智能隐藏式汽车外开手柄控制系统设计*

周满 李冬辉 王立献 江华侨 曹晓鹏

（1.天津大学，天津 300072；2.宁波帅特龙集团有限公司，宁波 315000；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

1 前言

外开手柄是用户首先触及的汽车部件[1-2]，传统手扣式外开手柄受结构外形、功能等因素限制，影响整车美观性、智能性。为提升汽车外开手柄与整车的协调美感及科技感，智能隐藏式外开手柄将成为未来汽车外开手柄的主要发展方向。与传统的手扣式外开手柄相比，隐藏式外开手柄使整车车身线条简约流畅，同时智能式弹出、缩回等功能可极大地提升整车的科技感[3-4]。

但隐藏式外开手柄存在诸多问题[5]，如冬季结冰无法正常弹出[6]、受噪声干扰不能完全缩回[7-8]、夹手[9-10]等。为解决上述问题，本文对隐藏式外开手柄控制系统进行优化设计，增加电流及霍尔传感器，同时增加故障智能检测及容错控制功能，提高隐藏式外开手柄的安全性、智能性，降低其故障率。

2 隐藏式外开手柄控制系统

隐藏式外开手柄控制系统负责接收LIN 总线上的控制指令[11]，并控制外开手柄弹出、缩回等，同时通过采集、分析外开手柄状态信息，实现智能防夹、自主除冰、堵转保护等功能。隐藏式外开手柄控制系统主要由直流有刷电机、蜗轮蜗杆减速器、霍尔传感器和控制器4个部分组成，如图1所示。

图1 隐藏式外开手柄执行机构及控制器系统示意

霍尔传感器置于电机轴尾部，检测到电机轴尾部磁铁磁极变化后，会对外发送脉冲信号，用于检测电机的旋转角速度；减速器置于电机轴输出端，用于增大电机输出力矩；控制器上设有电流采样电路，用于检测电机母线电流，可实现过流保护功能，避免电流过大而损毁元器件。控制器接收指令信号，同时采集外开手柄的状态信息（霍尔信号、电流信号等），并对数据进行分析处理，控制电机旋转，带动减速器旋转，实现蜗轮蜗杆的推出与缩回，最终实现外开手柄的弹出与隐藏。

3 硬件设计

因隐藏式外开手柄内部结构较为紧凑，为减小硬件电路板尺寸，同时降低成本，本文选用iND83209处理器，其内部集成了3 路独立可调的16 位脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）、10位模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、2 路LIN 收 发器，同时可直接由汽车蓄电池供电，无需额外增加模数（AD）采集芯片、LIN收发器、电源管理芯片及外围电路等，可大幅减小电路板尺寸及降低硬件成本。隐藏式外开手柄控制系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

系统通过处理器内部集成的LIN收发器与主机交互，接收LIN总线上的外开手柄控制指令，并对信息进行处理；控制器根据控制指令，生成PWM 控制信号，发送至电机驱动芯片，驱动电机旋转；电机运动带动磁铁旋转，霍尔器件因磁极方向改变，对外发出脉冲信号，处理器通过捕获脉冲信号，进而实现外开手柄的位置及电机转速的估计，实现隐藏式外开手柄的位置控制；处理器自带AD 采集功能，可采集电机母线电压，通过电流及外开手柄位置控制可实现智能防夹、自主除冰、堵转保护等功能。

主控电路设计如图3 所示。因iND83209 处理器功能集成度较高，采用该处理器设计隐藏式外开手柄主控电路时外围电路较为简单，可极大节约印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）上的空间。

图3 主控硬件电路图

因iND83209 处理器主要针对汽车氛围灯设计，不具备电机驱动能力，本文选用MPQ6612 驱动芯片作为电机驱动器，其H 桥由4 个N 沟道功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）组成，具备5 A 电流输出能力，同时具备过压、过流、过温等保护功能，满足项目使用需求。电机驱动电路如图4所示。

图4 电机驱动电路图

驱动芯片具备电机母线电流采集功能，其电压（VISEN）引脚电流输出为0.1 mA，通过外接10 kΩ采样电阻，VISEN 引脚的输出为1 V/A，主处理器通过采集采样电阻的电压，可获取电机母线电流，实现隐藏式外开手柄系统的电流控制。

4 软件设计

智能隐藏式外开手柄控制软件是系统的核心之一，为简化设计且易于工程实现，LIN 信号接收与霍尔信号捕获均采用中断触发方式，电流采集、帧信息处理、外开手柄状态信息处理、故障诊断、系统控制逻辑等均在定时器中断中进行。

4.1 外开手柄控制流程

外开手柄控制模块结合电流状态、霍尔脉冲计数、LIN 通信内容等，生成相应的电机控制指令，进而驱动外开手柄弹出、隐藏、停止等动作。外开手柄控制模块流程框图如图5所示。

图5 外开手柄控制流程框图

进入定时中断后，控制器对帧内容进行分析处理，解析控制指令；然后，读取当前霍尔传感器的脉冲计数，并采集母线电流；之后，对数据信息进行分析处理，分析当前外开手柄的状态信息，并结合故障诊断结果，进入不同的工作模式，执行对应控制策略。

本文设计的智能隐藏式外开手柄控制系统共有7种工作模式：

a.系统休眠模式。系统休眠模式下，电机进入制动状态，PWM管脚均处于拉低状态。

b.堵转保护模式。系统诊断到目前电机处于堵转状态，且多次运行仍存在堵转，则进入堵转保护模式，电机进入制动状态。

c.限位保护模式。系统检测到霍尔脉冲计数已达到限位设定值时，则进入限位保护模式，电机制动，直到控制指令方向发生切换。

d.自动弹出模式。系统故障检测无异常，且收到外开手柄弹出指令后，则进入自动弹出模式，由外开手柄位置控制器控制其自动弹出。

e.自动隐藏模式。系统故障检测无异常，且收到外开手柄缩回指令后，则进入自动隐藏模式，由外开手柄位置控制器控制其自动缩回。

f.智能防夹模式。系统收到外开手柄缩回指令后，在防夹区域内诊断到系统发生堵转，则进入智能防夹模式，由智能防夹控制器控制其运行，在防夹控制策略执行结束后，若仍存在堵转，则进入堵转保护模式。

g.自主除冰模式。系统收到外开手柄弹出指令后，在启动区诊断到系统发生堵转，则进入自主除冰模式，由自主除冰控制器控制其运行，在除冰控制策略执行结束后，若仍存在堵转，则进入堵转保护模式。

4.2 故障自诊断设计

隐藏式外开手柄在运行过程中难免存在误触发、夹手、堵转等问题，为提高系统的安全性，对外开手柄状态信息进行分析处理，实现其故障自诊断及处理，故障自诊断框图如图6所示。

图6 故障自诊断框图

故障自诊断主要包括通信帧诊断、过流诊断、电流异常诊断、霍尔异常诊断、堵转诊断5个部分：

a.通信帧诊断。在复杂工况下（洗车、下雨等），隐藏式外开手柄触摸板可能误触发开锁、解锁功能，为此增加通信帧的诊断功能，系统在10 ms 内连续接收到2帧以上相同内容，则认为帧有效，其他情况下将该帧视为无效帧。

b.过流诊断。隐藏式外开手柄在运行中，可能因堵转、结构卡滞等导致电流过大，为保护器件安全，同时避免噪声引起的误采样，增加过流诊断功能，系统在0.3 s 内电流采样值持续高于阈值，则认为发生堵转，其他情况视为未发生堵转。

c.电流异常诊断。为避免电流采集模块异常导致外开手柄故障，同时避免噪声引起的误采样，增加电流异常诊断功能，系统在0.3 s 内检测电机转速不为零，但电流采样值持续低于阈值下限，则认为电流模块异常，需进行维修，其他情况视为无异常。

d.霍尔异常诊断。为避免霍尔异常导致外开手柄故障，增加霍尔异常诊断功能，系统在0.3 s内检测电机转速不为零，但霍尔采样值持续为零，则认霍尔模块异常，需进行维修，其他情况视为无异常。

e.堵转诊断。外开手柄在运行过程中，因卡滞、夹手、限位等，均会出现堵转情况，为保证系统安全可靠运行，需对堵转原因进行自主诊断分析，并执行相应的控制策略，提高系统的智能性。

外开手柄弹出过程中发生堵转时：若堵转位于启动区，则执行自主除冰操作，执行10 次后，若仍检测为堵转则系统进入堵转保护；若堵转位置不在启动区，且不在限位区，则系统进入堵转保护；若堵转位置不在启动区，但位于限位区内，则认为外开手柄已经完全弹出，系统进入限位保护。

外开手柄缩回过程中发生堵转时：若堵转位于防夹区，则执行智能防夹操作，执行3 次后，若仍检测为堵转则系统进入堵转保护；若堵转位置不在防夹区，且不在限位区，则系统进入堵转保护；若堵转位置不在防夹区，但位于限位区内，则认为外开手柄已经完全缩回，系统进入限位保护。

系统检测到有异常情况发生，或累计20 次连续发生自主除冰操作时，认为电流模块失效，并将错误信息反馈至主机。

5 试验验证

为验证智能隐藏式汽车外开手柄控制系统设计的可行性，搭建试验平台，对其进行功能性测试。主要包括外开手柄弹出与缩回测试、防夹测试、自主除冰测试、堵转测试。试验设备主要包括电源、示波器、LIN 设备、外开手柄控制器等。隐藏式外开手柄控制系统试验平台如图7所示。

图7 外开手柄控制系统试验平台

其中，示波器主要用于检测电机母线电压，因电机启动、停止、正常运行、受阻等情况下电压存在明显区别，可根据电压变化确定电机的运行状态。

5.1 外开手柄弹出与缩回测试

为验证系统的弹出与缩回功能，使用LIN设备向外开手柄发送弹出及缩回指令，并通过示波器监测电机母线上的采样电阻两侧电压，试验结果如图8所示。

图8 外开手柄弹出与缩回测试结果

由图8可知，在弹出及缩回过程中，仅启动时存在电压脉冲，停止时无电压脉冲，即电机启动瞬间存在电流冲击，同时通过统计霍尔脉冲数量的方式，使外开手柄运动到指定位置后，机械限位前自动停止，符合设计要求。

5.2 外开手柄防夹测试

为验证系统的智能防夹功能，在外开手柄的防夹区放置一塑料盒，阻止外开手柄缩回。试验结果如图9所示。

图9 外开手柄防夹测试结果

从图9可知，在缩回过程中，共有6次电压脉冲，第1次、第3次、第5次脉冲为启动缩回，在缩回过程中，在防夹区遇到阻力后，外开手柄自动弹出，即产生第2次、第4次、第6次脉冲，弹出运行一定距离，在达到限位前自动停止，此时电压基本为零，每次弹出保持3 s后再次尝试缩回，连续运行3次，若阻力仍然存在则弹出后不再缩回，与设计的控制逻辑保持一致。

5.3 外开手柄除冰测试

为验证系统的自主除冰功能，在外开手柄的外侧启动区放置障碍物，阻碍外开手柄向外弹出，设定除冰频率为25 Hz，通过高频快速冲击动作，使外开手柄上的冰层松动，进而实现除冰的目的。试验结果如图10所示。

图10 外开手柄除冰测试结果

由图10 可知，共有10 次电压脉冲，脉冲高电平持续时间20 ms，电机在启动区遇到阻力后，保持20 ms若外开手柄仍无法弹出则电机制动，此时电压基本为零，然后再次快速启动重复之前的冲击动作，连续10 次仍无法弹出，阻力仍然存在则不再进行尝试，电机进入制动状态，此时电压基本为零，与设计的控制逻辑保持一致。

5.4 外开手柄堵转测试

为检验外开手柄弹出及缩回过程中的防堵转功能，将霍尔计数值增加，使其超出机械行程，系统检测堵转电流，并实现外开手柄堵转保护，测试结果如图11所示。

由图11 可知，在弹出及缩回过程中，启动和停止时均存在电压脉冲，即在弹出及缩回过程中，发生电机堵转，形成电压脉冲，随后控制电机进入制动状态，母线电流为零，避免长时间堵转而烧毁器件，与设计的控制逻辑保持一致。

图11 外开手柄堵转测试

6 结束语

本文为解决隐藏式外开手柄存在的弹出异常、夹手等问题，设计了具有自主除冰、智能防夹和故障自诊断等功能的外开手柄控制系统，同时从控制系统的功能及控制逻辑的验证2个方面说明了智能隐藏式汽车外开手柄的控制系统设计方案可行，能够根据主机指令，控制外开手柄弹出与缩回，同时能够自主诊断外开手柄故障，并执行自主除冰、智能防夹、堵转保护等操作，有效解决了隐藏式外开手柄运行中出现的故障，提高了系统的安全性和智能性，下一步将结合产品开发对其性能进行详细验证。