一款乘用車外后視鏡電動折疊控制器設計原理

張明成

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

外側后視鏡電動折疊指汽車外側后視鏡通過操作開關和電動機驅動而實現鏡框折疊和展開的功能，如圖1所示。當汽車進入較小區域如弄堂、停車泊位時，由于后視鏡鏡框是車身最寬部位，這時為防擦傷及縮小停車泊位空間，保證在后視安全性上把損害程度降低到最小限度，需將鏡框折疊，若配備電動折疊功能，駕駛員便可在車內方便、準確地調節。

隨著人們對車設備功能使用的認識，市場逐步產生了對普通乘用車外后視鏡加置電動折疊功能的要求。為滿足這部分市場需求，車廠需將該功能作為可選項或車配置升級推出。而作為一個可選或加配的裝備系統，考慮裝車需求量的經濟性，其控制系統和控制電路等就需以分立系統形式進行單獨設計。本文將對該控制器的設計實現及控制策略進行介紹。

1 外后視鏡電動折疊系統控制方式

外后視鏡電動折疊控制系統主要由折疊電動機、折疊控制開關、控制電路構成。

折疊電動機在電動折疊外后視鏡的總成內，提供折翻動力。折疊控制開關裝置在駕駛座側的門內飾板處，方便用戶操作。用戶通過撥動開關選擇折疊或伸展檔位時，使外后視鏡折翻到所需的位置狀態。控制電路是它們產生關聯的根本關鍵。為了達到旋撥一下開關讓外后視鏡框實現翻折，到位后自動斷電停下，就必須由具有自控功能的電路來完成。該控制電路有兩種構成方式。

1.1 傳統的機電式控制

即在電動折疊外后視鏡總成內增設2個微動限位開關，當撥動開關選擇折疊檔位時，折疊電動機折疊回路接通，電動機向折疊方向轉動，在折翻到“折疊止點”位置時，其聯動壓片壓到 “折疊止點限位開關”，該微動限位開關內的觸點斷開，切斷了該條電回路，使電動機斷電停下。而當電動機向折疊方向轉動一旦轉離 “伸展止點”位置時，同樣其聯動的壓片不再壓到 “伸展止點限位開關”，該微動限位開關內的觸點接通，為作下次伸展準備了條件。反之亦然，其控制電路如圖2所示。

該控制電路主要缺點如下：①在每個電動折疊外側后視鏡總成中要增加2個限位開關，使該總成結構復雜且可靠性差，并且不能利用現存的電動折疊外后視鏡總成的平臺零件，增加了開發成本和零件成本。②折疊控制開關要增加4個引腳，這也使該開關結構復雜且可靠性降低，且也不能利用現存的平臺零件，同樣將增加開發成本和零件成本。③線束至少要多增加6根，增加了線束布置的復雜性，降低了可靠性，增加了線束成本。

傳統的機電式控制雖然缺點顯著，但其控制方式的邏輯對要引入的控制器控制方法是有啟迪的。

1.2 單片機嵌入技術控制

采用單片機嵌入技術實現使用較高性價比的小控制器的控制，如圖3所示。其把實際的4個限位開關虛擬化到了一個控制器中。撥動折疊開關，控制器依據折疊開關的輸出信號啟動電動機作出相應方向的轉動，轉到相應的 “止點位置”后自動斷電停止。這樣簡化了外圍線路，簡化其后視鏡總成的結構和控制開關結構，提高了可靠性及可實施性，降低了成本。該電路中控制器的 “V端腳”的作用將在下面說明。

2 控制器的設計要求和硬件架構框圖

2.1 設計要求

外圍線路圖 （圖3）已定，該控制器要分別控制左右2個折疊電動機，控制器需4個輸出端：端子ML+、ML-和MR+、MR-分別接至2個折疊電動機上。電動機的最大運行電流It=0.3A，最小堵轉電流Is=1.5 A；啟動電壓9 V，最大工作電壓24 V。額定的折疊或伸展時間為2.86s（電壓為12V的條件下）。要求控制器有過載、過電流、過熱、過壓保護。輸出端有對搭鐵對電源短路的保護。要求讓折疊電動機僅在電壓允許的范圍 （9～17V）內運行。

該控制器需設3個輸入端和1個搭鐵端。3個輸入端分別為：①KL15輸入端。其是系統控制電路電源的接入端，來自點火開關ON檔位的KL15端電源，因此需要控制器具有抗發動機起動時電壓跌至6 V的情況和電源線上瞬態過電壓等傳導干擾。②FS輸入端。FS連接至折疊開關 （Fold Switch）的輸出端。折疊開關是組合在后視鏡調節開關上的一個通斷形式的旋鈕操作開關。折疊開關是小電流觸點，負載限于100mA以下，鑒于在小信號電路應用中要避免過小的信號電流在受觸點表面膜的影響時出現信號不良情況，要求控制器與開關聯通的信號電流應保持在濕性電流 （wetting currents）范圍，即在這里要求信號電流不小于1mA。③V輸入端。其為車速（Velocity）信號輸入端，來自于組合儀表的車速信號輸出端，以方波脈沖頻率對應于車速，在這里頻率的N赫茲就對應著車速每小時N公里。這里引入車速信號是要限制當車速大于5km／h時對外后視鏡作折疊操作，這是為增強系統的抗干擾性和防錯操作方面的冗余保護要求。

對于后視鏡是否已折翻到止點位的判別，可依據電動機堵轉電流或電動機通電延時時間來確定。到位后自動關閉電動機運行。

2.2 硬件架構框圖

由設計要求，可確定控制器硬件基本架構框圖，如圖4所示。

控制器電路采用微控制器MCU作主控，折疊電動機的驅動采用H橋形式功率驅動模塊，電動機堵轉電流采樣由采樣電路獲得，經放大電路放大后送MCU處理。輸入電源經供電模塊處理后供MCU、H橋驅動模塊和控制器內的其他電路使用。折疊開關信號和車速信號經信號調理電路調理后分別送MCU處理，一方面信號經調理后是為了把信號調理到合適MCU的可接受信號的范圍，另一方面可使外電路與MCU隔離，避免外電路意外過電壓干擾對MCU帶來的風險。MCU依據對各條件辨別，通過對折疊開關的信號響應，對折疊電動機作出運行控制。

3 控制器控制策略

1）控制器通過查詢FS端的信號，確定后視鏡應處在伸展還是折疊狀態。搭鐵低電平為折疊信號，懸空高電平為伸展狀態信號。當后視鏡所處位置狀態與開關信號要求相符時，折疊電動機保持不動；當后視鏡所處位置狀態與開關信號要求不相符時，啟動折疊電動機使其轉向與折疊開關要求相符的位置，到位后自動關閉折疊電動機的運行。

2）當車速＞5km／h時，控制器不接受處理此時的折疊開關發來的信號請求，仍保持或處理此前在車速≤5km／h時最近一次折疊開關發來的信號請求（折疊或伸展），繼續完成已響應的執行任務，直至完成。然后關閉和封鎖折疊電動機驅動模塊的輸出，直到車速恢復到≤5km／h，重新再接受處理開關此時發來的信號請求。

3）當供電電壓為非正常時 （小于9V，大于17V，持續時間大于200ms），控制器不再響應此時的折疊開關信號，并關閉和封鎖折疊電動機驅動模塊的輸出，直到供電正常。

4）在接到電動機驅動模塊有過熱情況時，立即關閉或封鎖相應的驅動模塊的輸出，直到過熱情況消除。

5）外后視鏡折疊或伸展到了止點位置 （折疊止點位或伸展止點位），控制器即行關閉相應電動機的驅動輸出。折翻到位其止點位置的判別，是以測得折疊電動機的電流是否達到了堵轉定義值 ［這里堵轉定義值為I≧0.8Is（約1.2A），持續時間為0.3s］或以檢測折疊電動機通電延時時間 （電動機在某個轉向啟動后的通電時間）是否達到了設定值 （這里設定值取后視鏡最長折翻時間約5s）為判據。如果上述二個條件之一滿足，即可判為后視鏡總成已折疊或伸展到了止點位置。

6）外后視鏡折疊或伸展到了止點位置關閉相應的折疊電動機的驅動輸出后，立即在程序上 “禁止”該驅動口電動機再可作 “同向”轉動的可能。直到該輸出端口有過 “反向”轉動開啟操作響應，該 “禁止”才可被解除。

7）當電源電壓不正常進入了上述第3點的處理過程中，或當電動機驅動模塊過熱進入了上述第4點的處理過程中，其時如有 “堵轉持續時間 （0.3s）”正處計時的，或 “電動機通電延時時間 （延時5s）”正處計時的，這時它們的計時應暫停。直至電壓和模塊溫度恢復正常后， “堵轉持續時間計時”、 “電動機通電延時時間 （延時5 s）計時”才即刻恢復，并從中斷的計時數處連續下去。

4 硬件電路的實現

通過性價比選擇控制器的組成零件，設計和形成詳細的控制器電路圖，如圖5所示。

1）控制芯片MCU選用Microchip公司的單片機PIC16F616。PIC16F616是一款14引腳、8位的CMOS帶閃存的單片機，自帶4MB的Flash ROM （作為程序存儲器）和128B的SRAM （作為數據存儲器）。其工作電壓2～5.5V，內部集成有A／D轉換、比較器等硬件模塊，具有上電復位、欠壓復位、看門狗、3個定時器、代碼保護等功能。低功耗特性2.0V時工作電流典型值為220 μA。11個I／O引腳是可復用的端腳——通過設置端口可成為模數轉換A／D、比較器C、定時器T的端腳和1個僅可作輸入的端腳RA3。它們具有高的灌／拉電流能力 （25mA）。該微控器可滿足這款電路的作為主控制要求。

這里I／O端腳RA0設置作A／D轉換輸入端，用作對供電電壓采樣輸入、A／D轉換后MCU讀取數值和比較判斷以對供電電壓進行監控。I／O腳RA5作為車速信號輸入端口，設置其具有電平變化就有中斷申請，利用該特性實時監測車速-頻率脈沖周期時間，以便控制器對車速要求的響應。2個I／O （RA1，RC3）設為MCU的比較器輸入，為檢測堵轉電流信號 （經放大后的轉換電壓）所用，利用MCU內部的電壓比較器直接把輸入模擬電壓與MCU內部的設定電壓比較，一旦大于等于設定電壓會產生中斷標志，立即讓MCU來處理。實現了模擬到數字的接口。 3個I／O端腳 （RA4、 RA3、 RC4） 設置作數字輸入端口，分別作折疊開關信號和2個驅動橋模塊過熱報警信號輸入之用。最后5個I／O端腳 （RC5、RC0、RA2、RC1、RC2）設置作為數字輸出端口：端腳RC5輸出信號，同時控制2個驅動橋模塊的使能線；端腳RC1、RC2分別連接至右電動機H橋模塊的驅動輸入端IN1、IN2；端腳RC0、RA2分別連接至左電動機驅動橋模塊的驅動輸入端IN1、IN2。這樣MCU通過控制端口電平控制驅動模塊的IN端腳（IN1／IN2）， 從而控制它們的輸出OUT （OUT1／OUT2）的極性的轉換。

2）電動機驅動芯片采用STMicroelectronics公司的雙半H橋驅動器IC模塊L9997ND，2個半橋可搭成一個全橋使用。共使用2個模塊分別去驅動左右折疊電動機。左右折疊電動機運轉的每個模塊根據IN1、IN2上來自于MCU的輸入信號控制折疊電動機的正反轉及停止。該模塊IN1、IN2輸入端口帶有磁滯回線門限，輸入電平范圍與CMOS相兼容，不僅具有良好的抗干擾性，且可與MCU的輸出端口直接對接，省去了對接需增加信號功率放大的環節。該驅動模塊具有較大的電流驅動能力，每通道1.2A持續電流，最大電流可達1.6～2.2A。輸出端內置并聯的續流二極管能釋放感性負載的反電勢和電流，使其在驅動電動機時安全可靠。其端口DIAG是模塊故障報警輸出，當芯片過熱或過電壓 （大于40 V時）會發出低電平通知信號。該模塊自身還具有輸出短路保護、過熱自動關斷輸出的功能。工作電壓為7～17V，具有過壓保護功能。其端口EN是 “使能控制”輸入端，要模塊進入工作時，必須對該端口加以高電平。當對該端口加以低電平信號或該端口處于懸空狀態時，模塊則進入休眠的靜態模式，此時該模塊的輸出端口關閉呈高阻狀態，模塊靜態電流僅為1μA。

驅動模塊的每個IN端腳 （IN1／IN2）與其相對應的輸出端OUT（OUT1／OUT2）的電平關系是同向的：即當IN端為高時，其對應的輸出端OUT也為高。當IN端為低時，其對應的輸出端OUT也為低。因此二個H半橋搭成一個H橋去驅動折疊電動機時，端腳IN1與IN2的電平相異時電動機轉動，相同時電動機停轉。IN1與IN2相異的電平相互轉變，使得電動機轉向相應改變。控制了驅動模塊的IN1和IN2的電平，即控制了電動機的啟停和轉向。

這款雙半H橋模塊的多功能和高度集成化，使外圍零件減少，整體電路可靠性提高。其較高的性價比為控制器帶來了較好的利益。

3）5V電源采用三端穩壓集成模塊LM2950-50搭建。具有較低的管壓降 （＜0.5V），輸入電壓范圍6～30V， 高精度輸出電壓 （5.0V）， 輸出電流100mA。可滿足汽車起動時電壓跌落時仍可提供合格供電的要求。

4）U3是電動機堵轉電流采樣放大器，是一顆低功耗雙運放的集成塊LM2904。其具有大的直流電壓增益 （100dB），單電源供電，極低的輸入偏置電流 （20nA）帶溫度補償，低的失調輸入電流 （2nA），輸入共模電壓范圍包括了零伏。輸出電壓擺幅0到Ucc-1.5 V （即0～3.5 V）。可滿足單電源供電、對采樣的小信號放大處理的要求。

5）R6、R7、C8組成供電電壓檢測電路，經分壓和濾波使供電電壓的采樣信號控制在MCU的A／D采樣電壓范圍內 （0～UDD）。

6）DQ1是一個專用于數字電路的雙三極管封裝的模塊，組成了車速信號和折疊開關信號電平變換電路。其滿足了車用控制器輸入端必須可經受住直接對搭鐵和對車電源的短接試驗，并為折疊開關提供濕性電流。該雙三極管Ucc＞50 V，最大集電極電流100mA， Ui（off）＜0.5V， Ui（ON）≥3V。

7）電路中的D1瞬態電壓抑制二極管 （TVS）與B1磁珠元件，是形成吸收抑制來自車上電源線的傳導干擾的第一道防護措施。TVS管標稱電壓22 V，擊穿電壓26.9 V，可抑制浪涌電流84 A，抑制電源線上的瞬態過電壓。B1磁珠在100MHz時具有600Ω阻抗，10 MHz時約有100 Ω阻抗。其頻阻特性可極大地吸收和抑制來自電源線上的大部分高頻干擾。

8）二極管D2是防止輸入電源極性反接損壞控制器的保護件。需要其有盡量小的管壓降、稍高的耐壓和較大的額定電流，這里采用肖特基二極管，滿足了要求。

9）電路圖上的無極性的電容為高頻旁路或濾波用。吸收電路干擾和防止干擾發射。

5 軟件方案注意點

軟件設計上對于一些程序按功能進行分塊。利用狀態字變量建立各功能程序模塊間的聯系，避免各功能程序模塊在內容上的耦合，以及在處理運行時發生時序上的混亂或長時等待，使主程序得以順利進行，以便MCU內的看門狗 （WDT）對主程序運行進行超時監控，避免控制器受意外干擾出現死機狀態。

對于車速／頻率信號進行實時監測，較快速的方法是監測其脈沖周期，通過測量其脈沖周期，即可得到對應的頻率。程序中對車速信號脈沖周期的監測是通過設置輸入端口RA5，使其具有信號邊沿可觸發中斷申請的端口功能。計算出其二次中斷申請間的時間——即為脈沖的半個周期時間，相鄰兩次的這種半周期時間的和，即為一個脈沖周期時間。當脈沖周期≥200ms時，即有頻率 （車速）≤5Hz（km）。

程序中的計時，是利用MCU內部的定時器TMR1作為時基發生器。讓其每10ms產生一次中斷申請，為各個功能程序模塊的時間計時提供服務。

6 結束語

該形式的電動折疊外后視鏡控制器已在上海大眾新朗逸車 （豪華配置版）上批量使用，效果良好。這個控制器的創新點在于采用了PIC單片機嵌入式技術和ST的雙半H橋模塊，開發出一個低成本、獨立、簡便的電動折疊外后視鏡控制器。隨著未來人們對普通乘用車要求的提升，該類型控制器可進一步升級，如增加CAN線技術，使其與車身控制器聯網后，可以擴展諸如故障診斷、停車鎖門后自動折疊和遙控折疊等功能，給廣大普通乘用車車主帶來更為便捷、舒適的用車體驗。

［1］李榮正，王誠杰，戴國銀.PIC單片機原理及應用 （第4版）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［2］ PIC16F616／16H616， DataSheet （MICROCHIP）［Z］.

［3］ L9997ND DUAL HALF BRIDGE DRIVER， DataSheet（STMicroelectronis）［Z］.

［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］.