基于智能功率开关BTS6143D的车辆雨刷电机起动控制方案设计

李艳明，蒋任君，倪永亮，戚于飞，吴婷婷

(中国北方车辆研究所，北京100072)

随着现代电子技术的发展，车辆用电设备的数量迅速增加，例如空调、多媒体、中央门锁、玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节、点火延时控制等设备，使乘用人员更加方便、快捷和舒服.同时车辆用电设备的迅速增加也带来了如下问题:1)数百米的电力线路与信息线路以及数以百计的电子、电气装置，它们被局限在狭小的安装空间内，因此整个车辆的电磁环境复杂性增高.2)当某些电机负载直接起动时，将会产生瞬间的电流尖峰，其值将是其额定电流的5～6倍(如图1雨刷电机起动曲线)，这就造成了对该电机的损害以及整个电网的冲击，并且影响其它用电设备工作的安全性.因此传统的采用保险丝与继电器的电机负载控制方式就难以满足目前车辆电子电气系统的可靠性与发展的要求.

图1 某车型雨刷电机电流曲线图

针对上述问题，为了减小车辆电机类负载起动的瞬间电流冲击，以车辆雨刷电机为研究对象，对雨刷电机的起动冲击问题进行了研究和试验，提出了以英飞凌XC2000系列微控制器XC2785X控制驱动高边智能开关BTS6143D的电机起动方案，通过控制器捕获比较口实现雨刷电机的脉宽调制起动过程.即保持智能功率开关频率不变的情况下，逐渐增大占空比，使雨刷电机端有效电压从初始值自动无级上升至额定电压，从而使电机转速平稳上升至额定转速，减小起动时的电流冲击，从而实现了雨刷电机的平稳起动，保证了车辆电网的安全性.

1 系统方案设计

雨刷电机起动控制方案由硬件系统方案与软件系统方案组成.

1.1 硬件方案设计

系统的硬件方案主要由微控制器最小系统、功率驱动开关以及其外围驱动采样电路组成，整个系统的原理图如图2所示.

图2 系统硬件原理图

1.1.1 微控制器最小系统

微控制器最小系统主要由微控制器芯片、电源监控及复位电路、隔离型CAN总线组成.

微控制器芯片采用英飞凌公司的16位微控制器SAK-XC2785X-104F80L芯片.该芯片架构为英飞凌成熟的、广受欢迎的C166架构，有着功能强大的内核及片上外设资源，例如:832KB片上Flash存储器、58KB片上RAM、4个 PWM单元(CCU6)驱动三相电机、16通道的普通捕获比较口、24通道A/D转换模块、双通道CAN控制器等.具有很好的鲁棒性、很宽的工作温度范围和很高的可靠性及功耗低的功能，因此能够满足各种苛刻的使用条件.

电源监控及复位电路采用美信公司的MAX705芯片.当电源电压跌落到4.65 V时，给出低电平复位信号;同时该芯片还作为外部看门狗使用.MCU在工作过程中需经常刷新WDI管脚，如果在规定的时间内不能刷新WDI管脚，则该芯片输出复位信号，对MCU进行复位.

隔离型CAN总线收发器采用NXP的82C250，CAN_H和CAN_L管脚通过CAN总线专用共模抑制扼流圈，连接到外部总线上;隔离器件采用ANALOG公司的ADUM1201BRZ，其速率可达10 Mbps，工作温度范围更宽，为-40～+105℃;隔离电源采用TI/BB公司的集成隔离开关电源芯片DCP010505，其工作温度范围为-40～+100℃.

1.1.2 功率驱动开关

功率驱动开关是把功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能力的新型器件.功率驱动开关为固态无触点开关器件，具有优越的环境适应能力，且体积小、重量轻、性能好、抗干扰能力强、使用寿命长等显著优点，非常适合车辆电子电气系统应用领域.

本方案采用德国西门子公司生产的集成SIPMOS＆reg片上技术的高边智能功率开关BTS6143D.该芯片是英飞凌公司设计的高边功率功率管，内部集成有逻辑处理电路、充电泵、功率MOSFET，电流检测反馈电路，同时该集成电路还具有短路关断、过载保护、过压保护、过温关断等功能.其工作的温度范围为-40～+150℃，非常适用于汽车电子苛刻的工作环境，其主要工作性能如表1 所示[1].

表1 BTS6143D主要性能表

如图2所示，其管脚描述如下:

IN:输入管脚，为芯片的控制信号线;

IS:电流反馈引脚;

OUT:电源输出管脚;

Vbb:电源电压输入管脚，给整个芯片供电.

该功率开关适用于阻性、容性、感性负载的驱动控制，尤其在大电流、高浪涌负载的驱动控制上有明显的优势，可以取代传动继电器与保险丝的驱动控制方法.其性能与电磁式继电器相比有着很多的优越性，特别易于实现单片机的控制，响应速度快，当一片不能满足功率要求时可多片并联使用来获得更大的负载驱动能力，因此使得微控制器对大负载的控制更加灵活.

1.1.3 驱动及采样电路

功率开关驱动电路采用ULN2003D芯片，该芯片内部集成7个独立的高耐压、大电流达林顿管，单个达林顿管集电极可输入500 mA电流，将其并联输出可实现更大的电流驱动能力，电路内部设计有续流二极管，可广泛应用于继电器、步进电机等驱动系统[2].

电流采样电路采用电阻进行分压，将智能功率开关的反馈电流值转换为电压值.该电压值经过运放电路LM124处理后输入到微控制器的模拟采集通道，经过数字运算后可以获得当前功率开关的通过电流值[3].

1.2 软件方案设计

雨刷电机起动控制程序采用嵌入式C语言进行编写，利用Keil uVision4进行编译处理，通过DAP接口下载到微控制器中进行运行.主要实现对雨刷电机的如下操作:

1)接收CAN总线雨刷电机通断命令，并上传雨刷电机工作状态及故障状态.

2)通过对雨刷电机状态信息及总线通断命令的综合处理，决定雨刷电机的开通及关断，逻辑关系如表2所示.

3)采用软件起动策略方式对雨刷电机进行起动.程序流程图如图3所示.

表2 逻辑关系

图3 雨刷电机起动流程图

2 起动特性试验

试验过程采用开关频率为5 kHz的PWM波.初始占空比为30%，当占空比达到90%时将其完全开通，每种占空比的持续时间为50 ms[4].其PWM示意图如图4所示，PWM脉宽增长示意图如图5所示.

图4 PWM示意图

图5 PWM脉宽增长示意图

在试验过程中，除了对该起动过程电流采集外，我们还特地对该电机进行传统起动试验(继电器与保险丝模式)，采集了其起动电流曲线以方便我们进行比较，两种起动方式的比较曲线如图6所示.

图6 两种起动方式的试验对比曲线

从图6两种方式起动电流曲线图可以发现，起动电流峰值得到了明显的改善，降幅超过了50%，起动电流的冲击变得很小.实现了雨刷电机平稳无级起动的过程，有利于对负载及电网的保护.

3 结束语

采用PWM起动方式，使车辆负载转速平稳上升，减小了起动时的机械冲击以及电流冲击，从而保证了车辆电网的安全性，但是PWM起动过程所带来的电磁兼容性问题同样值的我们进一步研究.

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

[2]马幼捷，邵宝福.智能功率模块驱动保护电路的研究与应用 [J].电测与仪表，2007，(4):60-63.

[3]唐 华，杨新志.新型双列直插封装智能功率模块及其外部电路设计 [J].电机与控制应用，2006，(11):43-47.

[4]孙 谊，张晓冬，杨廷麟.基于智能功率模块的直流PWM调速系统设计[J].仪器仪表与分析检测，2007，(4):9-12.