轿车一体化关门系统设计

□ 王锡雄 □ 阚树林 □ 曹召锋

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

门锁是轿车门系统中的关键部件，同时关系到轿车整体的可靠性、安全性和舒适性。行车中未关好车门是一种非常危险的情况，可能导致乘员飞出车门的严重后果。针对这一现象，现有的车门锁大都只能用显示灯提示未关好车门，无法采取有效应对措施，因此急需设计一种能自动检测并关门的装置，解决安全隐患。

从目前国内外汽车门锁市场的发展特点来看，普通锁供大于求，而中高档锁具有市场发展潜力［1］。由于我国门锁行业发展起步较晚，加上国外同行的技术封锁，有关一体化关门系统的研究几乎是空白，导致了我国本土企业生产的汽车门锁还是以传统的普通锁为主，因此急需高档锁的相关技术来开拓市场。

针对目前技术和市场上的迫切需要，本文所介绍的一体化关门系统，是一种安全可靠、针对高级轿车开发的高档门锁配件，在轿车上安装该系统，减小了关门需要的力，降低了闭门噪声，具有很强的可靠性和鲁棒性，经实验验证，它能有效防止门锁的损坏，大大增加了行车的安全性和舒适性。

1 系统工作原理

一体化关门系统是一项舒适安全配置，能自动检测出车门未关好的情况，并自动吸合车门至完全关闭状态。

该系统的工作原理如图1所示，关门系统通过检测锁体传来的开关状态信号，确定锁体的锁位状态；若锁体处于半锁锁位，则控制微电机收紧绳索，产生闭锁动作，转动锁舌，将锁体锁入全锁状态。

▲图2 车门锁结构与锁位示意图

根据国家标准，汽车车门锁一般设计为半锁与全锁两种锁位。如图2所示，汽车门锁主要由棘爪、锁舌、锁扣、若干个扭簧、铆钉和轴等零件组成［2］。关门时，锁扣平移推动锁舌绕其轴转动，至半锁或全锁锁位时，棘爪在扭簧力的作用下复位卡入锁舌中，完成关门动作。开门时，执行机构推动棘爪向上转动，使其与锁舌分离，车门会在密封力的作用下带动锁扣向右平移，转动锁舌直至与锁扣分离，完成开门动作。

若关门的闭锁力不足以克服车门密封力使车门完全关闭，门锁进入半锁锁位，半锁是一种安全锁位，设计强度仅为全锁的一半［3］，3种锁紧位置的强度见表1。一体化关门系统能通过安装在门锁内的微动开关，快速识别出半锁状态，并产生关门动作，防止车门未关闭的现象发生。此外，安装了一体化关门系统后，关门时只需要轻轻带上车门，触发半锁信号，控制器会自动将车门完全关好。这种关门方法可以将闭锁力控制在合理的设计范围内，在保证完成关门的同时，减小了关门时锁扣对锁舌和棘爪的冲击，间接增加了门锁的使用寿命。

表1 锁紧位置强度要求

2 机械结构设计

经实测，关门系统至少必须产生300N的拉力才能克服车门密封力，完成闭锁动作。考虑到安全系数，一体化关门系统的设计闭锁力为500N，该传动机构示意如图3所示，分别采用了蜗轮蜗杆传动、一对外啮合斜齿轮传动和一个行星轮系。

蜗杆的头数为1，它不但保证了较大的传动比，还使机构具有自锁的特点。行星轮系的使用，在降低噪声的同时，保证了较大的传动比，使整体尺寸更加紧凑，节省了车门内的安装空间。

齿轮系的所有齿轮均采用了渐开线斜齿圆柱齿轮，能够有效地减小传动冲击和噪声，提高了齿轮的承载能力。其中双联斜齿轮设计为旋向相同，使轴向力相互抵消。

斜齿轮、蜗杆与壳体的材料选用了聚甲醛（POM），该材料具有较高的拉伸强度和抗疲劳强度，同时还具有良好的耐磨性和一定的自润性［4］。整个机构的设计在保证强度的同时，大大减小了机构的质量，齿轮润滑方式选用了脂润滑，省去了油液润滑循环系统。

齿轮轴同时承受径向的剪切，以及轴向和周向的摩擦，对其强度、韧性以及表面耐磨性都有较高的要求。为此齿轮轴材料选用了20CrMnMo，该材料经过渗碳淬火处理后，具有较高的表面硬度和抗弯强度，低温回火后具有良好的综合力学性能。

壳体为复杂塑件，按照等壁厚原则设计，保证了注塑后较小的残余应力和变形，整体设计效果如图4所示。

3 控制器硬件设计

3．1 微控制器及其外围模块

如图5所示，该部分的子电路主要包括：三路中断开关信号输入，反相器信号矫正模块，BDM（BackgroundDebugMode）背景调试模块，外部晶振电路［5-6］。 图中，S1、S2为半锁、全锁状态的开关量输入；S3为拉锁位置行程开关，反映了闭锁动作是否完成；U2反相器作为信号调理，将上升沿信号转换为下降沿；BDM模块用作仿真和烧写FLASH程序使用。

系统时钟采用了外部时钟与锁相环倍频（FLL EngagedExternal，FEE）模式。外部时钟选用8MHz无源晶振，设计的系统时钟主频为：

fICGOUT=fEXTPNR=8×1× 41=32MHz

其中：fICGOUT为总线频率；fEXT为外部时钟参考频率；P由外接的晶振频率决定，频率低于2MHz时取64，频率在2MHz至10MHz之间时取1；N为倍频因子；R为分频因子，可由寄存器配置。

▲图3 传动机构示意图

▲图4 一体化关门系统三视图

▲图5 微控制器及外围电路原理图

MC9S08AW32的内部时钟最高频率为8MHz，FEE倍频之后控制器的主频提高4倍，达到了32 MHz。总线周期仅有62．5ns，大大提升了控制器的反应速度和灵敏度。

3．2 电源模块

如图6所示，采用AMS1117线性稳压芯片对车身提供的12V直流电源进行电源分配，输入和输出端分别采用0．1μF的去耦电容C1和C3滤波，12V输入设计了一个肖特基二极管DS1，防止关电时电流倒流，C2为100μF的大容量钽电容，为输出的5V电源起保压作用。

3．3 电压抬升与调速模块

如图7所示，选用集成芯片MC33886作为电压提升和使能控制，该器件与主芯片MC9S08AW32同为Freescale公司产品，兼容性较好，提高了产品的稳定性和集成度。

MC33886的OUT1与OUT2分别由IN1和IN2控制，5V的输入抬升到12V输出，D2为使能引脚，低电平时，输出OUT1=OUT2=0V。MCU通过芯片内置的定时计数器模块（TPM，Time/Pulse-WidthModular），发送不同占空比的PWM信号，该信号通过D2来控制输出电压进行电机调速［7］。

3．4 驱动模块

由于MC33886的驱动能力较弱，最大驱动电流为5A，远远小于电机的堵转电流14A，因此在设计中引入了大电流的MOSFET桥式电路作为功率放大单元（如图8所示），引入后的连续驱动电流可达26A，可满足电机要求。

图8中R3为电机保护电阻，防止电机堵转时烧坏电机绕组，R3的阻值选取原则如下。

（1）电机正常工作时，R3的阻值远远小于额定阻抗，R3的分压能力很弱，电机的工作电压接近总电压。

（2）电机堵转时，R3阻值大于等于堵转阻抗，能有效地分担堵转电压，减少堵转电流，保护电机绕组不被烧坏。

由于MOSFET桥式电路可能存在栅极输入振荡，容易引起单臂直通，导致器件发热［8］。根据阻抗匹配原则，设计R4与R5匹配阻抗以抑制电路振荡。实测得到的MOSFET内阻R为35Ω，分布电感L为16μH，栅极结电容C值为0．3nF。

等效二阶系统的阻尼比为：

式中：ζ为阻尼比；R为内阻；C为MOSFET的结电容；L为电路分布电感。

取临界阻尼时阻尼比ξ=1，得：

其中：Rx为未知的临界阻尼电阻。

实际需要的阻抗Rs=Rx-R=426．88Ω，取电阻标准值，得到R4=R5=470Ω。经测定，优化设计后加入R4与R5的电路大约处于临界阻尼位置，电路振荡得到有效抑制。

4 控制程序设计

4．1 控制流程

▲图6 电源电路原理图

▲图7 MC33886电路原理图

▲图8 MOSFET桥式驱动电路原理图

▲图9 控制流程图

▲图10 关门模式识别模块流程图

如图9所示，半锁开关触发后，微控制器MCU通过半锁开关闭合作出响应，驱动直流电机正转，产生闭锁动作；车门至完全关闭，全锁开关被触发，电机反转，放松拉锁，为下一次闭锁动作预留空间；当电机反转至行星架触碰电路板上的行程开关后，达到初始位置，电机停转。

4.2 关门模式识别模块

引入一体化关门系统后，若直接用力关门，将会在短时间先后触发半锁和全锁信号开关。为此，一体化关门系统设计了专门的模块来区分软关门和直接关门，以便直接关门时系统不触发关门动作。

如图10所示，关门模式的识别主要通过延时函数和开关信号检测来实现。

4.3 鲁棒性增长模块

在初始化函数中加入了上电复位功能，控制器在通电时能通过3个开关的真值表产生动作复位。

在图9的控制流程中，采用了2000ms的TPM作为控制保护。若执行中有开关因故障未被触发，关门系统依然能根据计数器中断执行一个关门并复位的动作，以保证故障时依然能完成关门动作。

软件消抖，中断触发前增加20ms的延时，防止按键时因为信号抖动而误触发或重复触发［9］。

引入了看门狗 （Computer Operating Properly，COP），大大增加了程序持续运行的时间。

5 试验样机与功能验证

采用图11所示试验样机，测定了PWM占空比为100%时5次模拟关门过程的系统响应时间和闭锁力，见表2。

表2 模拟关门试验数据

分析表2可知，关门系统的开关响应时间始终在200 ms以内，平均完成关门动作的时间为1.146s。最大关门时间为1.30s，小于设计要求的1.50s。一体化关门系统的平均闭锁力为477.08 N，远远小于直接关门的闭锁力，起到了减小关门冲击，提高门锁寿命的作用。最小闭锁力为442.3N，大于完全关门所需的300N。实验结果表明，一体化关门系统的各项指标均满足设计要求，能够快速、稳定、准确、可靠地完成关门动作，实现了自动检测并闭锁的功能。

▲图11 实验样机实物图

6 结论

一体化关门系统以MC9S08AW32为主控制芯片，采用机电一体化设计，设计的驱动电路最大承受电流达到26A，能为关门动作提供足够的功率。传动机构采用了塑料斜齿轮和行星轮系设计，结构紧凑，质量小，传动平稳，精度高。控制程序设计中，综合考虑了所有的异常输入并采取了各种应对措施，提高了软件可靠性和鲁棒性。通过实验结果可知，该机构响应速度块，响应时间在200ms以内，能够快速识别门锁状态并实施动作；闭锁力符合设计要求，能够确保完全关闭车门。该系统实现的自动闭锁功能，不但减小了闭门噪声，提高了轿车的舒适性，而且杜绝了车门未关好的现象发生，大大增加了行车安全。

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