一款乘用车外后视镜电动折叠控制器设计原理

张明成

（上海大众汽车有限公司，上海 201805）

外侧后视镜电动折叠指汽车外侧后视镜通过操作开关和电动机驱动而实现镜框折叠和展开的功能，如图1所示。当汽车进入较小区域如弄堂、停车泊位时，由于后视镜镜框是车身最宽部位，这时为防擦伤及缩小停车泊位空间，保证在后视安全性上把损害程度降低到最小限度，需将镜框折叠，若配备电动折叠功能，驾驶员便可在车内方便、准确地调节。

随着人们对车设备功能使用的认识，市场逐步产生了对普通乘用车外后视镜加置电动折叠功能的要求。为满足这部分市场需求，车厂需将该功能作为可选项或车配置升级推出。而作为一个可选或加配的装备系统，考虑装车需求量的经济性，其控制系统和控制电路等就需以分立系统形式进行单独设计。本文将对该控制器的设计实现及控制策略进行介绍。

1 外后视镜电动折叠系统控制方式

外后视镜电动折叠控制系统主要由折叠电动机、折叠控制开关、控制电路构成。

折叠电动机在电动折叠外后视镜的总成内，提供折翻动力。折叠控制开关装置在驾驶座侧的门内饰板处，方便用户操作。用户通过拨动开关选择折叠或伸展档位时，使外后视镜折翻到所需的位置状态。控制电路是它们产生关联的根本关键。为了达到旋拨一下开关让外后视镜框实现翻折，到位后自动断电停下，就必须由具有自控功能的电路来完成。该控制电路有两种构成方式。

1.1 传统的机电式控制

即在电动折叠外后视镜总成内增设2个微动限位开关，当拨动开关选择折叠档位时，折叠电动机折叠回路接通，电动机向折叠方向转动，在折翻到“折叠止点”位置时，其联动压片压到 “折叠止点限位开关”，该微动限位开关内的触点断开，切断了该条电回路，使电动机断电停下。而当电动机向折叠方向转动一旦转离 “伸展止点”位置时，同样其联动的压片不再压到 “伸展止点限位开关”，该微动限位开关内的触点接通，为作下次伸展准备了条件。反之亦然，其控制电路如图2所示。

该控制电路主要缺点如下：①在每个电动折叠外侧后视镜总成中要增加2个限位开关，使该总成结构复杂且可靠性差，并且不能利用现存的电动折叠外后视镜总成的平台零件，增加了开发成本和零件成本。②折叠控制开关要增加4个引脚，这也使该开关结构复杂且可靠性降低，且也不能利用现存的平台零件，同样将增加开发成本和零件成本。③线束至少要多增加6根，增加了线束布置的复杂性，降低了可靠性，增加了线束成本。

传统的机电式控制虽然缺点显著，但其控制方式的逻辑对要引入的控制器控制方法是有启迪的。

1.2 单片机嵌入技术控制

采用单片机嵌入技术实现使用较高性价比的小控制器的控制，如图3所示。其把实际的4个限位开关虚拟化到了一个控制器中。拨动折叠开关，控制器依据折叠开关的输出信号启动电动机作出相应方向的转动，转到相应的 “止点位置”后自动断电停止。这样简化了外围线路，简化其后视镜总成的结构和控制开关结构，提高了可靠性及可实施性，降低了成本。该电路中控制器的 “V端脚”的作用将在下面说明。

2 控制器的设计要求和硬件架构框图

2.1 设计要求

外围线路图 （图3）已定，该控制器要分别控制左右2个折叠电动机，控制器需4个输出端：端子ML+、ML-和MR+、MR-分别接至2个折叠电动机上。电动机的最大运行电流It=0.3A，最小堵转电流Is=1.5 A；启动电压9 V，最大工作电压24 V。额定的折叠或伸展时间为2.86s（电压为12V的条件下）。要求控制器有过载、过电流、过热、过压保护。输出端有对搭铁对电源短路的保护。要求让折叠电动机仅在电压允许的范围 （9～17V）内运行。

该控制器需设3个输入端和1个搭铁端。3个输入端分别为：①KL15输入端。其是系统控制电路电源的接入端，来自点火开关ON档位的KL15端电源，因此需要控制器具有抗发动机起动时电压跌至6 V的情况和电源线上瞬态过电压等传导干扰。②FS输入端。FS连接至折叠开关 （Fold Switch）的输出端。折叠开关是组合在后视镜调节开关上的一个通断形式的旋钮操作开关。折叠开关是小电流触点，负载限于100mA以下，鉴于在小信号电路应用中要避免过小的信号电流在受触点表面膜的影响时出现信号不良情况，要求控制器与开关联通的信号电流应保持在湿性电流 （wetting currents）范围，即在这里要求信号电流不小于1mA。③V输入端。其为车速（Velocity）信号输入端，来自于组合仪表的车速信号输出端，以方波脉冲频率对应于车速，在这里频率的N赫兹就对应着车速每小时N公里。这里引入车速信号是要限制当车速大于5km／h时对外后视镜作折叠操作，这是为增强系统的抗干扰性和防错操作方面的冗余保护要求。

对于后视镜是否已折翻到止点位的判别，可依据电动机堵转电流或电动机通电延时时间来确定。到位后自动关闭电动机运行。

2.2 硬件架构框图

由设计要求，可确定控制器硬件基本架构框图，如图4所示。

控制器电路采用微控制器MCU作主控，折叠电动机的驱动采用H桥形式功率驱动模块，电动机堵转电流采样由采样电路获得，经放大电路放大后送MCU处理。输入电源经供电模块处理后供MCU、H桥驱动模块和控制器内的其他电路使用。折叠开关信号和车速信号经信号调理电路调理后分别送MCU处理，一方面信号经调理后是为了把信号调理到合适MCU的可接受信号的范围，另一方面可使外电路与MCU隔离，避免外电路意外过电压干扰对MCU带来的风险。MCU依据对各条件辨别，通过对折叠开关的信号响应，对折叠电动机作出运行控制。

3 控制器控制策略

1）控制器通过查询FS端的信号，确定后视镜应处在伸展还是折叠状态。搭铁低电平为折叠信号，悬空高电平为伸展状态信号。当后视镜所处位置状态与开关信号要求相符时，折叠电动机保持不动；当后视镜所处位置状态与开关信号要求不相符时，启动折叠电动机使其转向与折叠开关要求相符的位置，到位后自动关闭折叠电动机的运行。

2）当车速＞5km／h时，控制器不接受处理此时的折叠开关发来的信号请求，仍保持或处理此前在车速≤5km／h时最近一次折叠开关发来的信号请求（折叠或伸展），继续完成已响应的执行任务，直至完成。然后关闭和封锁折叠电动机驱动模块的输出，直到车速恢复到≤5km／h，重新再接受处理开关此时发来的信号请求。

3）当供电电压为非正常时 （小于9V，大于17V，持续时间大于200ms），控制器不再响应此时的折叠开关信号，并关闭和封锁折叠电动机驱动模块的输出，直到供电正常。

4）在接到电动机驱动模块有过热情况时，立即关闭或封锁相应的驱动模块的输出，直到过热情况消除。

5）外后视镜折叠或伸展到了止点位置 （折叠止点位或伸展止点位），控制器即行关闭相应电动机的驱动输出。折翻到位其止点位置的判别，是以测得折叠电动机的电流是否达到了堵转定义值 ［这里堵转定义值为I≧0.8Is（约1.2A），持续时间为0.3s］或以检测折叠电动机通电延时时间 （电动机在某个转向启动后的通电时间）是否达到了设定值 （这里设定值取后视镜最长折翻时间约5s）为判据。如果上述二个条件之一满足，即可判为后视镜总成已折叠或伸展到了止点位置。

6）外后视镜折叠或伸展到了止点位置关闭相应的折叠电动机的驱动输出后，立即在程序上 “禁止”该驱动口电动机再可作 “同向”转动的可能。直到该输出端口有过 “反向”转动开启操作响应，该 “禁止”才可被解除。

7）当电源电压不正常进入了上述第3点的处理过程中，或当电动机驱动模块过热进入了上述第4点的处理过程中，其时如有 “堵转持续时间 （0.3s）”正处计时的，或 “电动机通电延时时间 （延时5s）”正处计时的，这时它们的计时应暂停。直至电压和模块温度恢复正常后， “堵转持续时间计时”、 “电动机通电延时时间 （延时5 s）计时”才即刻恢复，并从中断的计时数处连续下去。

4 硬件电路的实现

通过性价比选择控制器的组成零件，设计和形成详细的控制器电路图，如图5所示。

1）控制芯片MCU选用Microchip公司的单片机PIC16F616。PIC16F616是一款14引脚、8位的CMOS带闪存的单片机，自带4MB的Flash ROM （作为程序存储器）和128B的SRAM （作为数据存储器）。其工作电压2～5.5V，内部集成有A／D转换、比较器等硬件模块，具有上电复位、欠压复位、看门狗、3个定时器、代码保护等功能。低功耗特性2.0V时工作电流典型值为220 μA。11个I／O引脚是可复用的端脚——通过设置端口可成为模数转换A／D、比较器C、定时器T的端脚和1个仅可作输入的端脚RA3。它们具有高的灌／拉电流能力 （25mA）。该微控器可满足这款电路的作为主控制要求。

这里I／O端脚RA0设置作A／D转换输入端，用作对供电电压采样输入、A／D转换后MCU读取数值和比较判断以对供电电压进行监控。I／O脚RA5作为车速信号输入端口，设置其具有电平变化就有中断申请，利用该特性实时监测车速-频率脉冲周期时间，以便控制器对车速要求的响应。2个I／O （RA1，RC3）设为MCU的比较器输入，为检测堵转电流信号 （经放大后的转换电压）所用，利用MCU内部的电压比较器直接把输入模拟电压与MCU内部的设定电压比较，一旦大于等于设定电压会产生中断标志，立即让MCU来处理。实现了模拟到数字的接口。 3个I／O端脚 （RA4、 RA3、 RC4） 设置作数字输入端口，分别作折叠开关信号和2个驱动桥模块过热报警信号输入之用。最后5个I／O端脚 （RC5、RC0、RA2、RC1、RC2）设置作为数字输出端口：端脚RC5输出信号，同时控制2个驱动桥模块的使能线；端脚RC1、RC2分别连接至右电动机H桥模块的驱动输入端IN1、IN2；端脚RC0、RA2分别连接至左电动机驱动桥模块的驱动输入端IN1、IN2。这样MCU通过控制端口电平控制驱动模块的IN端脚（IN1／IN2）， 从而控制它们的输出OUT （OUT1／OUT2）的极性的转换。

2）电动机驱动芯片采用STMicroelectronics公司的双半H桥驱动器IC模块L9997ND，2个半桥可搭成一个全桥使用。共使用2个模块分别去驱动左右折叠电动机。左右折叠电动机运转的每个模块根据IN1、IN2上来自于MCU的输入信号控制折叠电动机的正反转及停止。该模块IN1、IN2输入端口带有磁滞回线门限，输入电平范围与CMOS相兼容，不仅具有良好的抗干扰性，且可与MCU的输出端口直接对接，省去了对接需增加信号功率放大的环节。该驱动模块具有较大的电流驱动能力，每通道1.2A持续电流，最大电流可达1.6～2.2A。输出端内置并联的续流二极管能释放感性负载的反电势和电流，使其在驱动电动机时安全可靠。其端口DIAG是模块故障报警输出，当芯片过热或过电压 （大于40 V时）会发出低电平通知信号。该模块自身还具有输出短路保护、过热自动关断输出的功能。工作电压为7～17V，具有过压保护功能。其端口EN是 “使能控制”输入端，要模块进入工作时，必须对该端口加以高电平。当对该端口加以低电平信号或该端口处于悬空状态时，模块则进入休眠的静态模式，此时该模块的输出端口关闭呈高阻状态，模块静态电流仅为1μA。

驱动模块的每个IN端脚 （IN1／IN2）与其相对应的输出端OUT（OUT1／OUT2）的电平关系是同向的：即当IN端为高时，其对应的输出端OUT也为高。当IN端为低时，其对应的输出端OUT也为低。因此二个H半桥搭成一个H桥去驱动折叠电动机时，端脚IN1与IN2的电平相异时电动机转动，相同时电动机停转。IN1与IN2相异的电平相互转变，使得电动机转向相应改变。控制了驱动模块的IN1和IN2的电平，即控制了电动机的启停和转向。

这款双半H桥模块的多功能和高度集成化，使外围零件减少，整体电路可靠性提高。其较高的性价比为控制器带来了较好的利益。

3）5V电源采用三端稳压集成模块LM2950-50搭建。具有较低的管压降 （＜0.5V），输入电压范围6～30V， 高精度输出电压 （5.0V）， 输出电流100mA。可满足汽车起动时电压跌落时仍可提供合格供电的要求。

4）U3是电动机堵转电流采样放大器，是一颗低功耗双运放的集成块LM2904。其具有大的直流电压增益 （100dB），单电源供电，极低的输入偏置电流 （20nA）带温度补偿，低的失调输入电流 （2nA），输入共模电压范围包括了零伏。输出电压摆幅0到Ucc-1.5 V （即0～3.5 V）。可满足单电源供电、对采样的小信号放大处理的要求。

5）R6、R7、C8组成供电电压检测电路，经分压和滤波使供电电压的采样信号控制在MCU的A／D采样电压范围内 （0～UDD）。

6）DQ1是一个专用于数字电路的双三极管封装的模块，组成了车速信号和折叠开关信号电平变换电路。其满足了车用控制器输入端必须可经受住直接对搭铁和对车电源的短接试验，并为折叠开关提供湿性电流。该双三极管Ucc＞50 V，最大集电极电流100mA， Ui（off）＜0.5V， Ui（ON）≥3V。

7）电路中的D1瞬态电压抑制二极管 （TVS）与B1磁珠元件，是形成吸收抑制来自车上电源线的传导干扰的第一道防护措施。TVS管标称电压22 V，击穿电压26.9 V，可抑制浪涌电流84 A，抑制电源线上的瞬态过电压。B1磁珠在100MHz时具有600Ω阻抗，10 MHz时约有100 Ω阻抗。其频阻特性可极大地吸收和抑制来自电源线上的大部分高频干扰。

8）二极管D2是防止输入电源极性反接损坏控制器的保护件。需要其有尽量小的管压降、稍高的耐压和较大的额定电流，这里采用肖特基二极管，满足了要求。

9）电路图上的无极性的电容为高频旁路或滤波用。吸收电路干扰和防止干扰发射。

5 软件方案注意点

软件设计上对于一些程序按功能进行分块。利用状态字变量建立各功能程序模块间的联系，避免各功能程序模块在内容上的耦合，以及在处理运行时发生时序上的混乱或长时等待，使主程序得以顺利进行，以便MCU内的看门狗 （WDT）对主程序运行进行超时监控，避免控制器受意外干扰出现死机状态。

对于车速／频率信号进行实时监测，较快速的方法是监测其脉冲周期，通过测量其脉冲周期，即可得到对应的频率。程序中对车速信号脉冲周期的监测是通过设置输入端口RA5，使其具有信号边沿可触发中断申请的端口功能。计算出其二次中断申请间的时间——即为脉冲的半个周期时间，相邻两次的这种半周期时间的和，即为一个脉冲周期时间。当脉冲周期≥200ms时，即有频率 （车速）≤5Hz（km）。

程序中的计时，是利用MCU内部的定时器TMR1作为时基发生器。让其每10ms产生一次中断申请，为各个功能程序模块的时间计时提供服务。

6 结束语

该形式的电动折叠外后视镜控制器已在上海大众新朗逸车 （豪华配置版）上批量使用，效果良好。这个控制器的创新点在于采用了PIC单片机嵌入式技术和ST的双半H桥模块，开发出一个低成本、独立、简便的电动折叠外后视镜控制器。随着未来人们对普通乘用车要求的提升，该类型控制器可进一步升级，如增加CAN线技术，使其与车身控制器联网后，可以扩展诸如故障诊断、停车锁门后自动折叠和遥控折叠等功能，给广大普通乘用车车主带来更为便捷、舒适的用车体验。

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［4］ LM2950 100mA LOW DROPOUT VOLTAGE REGULATION， DataSheet （HTC）［Z］.

［5］ LM2904 LOWPOWER DUAL OPERTIONAL AMPLIFIER，DataSheet （STMicroelectronis）［Z］.

［6］ EMH11／UMH11N ／IMH11A GENERAL PURPOSE （dualdigital transistors）， DataSheet （ROHM）［Z］.

［7］ POWER FOLDING 8.2679／80N16 Technical Specification（FICOSA）［Z］.