，無需總線仲裁，由主節(jié)點控制總線訪問，故對LIN

27、主節(jié)點的保護額外重要，故采用了圖中包含二極管D1的虛線部分來實現對主節(jié)點的保護。圖中MCZ33661為MC9S08DZ60和LIN總線之間提供了一個雙向通信接口，能夠把LIN總線的電平轉換成微控制器能夠接收的TxD，RxD信號，或者進行與之相反的轉換。其中，MC9S08DZ60供電電源5.0V由汽車電源經電源轉換穩(wěn)壓得到。MCZ33661的供電由汽車電源直接供給12V。MCZ33661的增強型異步收發(fā)器可以用硬件完成LIN報文幀的同步間

28、隔場接收，并以中斷的方式告知單片機開始接收總線的數據。LIN報文幀的數據收發(fā)滿足1位起始位，8位數據位，1位停止位條件，用微控制器的UART模塊和UART中斷功能即可完成LIN總線上數據的收發(fā)。</p><p>　　3.3電源模塊的設計</p><p>　　目前汽車內的蓄電池電源通常都是直流 +l2V，汽車內很多電子設備需要依靠它來供電，比如電子打火器，各類電子儀表，自動車窗等，雖然是蓄電

29、池，仍難以保證其穩(wěn)定輸出。車載網絡中主要用到兩種電源 :+12V、+5V。 +12V的電壓主要是為電機驅動和LIN收發(fā)器供電，+5V的電壓則是給電路中的其它芯片供電，因此需要進行 +12V到+5V的轉換，而且車載電源的穩(wěn)定性差，需要其輸出電壓進行穩(wěn)壓。電源電路采用了LM2575穩(wěn)壓電源電路芯片，對 +12V轉+5V供電電路可以參考圖3—5電路。</p><p>　　圖3.+12V轉+5V電源轉換電路</p&

30、gt;<p>　　穩(wěn)壓芯片LM2575是按照開關電源的工作原理集成的電源芯片，因此其工作效率高，輸出電壓穩(wěn)定，最大輸出電流能達到3A，在穩(wěn)壓芯片LM2575瞬間停止輸出時，由電感的電磁感應效應形成的電壓給電路供電，此時快恢復型肖特基二極管IN5822作為回路的一部分，其工作電流的大小直接影響電源實際輸出電流的大小。圖中的電容C6和C7選用電解電容，可以有效濾除高低頻干擾。</p><p>　　3.4

31、電機驅動模塊設計</p><p>　　由于本次車窗電機采用供電電壓11V~15V，工作電流不大于15A，堵轉電流不大于28A的永磁直流電機，需要的電機功率較大并伴有沖擊電流的正反相控制要求。智能功率芯片MC33486是飛思卡爾半導體公司生產的專用于車身電子的電機驅動芯片，該芯片可外接兩個MOSFET管(這里選用P60N06，能夠輸出較大的工作電流驅動電機)組成一個H橋來實現電機的雙向控制。其正常工作溫度范圍在－4

32、0℃到+150℃，正常連續(xù)輸出電流最大達到10A，直流輸入電壓范圍為8~28V，而且當電壓高于28V時具有過壓保護功能。它能夠采集電機的電流，利用它反饋給單片機A/D采樣模塊得到電機電流值，從而完成電機的雙向控制和實現車窗防夾功能，達到了車窗電機驅動模塊的設計要求。其電路圖如圖3—6所示。</p><p><b>　　圖4.電機驅動電路</b></p><p>　　電

33、機控制原理如下:初始狀態(tài)中，GLSI和GLsZ都同時置高電平或低電平，OUTI和OUTZ一直保持高電平。當U6中的柵極為低電平且U7的柵極為高電平時，直流電機正轉，車窗上升;反之，當U6中的柵極為高電平且U7的柵極為低電平時，直流電機反轉，車窗下降，這樣就足以完成永磁直流電機的正反相控制要求。</p><p>　　除此之外，飛思卡爾的功率芯片MC33486還具有負載電流的線性復制功能，Cur-R輸出電流和負載電流

34、成線性比例，Cur-R輸出電流再通過采樣電阻和限流電阻把電流轉化為電壓輸入到單片機的采樣端。電壓進行A/D轉換和一些計算后就可以得到負載的真實電流。因此，監(jiān)測輸入到單片機端口的電壓就等同于監(jiān)測車窗運動中電機的電流。車窗上升過程、下降過程、上升遇到阻力過程中，經過電機的電流都呈規(guī)律性的變化，而這些電流變化都可以通過電流采樣實時地反映到單片機中，其中為玻璃升降器的電機電流：</p><p>　　這個電流通過采樣電阻R

35、8和限流電阻R9把電流轉化為電壓輸入到單片機ADC的采樣端。輸入到單片機端的電壓為：</p><p>　　將電壓進行A／D轉換和一些計算后就可以得到負載的真實電流。因此，監(jiān)測輸入到單片機端口的電壓就等同于監(jiān)測車窗運動中電機的電流。車窗上升過程中遇到阻力時經過電機的電流都呈規(guī)律性的變化，而這些電流變化都通過電流采樣實時地反映到單片機中。</p><p>　　四、汽車車窗電機控制器軟件設計&l

36、t;/p><p><b>　　4.1報文內容定義</b></p><p>　　在本次LIN通信中，設置的傳輸速率為9600bits,數據場為8個字節(jié)，雖然實際工作中，并不需要這么多的字節(jié)，這里是為了以后提供功能擴展才將數據場字節(jié)設置為最大的8個字節(jié)。在本次通信中只用到了兩個字節(jié)的定義。一個字節(jié)用于車窗控制定義，一個字節(jié)用于狀態(tài)診斷檢測。其具體字節(jié)定義如下：</p&g

37、t;<p>　　其中只有當Bit3=1時，后面的Bit2 、Bit1、Bit0位才有意義，否則Bit2 、Bit1、Bit0位的功能定義無效。</p><p>　　在本次設計中，車窗診斷報文數據字節(jié)只籠統(tǒng)的定義了兩個位狀態(tài)：車窗工作狀態(tài)是否正常以及數據是否正確傳輸，在實際設計中，包含的診斷內容遠遠不止這些，包括車窗電機的工作情況，車窗電機驅動電路的情況，報文頭傳輸的情況等等。由于其中涉及到內容較多，

38、本次設計不作介紹。</p><p>　　在LIN通信中最重要的標識符場（ID場）的定義有嚴格的規(guī)定，按照上面對標識符場的介紹對四個車窗的ID進行了如下定義:</p><p>　　由上得各節(jié)點的ID如下駕駛室車窗主節(jié)點ID=0x8E；副駕駛室從節(jié)點ID=0x4D；</p><p>　　左后窗從節(jié)點ID=0x2C；右后窗從節(jié)點ID=0x1D。</p>&l

39、t;p>　　4.2 LIN節(jié)點軟件設計</p><p>　　車窗系統(tǒng)工作性能的好壞取決于程序結構的合理性，一個好的程序結構有助于提高程序的運行速度和功能的正常實現。本次車窗系統(tǒng)的軟件設計包括兩個部分:車窗LIN主機節(jié)點和車窗LIN從機節(jié)點。參照車窗控制LDF文件，本文詳細說明了LIN總線主節(jié)點和從節(jié)點的軟件編寫。</p><p>　　圖5. LIN主機節(jié)點軟件流程圖</p>

40、;<p>　　車窗LIN主機節(jié)點的軟件流程圖如圖3-1所示。首先，主節(jié)點完成微控制器的寄存器初始化和變量初始化，然后進入自身任務循環(huán)中。在車窗控制方案中，如果主節(jié)點ECU檢測到主電動車窗開關狀態(tài)后，就向總線發(fā)送消息。此時主節(jié)點啟動LIN報文幀的發(fā)送，先發(fā)送主機任務（即報文頭），然后延時幀內響應間隔規(guī)定的時間后，再啟動從機任務（即響應）發(fā)送。相應標識符的從節(jié)點接收到從機任務內容后，執(zhí)行預先定義的操作，如打開、關閉車窗等。主節(jié)

41、點采取邊發(fā)送邊接收的方式，如果接收到的位與發(fā)送的位不一致，則會取消這一次發(fā)送，重新啟動新的發(fā)送過程。如果從節(jié)點接收報文后，產生了位錯誤、校驗和錯誤、標識符奇偶校驗錯誤，從節(jié)點就認為沒有收到任務幀。當主節(jié)點啟動總線診斷主機任務后，從節(jié)點的從機任務以診斷信息告知主節(jié)點己經發(fā)生錯誤。</p><p>　　LIN主機節(jié)點軟件流程圖考慮了車窗整體執(zhí)行動作的一致性與總線信號傳輸之間的關系。任何一個車窗當輸入信號發(fā)生變化時，先

42、將此信號通過LIN總線傳輸到其他節(jié)點上，再同步執(zhí)行該輸入信號所要求的動作。LIN從機節(jié)點則需要將本地節(jié)點的診斷信息實時地發(fā)送給車窗LIN主機節(jié)點。這樣，LIN主節(jié)點就可以實時地接收LIN從機節(jié)點發(fā)送的數據。</p><p>　　LIN協(xié)議采用了標準的串行通信接口，軟件的實現要嚴格遵守協(xié)議的規(guī)定。通常LIN實現采用LIN規(guī)范規(guī)定的 API(Applieation Program Interfaee)應用程序接口，

43、 LIN _API是LIN網絡和應用程序之間的接口。 LIN_API是一個網絡軟件層，它在用戶為任意的ECU建立應用程序時，隱藏了LIN網絡配置的詳細情況(例如:信號如何映射到相應的幀)，所以它提供了一個API給用戶，這個API著重于LIN網絡的信號傳輸。</p><p>　　車窗LIN從機節(jié)點軟件流程圖如圖3—2所示。從主機節(jié)點的軟件流程圖可以得知，當信號發(fā)生變化時，主機節(jié)點進行相關LIN報文的發(fā)送，LIN從機

44、節(jié)點需要實時地進行相關信息報文的發(fā)送。這樣，對于LIN從機節(jié)點的驅動函數的實現與主機節(jié)點基本相同，我們需要在等待接收LIN主機節(jié)點發(fā)送報文的時間內處理本地節(jié)點的驅動函數以及本地LIN報文的發(fā)送等工作。</p><p>　　圖6. LIN從機節(jié)點軟件流程圖</p><p>　　4.3車窗電機啟動控制算法</p><p>　　啟動是指直流電動機由靜止達到穩(wěn)定轉速的過程

45、。若直接啟動給電動機加上U額，則啟動電流很大，會帶來強烈的火花現象，電流正比于轉矩，過大的轉矩帶來很大的沖擊，電壓波動影響供電的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)設計的時候，電機啟動采取PWM的方式進行。采用2kHz的頻率，分為1O段，占空比從0 逐步上升到100 。每段1O個脈沖共5ms時間，lO段啟動時間一共50 ms。在實驗中證實，采取這種啟動方式，啟動比較平穩(wěn)，啟動快速性較好。在車窗啟動的這段時間里，電機的電流變化比較大，無法通過監(jiān)測電流的變化來

46、實覡防夾功能，同時這段時間很短，因此在啟動的這段時間內應避免實現防夾功能。</p><p>　　而在停止的時候，不是監(jiān)測到電機堵轉才停止，而是監(jiān)測到電機的電流超過了其正常工作電流的一定幅度就停止電機，在本系統(tǒng)實驗中，這個界限電流定義為l1 A。上升過程電機的電流變化見圖5—3，電機的電流呈現逐步增大的趨勢，連續(xù)變化，當達到超過的11A時就迅速停止電機的工作。</p><p>　　圖6.車窗