集成TPMS功能的電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)設計方案

本文為某電動(dòng)汽車(chē)的一款集成TPMS功能的儀表盤(pán)設計方案，該設計將TPMS接收器以子板的形式在儀表盤(pán)上實(shí)現，降低了獨立安裝的成本和不便，同時(shí)可方便安裝和拆卸，以滿(mǎn)足不同電動(dòng)汽車(chē)配置的要求。根據TPMS、儀表盤(pán)的工作原理及其集成方式分析了系統結構、TPMS天線(xiàn)設計和儀表盤(pán)軟件設計。采用SP37設計TPMS發(fā)射器，通過(guò)獨特的天線(xiàn)設計解決了發(fā)射效率和使用壽命的問(wèn)題，通過(guò)設計自適應控制算法解決了儀表盤(pán)指針平滑運轉的問(wèn)題。

儀表盤(pán)是一個(gè)多方位的汽車(chē)信息顯示平臺，它是駕駛員與汽車(chē)進(jìn)行信息交流的窗口，電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)是一種適應電動(dòng)汽車(chē)電子化、數字化、信息化發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品，作為一個(gè)多信息顯示平臺，顯示車(chē)速、檔位狀態(tài)、電機轉速、電機狀態(tài)、電池組狀態(tài)等其他電動(dòng)汽車(chē)特定的信息，同時(shí)實(shí)現電機故障報警、電池組低壓、不均衡報警等功能。TPMS（TirePressure Monitoring System）是汽車(chē)輪胎壓力監視系統，用于在汽車(chē)行駛時(shí)對輪胎氣壓及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監測，以保障行車(chē)安全，屬于汽車(chē)主動(dòng)安全部件。

目前得到廣泛應用的是直接式TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)電頻率調制發(fā)射到安裝在駕駛臺的接收器及監視器上。由于汽車(chē)結構和內飾的限制，TPMS的接收器和監視器的安裝位置成為一個(gè)比較困難的問(wèn)題，目前有兩種解決方案，一種是電池供電或汽車(chē)點(diǎn)煙器供電的獨立接收器和監視器，一種是將接收器和監視器集成在導航儀或多功能內后視鏡或儀表盤(pán)中。第一種方式由于安裝位置不固定，在行駛時(shí)存在安全隱患，且會(huì )帶來(lái)一定的成本問(wèn)題，但由于獨立性強，可以適用于各種車(chē)型；第二種方式安裝位置固定，且能降低成本，但需要定制來(lái)滿(mǎn)足集成要求，不具有適用性。

通過(guò)在儀表盤(pán)中以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤(pán)上實(shí)現輪胎溫壓的接收，通過(guò)儀表盤(pán)LCD、LED及蜂鳴器進(jìn)行輪胎溫壓的數據顯示及報警，避免TPMS接收器和監視器的獨立設計和安裝。同時(shí)可根據不同車(chē)型的要求方便地加載或卸載TPMS接收器。

1系統結構

系統包括4個(gè)TPMS發(fā)射器和儀表盤(pán)兩個(gè)部分，發(fā)射器的MEMS芯片是TPMS系統的核心，本方案采用英飛凌的SP37設計TPMS發(fā)射器，負責完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)調制將數據發(fā)送到接收器。信息的采集和顯示是儀表盤(pán)的核心功能，其顯示接口包括步進(jìn)電機及其指針、LED、LCD和蜂鳴器，儀表盤(pán)以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤(pán)上實(shí)現輪胎溫壓的接收，通過(guò)LCD、LED及蜂鳴器進(jìn)行輪胎溫壓的數據顯示及報警，避免TPMS接收器和監視器的獨立設計和安裝。當某輪胎的溫度或壓力低于一定閾值時(shí)可以通過(guò)LED和蜂鳴器聲光報警，通過(guò)儀表盤(pán)上的模式按鍵可以查看4個(gè)輪胎的溫度和壓力值，同時(shí)可根據不同車(chē)型的不同要求方便地加載或卸載TPMS接收器。其系統結構如圖1所示。

圖1系統結構圖

2 TPMS發(fā)射器設計

本方案采用英飛凌的SP37設計TPMS發(fā)射器，做為集成胎壓傳感器、MCU和射頻發(fā)射器的MEMS芯片，SP37完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)調制將數據發(fā)送到接收器，具體功能設計部分在此不再贅述，文中重點(diǎn)介紹下發(fā)射器的天線(xiàn)設計要點(diǎn)。

發(fā)射器的天線(xiàn)設計是發(fā)射器設計的關(guān)鍵，決定了整個(gè)TPMS系統的準確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)也決定了發(fā)射器的使用壽命。如果由于發(fā)射天線(xiàn)設計不當，那么內置式的胎壓監測發(fā)射器將通過(guò)提高發(fā)射頻次的方法來(lái)提高系統的準確性和實(shí)時(shí)性，這將極大地消耗電池電量，從而減少使用壽命。

本文通過(guò)采用輻射金屬片異形天線(xiàn)實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的發(fā)射，其長(cháng)度接近發(fā)射器無(wú)線(xiàn)發(fā)射頻率的1/4波長(cháng)，通過(guò)改變發(fā)射器金屬片天線(xiàn)的厚度、形狀和長(cháng)度來(lái)提高無(wú)線(xiàn)發(fā)射效率，降低發(fā)射功率，延長(cháng)發(fā)射器電池的使用壽命，該金屬片天線(xiàn)直接注塑到發(fā)射器外殼內，在制作發(fā)射器外殼時(shí)置入其中，只有天線(xiàn)的發(fā)射端與接地端與電路板相連，從而減小發(fā)射器厚度并降低生產(chǎn)成本，天線(xiàn)本身受外殼塑料包覆，能耐受輪胎內部的高溫高壓，且不會(huì )因為受到輪胎的高速旋轉而變形，具有高度的可靠性和穩定性。

3儀表盤(pán)設計

汽車(chē)電子電控單元軟件設計的工作量占其整個(gè)產(chǎn)品設計的80%，所以文中重點(diǎn)介紹下儀表盤(pán)的軟件設計要點(diǎn)，步進(jìn)電機控制是儀表中量表顯示的核心功能，下面以步進(jìn)電機控制算法為例介紹下儀表盤(pán)的軟件設計。

文中所設計儀表盤(pán)采用步進(jìn)電機驅動(dòng)指針進(jìn)行車(chē)速、工作電流、電池組電壓的顯示，由于步進(jìn)電機存在最小步距角的限制，且沒(méi)有位置反饋，很容易出現抖動(dòng)、過(guò)沖、失步、信息指示不準確一系列問(wèn)題，本文通過(guò)在底層控制上運用細分技術(shù)和加減速控制技術(shù)，在微觀(guān)的層面上實(shí)現對步進(jìn)電機的單步和單段控制，并且在底層控制技術(shù)的基礎上進(jìn)一步設計自適應控制算法，實(shí)現長(cháng)時(shí)間跨度上的步進(jìn)電機連續控制，保證步進(jìn)電機式汽車(chē)儀表盤(pán)各個(gè)指針在整個(gè)工作時(shí)間段內、各種工況下的平穩運轉。具體算法設計如下：

首先根據汽車(chē)儀表應用的最小細分粒度需求設計步進(jìn)電機線(xiàn)圈電流正弦規律變化的細分控制表，通過(guò)調節控制表索引步距實(shí)現對底層步進(jìn)電機的細分控制；在指針調度控制上，以可變長(cháng)時(shí)間槽的形式劃分調度周期對指針進(jìn)行分時(shí)段控制，設計指針在單個(gè)調度周期內的轉動(dòng)方式為加速啟動(dòng)、勻速運轉、減速停止、慣性消止4個(gè)階段。通過(guò)在轉動(dòng)角速度控制、指針位置更新、線(xiàn)圈電流調節步距、運轉調度周期時(shí)長(cháng)、啟動(dòng)加速度、停止減速度、慣性消止時(shí)間上進(jìn)行設計，實(shí)現了汽車(chē)儀表盤(pán)各個(gè)指針的平穩啟動(dòng)和停止，實(shí)現對快速變化信息的迅速響應以及對緩慢變化信息的平滑反映，可以快速啟動(dòng)和平穩停止且在低速運轉時(shí)無(wú)抖動(dòng)。算法流程如圖2所示。

圖2步進(jìn)電機自適應控制流程圖

4結束語(yǔ)

文中分析了集成TPMS功能的電動(dòng)汽車(chē)儀表盤(pán)的系統結構，介紹了TPMS發(fā)射器的天線(xiàn)設計，分析了儀表盤(pán)步進(jìn)電機自適應控制算法的設計，該儀表盤(pán)經(jīng)裝車(chē)試驗，運行穩定，功能可靠，現已經(jīng)進(jìn)入小批量預生產(chǎn)階段，具有很高的實(shí)用價(jià)值。