集成TPMS功能的電動汽車儀表盤設(shè)計

摘要：筆者為某電動汽車設(shè)計了一款集成TPMS功能的儀表盤，將TPMS接收器以子板的形式在儀表盤上實現(xiàn)，降低了獨立安裝的成本和不便，同時可方便安裝和拆卸，以滿足不同電動汽車配置的要求。根據(jù)TPMS、儀表盤的工作原理及其集成方式分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、TPMS天線設(shè)計和儀表盤軟件設(shè)計。采用SP37設(shè)計TPMS發(fā)射器，通過獨特的天線設(shè)計解決了發(fā)射效率和使用壽命的問題，通過設(shè)計自適應(yīng)控制算法解決了儀表盤指針平滑運轉(zhuǎn)的問題。

儀表盤是一個多方位的汽車信息顯示平臺，它是駕駛員與汽車進行信息交流的窗口，電動汽車儀表盤是一種適應(yīng)電動汽車電子化、數(shù)字化、信息化發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品，作為一個多信息顯示平臺，顯示車速、檔位狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)速、電機狀態(tài)、電池組狀態(tài)等其他電動汽車特定的信息，同時實現(xiàn)電機故障報警、電池組低壓、不均衡報警等功能。TPMS(TirePressure Monitoring System)是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，用于在汽車行駛時對輪胎氣壓及溫度進行實時自動監(jiān)測，以保障行車安全，屬于汽車主動安全部件。目前得到廣泛應(yīng)用的是直接式TPMS，它利用安裝在每一個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，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的接收器及監(jiān)視器上。由于汽車結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾的限制，TPMS的接收器和監(jiān)視器的安裝位置成為一個比較困難的問題，目前有兩種解決方案，一種是電池供電或汽車點煙器供電的獨立接收器和監(jiān)視器，一種是將接收器和監(jiān)視器集成在導(dǎo)航儀或多功能內(nèi)后視鏡或儀表盤中。第一種方式由于安裝位置不固定，在行駛時存在安全隱患，且會帶來一定的成本問題，但由于獨立性強，可以適用于各種車型;第二種方式安裝位置固定，且能降低成本，但需要定制來滿足集成要求，不具有適用性。

本文通過在儀表盤中以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤上實現(xiàn)輪胎溫壓的接收，通過儀表盤LCD、LED及蜂鳴器進行輪胎溫壓的數(shù)據(jù)顯示及報警，避免TPMS接收器和監(jiān)視器的獨立設(shè)計和安裝。同時可根據(jù)不同車型的要求方便地加載或卸載TPMS接收器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括4個TPMS發(fā)射器和儀表盤兩個部分，發(fā)射器的MEMS芯片是TPMS系統(tǒng)的核心，本方案采用英飛凌的SP37設(shè)計TPMS發(fā)射器，負責(zé)完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測，并通過無線調(diào)制將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器。信息的采集和顯示是儀表盤的核心功能，其顯示接口包括步進電機及其指針、LED、LCD和蜂鳴器，儀表盤以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤上實現(xiàn)輪胎溫壓的接收，通過LCD、LED及蜂鳴器進行輪胎溫壓的數(shù)據(jù)顯示及報警，避免TPMS接收器和監(jiān)視器的獨立設(shè)計和安裝。當(dāng)某輪胎的溫度或壓力低于一定閾值時可以通過LED和蜂鳴器聲光報警，通過儀表盤上的模式按鍵可以查看4個輪胎的溫度和壓力值，同時可根據(jù)不同車型的不同要求方便地加載或卸載TPMS接收器。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 TPMS發(fā)射器設(shè)計

本方案采用英飛凌的SP37設(shè)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，并通過無線調(diào)制將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器，具體功能設(shè)計部分在此不再贅述，文中重點介紹下發(fā)射器的天線設(shè)計要點。

發(fā)射器的天線設(shè)計是發(fā)射器設(shè)計的關(guān)鍵，決定了整個TPMS系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性，同時也決定了發(fā)射器的使用壽命。如果由于發(fā)射天線設(shè)計不當(dāng)，那么內(nèi)置式的胎壓監(jiān)測發(fā)射器將通過提高發(fā)射頻次的方法來提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性，這將極大地消耗電池電量，從而減少使用壽命。

本文通過采用輻射金屬片異形天線實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)射，其長度接近發(fā)射器無線發(fā)射頻率的1/4波長，通過改變發(fā)射器金屬片天線的厚度、形狀和長度來提高無線發(fā)射效率，降低發(fā)射功率，延長發(fā)射器電池的使用壽命，該金屬片天線直接注塑到發(fā)射器外殼內(nèi)，在制作發(fā)射器外殼時置入其中，只有天線的發(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，天線本身受外殼塑料包覆，能耐受輪胎內(nèi)部的高溫高壓，且不會因為受到輪胎的高速旋轉(zhuǎn)而變形，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。

3 儀表盤設(shè)計

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

文中所設(shè)計儀表盤采用步進電機驅(qū)動指針進行車速、工作電流、電池組電壓的顯示，由于步進電機存在最小步距角的限制，且沒有位置反饋，很容易出現(xiàn)抖動、過沖、失步、信息指示不準(zhǔn)確一系列問題，本文通過在底層控制上運用細分技術(shù)和加減速控制技術(shù)，在微觀的層面上實現(xiàn)對步進電機的單步和單段控制，并且在底層控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步設(shè)計自適應(yīng)控制算法，實現(xiàn)長時間跨度上的步進電機連續(xù)控制，保證步進電機式汽車儀表盤各個指針在整個工作時間段內(nèi)、各種工況下的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。具體算法設(shè)計如下：

首先根據(jù)汽車儀表應(yīng)用的最小細分粒度需求設(shè)計步進電機線圈電流正弦規(guī)律變化的細分控制表，通過調(diào)節(jié)控制表索引步距實現(xiàn)對底層步進電機的細分控制;在指針調(diào)度控制上，以可變長時間槽的形式劃分調(diào)度周期對指針進行分時段控制，設(shè)計指針在單個調(diào)度周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動方式為加速啟動、勻速運轉(zhuǎn)、減速停止、慣性消止4個階段。通過在轉(zhuǎn)動角速度控制、指針位置更新、線圈電流調(diào)節(jié)步距、運轉(zhuǎn)調(diào)度周期時長、啟動加速度、停止減速度、慣性消止時間上進行設(shè)計，實現(xiàn)了汽車儀表盤各個指針的平穩(wěn)啟動和停止，實現(xiàn)對快速變化信息的迅速響應(yīng)以及對緩慢變化信息的平滑反映，可以快速啟動和平穩(wěn)停止且在低速運轉(zhuǎn)時無抖動。算法流程如圖2所示。

4 結(jié)束語

文中分析了集成TPMS功能的電動汽車儀表盤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了TPMS發(fā)射器的天線設(shè)計，分析了儀表盤步進電機自適應(yīng)控制算法的設(shè)計，該儀表盤經(jīng)裝車試驗，運行穩(wěn)定，功能可靠，現(xiàn)已經(jīng)進入小批量預(yù)生產(chǎn)階段，具有很高的實用價值。