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基于DRV8714-Q1和DRV8718-Q1汽车栅极驱动器驱动的电动座椅设计方案

来源： eet-china

2022-08-02

类别：汽车电子

拍明芯城

原标题：汽车栅极驱动器驱动的电动座椅设计方案

基于DRV8714-Q1和DRV8718-Q1汽车栅极驱动器驱动的电动座椅设计方案

引言

随着汽车科技的不断进步，电动座椅在现代汽车中的应用越来越广泛。电动座椅通过电动机控制座椅的前后、上下和角度调整，提高了驾乘舒适性和便捷性。本文设计了一种基于德州仪器（TI）DRV8714-Q1和DRV8718-Q1汽车栅极驱动器的电动座椅驱动方案。该设计方案采用高效、低功耗的驱动器芯片，实现了多自由度的座椅调节功能。

系统架构

本系统主要由以下几部分组成：

主控芯片
栅极驱动器
电动机
位置传感器
电源管理模块
用户接口模块

主控芯片

在本设计中，我们选用了德州仪器的MSP430系列和TMS320系列作为主控芯片，用于处理座椅控制的逻辑和信号。

MSP430系列：适用于低功耗应用，处理简单的逻辑控制任务。
TMS320系列：适用于复杂的实时控制和信号处理任务。

栅极驱动器

DRV8714-Q1：四通道汽车栅极驱动器，适用于控制多个电动机。
DRV8718-Q1：八通道汽车栅极驱动器，提供更多通道以满足更复杂的座椅调节需求。

电动机

根据座椅调节的自由度选择不同类型的电动机，如直流电动机、步进电动机等。

位置传感器

用于检测座椅的当前位置，常用的传感器包括霍尔传感器、光电传感器等。

电源管理模块

提供稳定的电源供应，确保系统在各种工况下正常运行。

用户接口模块

包括按钮、触摸屏等，用于用户输入座椅调节指令。

硬件设计

系统总体框图

+--------------------+
|    用户接口模块    |
+--------------------+
        |
        v
+--------------------+
|     主控芯片       |
|  (MSP430/TMS320)   |
+--------------------+
|      |       |     |
|      v       v     v
| DRV8714-Q1 DRV8718-Q1 其他接口电路
| 栅极驱动器 栅极驱动器
+--------------------+
|      |       |     |
|      v       v     v
|   电动机   电动机  位置传感器
|   前后调节   高度调节
+--------------------+

1. 主控芯片部分

MSP430系列

供电电路：采用3.3V稳压电源，为MSP430系列单片机供电。
时钟电路：外接晶振，为MSP430提供稳定的时钟源。
复位电路：确保系统上电复位及正常运行。

TMS320系列

供电电路：采用5V稳压电源，为TMS320系列DSP供电。
时钟电路：外接高精度晶振，为TMS320提供稳定的时钟源。
复位电路：确保系统上电复位及正常运行。

2. 栅极驱动器部分

DRV8714-Q1

连接主控芯片：通过SPI或I2C接口与主控芯片通信，接收控制指令。
驱动电动机：通过PWM信号控制电动机的启停、速度和方向。
电流检测：实时监测电动机电流，防止过流损坏电动机。

DRV8718-Q1

连接主控芯片：通过SPI或I2C接口与主控芯片通信，接收控制指令。
驱动电动机：支持多通道电动机控制，实现更多自由度的座椅调节。
电流检测：实时监测电动机电流，防止过流损坏电动机。

3. 电动机部分

前后调节电动机：负责座椅的前后移动。
高度调节电动机：负责座椅的高度调整。
靠背调节电动机：负责座椅靠背的角度调整。

4. 位置传感器部分

霍尔传感器：用于检测电动机的转子位置，实现精准控制。
光电传感器：用于检测座椅的当前位置，反馈给主控芯片。

5. 电源管理模块

电源输入：汽车电源（12V或24V）。
稳压电路：为各个模块提供稳定的工作电压（3.3V、5V）。

6. 用户接口模块

按钮：用于用户输入座椅调节指令。
触摸屏：提供更友好的用户交互界面，显示当前座椅状态。

软件设计

1. 初始化

系统初始化：配置时钟、GPIO等基本资源。
模块初始化：初始化DRV8714-Q1和DRV8718-Q1的工作状态。
传感器初始化：配置位置传感器，确保其正常工作。

2. 数据处理

用户输入处理：接收并解析用户输入的调节指令。
电动机控制：根据调节指令，通过栅极驱动器控制电动机动作。
位置检测：实时读取位置传感器数据，反馈座椅当前位置。

3. 电动机驱动

PWM控制：生成PWM信号，控制电动机的转速和方向。
电流监测：监测电动机工作电流，防止过流损坏电动机。

4. 用户接口

按钮处理：检测用户按键输入，并执行相应操作。
显示更新：根据系统状态和数据更新触摸屏显示内容。

关键代码示例

主控芯片（MSP430/TMS320）初始化

#include <msp430.h>

// 系统初始化函数
void init_system() {
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;   // 停止看门狗定时器
    BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ;      // 设置DCO频率为1MHz
    DCOCTL = CALDCO_1MHZ;

    // 初始化GPIO
    P1DIR |= 0x01;              // 设置P1.0为输出，用于指示状态
    P1OUT &= ~0x01;

    // 初始化DRV8714-Q1
    // 配置SPI接口和其他设置

    // 初始化DRV8718-Q1
    // 配置SPI接口和其他设置

    // 初始化位置传感器
    // 配置GPIO和其他设置
}

// 数据处理函数
void process_data() {
    // 读取用户输入
    // 解析调节指令
    // 控制电动机动作
}

// 电动机控制函数
void control_motor(unsigned char motor_id, unsigned char direction, unsigned char speed) {
    // 根据motor_id控制对应的电动机
    // 通过DRV8714-Q1或DRV8718-Q1生成PWM信号
    // direction为方向，speed为速度
}

int main(void) {
    init_system();              // 初始化系统

    while (1) {
        process_data();         // 处理数据
        __delay_cycles(100000); // 延时等待
    }
}

5. 电动机控制

前后调节：通过控制前后调节电动机，实现座椅前后移动。
高度调节：通过控制高度调节电动机，实现座椅高度调整。
靠背调节：通过控制靠背调节电动机，实现座椅靠背角度调整。

6. 安全保护

过流保护：实时监测电动机电流，防止过流损坏电动机。
过压保护：监测系统电压，防止电压过高导致设备损坏。
温度保护：监测电动机和驱动器温度，防止过热损坏设备。

设计分析

功耗分析

DRV8714-Q1和DRV8718-Q1为低功耗栅极驱动器，配合MSP430系列单片机可以实现低功耗设计，适用于电池供电的应用场景。同时，DRV8714-Q1和DRV8718-Q1支持动态电流调节和休眠模式，在不需要高功率输出时可以有效降低功耗。整个系统在不同工作模式下的功耗表现如下：

待机模式：系统处于低功耗状态，仅保持基本监控和等待用户输入，功耗极低。
运行模式：电动机工作时功耗相对较高，但通过合理的控制算法和电流管理，可以有效控制整体功耗。

性能分析

该设计方案能够实现座椅的多自由度调节，具体性能如下：

响应速度：主控芯片和栅极驱动器具备高效的信号处理能力，能够快速响应用户输入并调整座椅位置。
调节精度：位置传感器提供高精度位置反馈，配合主控芯片的闭环控制算法，实现座椅位置的精准控制。
稳定性：系统在不同环境下都能保持稳定的工作状态，确保座椅调节的可靠性。

可靠性分析

硬件可靠性：MSP430和TMS320系列主控芯片具有良好的抗干扰能力，DRV8714-Q1和DRV8718-Q1具备多种保护功能，如过流保护、过压保护和过温保护，能够有效提高系统的可靠性。
软件可靠性：采用成熟的嵌入式操作系统和可靠的控制算法，能够在各种工况下保持系统的稳定运行。

安全性分析

过流保护：实时监测电动机电流，防止过流导致电动机和驱动器损坏。
过压保护：监测系统电压，防止电压过高导致设备损坏。
温度保护：监测电动机和驱动器温度，防止过热损坏设备。
断电保护：在断电情况下，系统能够自动保存当前座椅位置，并在重新上电时恢复到断电前的状态。

结论

本文设计了一种基于德州仪器DRV8714-Q1和DRV8718-Q1汽车栅极驱动器的电动座椅驱动方案。该方案采用高效、低功耗的驱动器芯片，配合MSP430系列和TMS320系列主控芯片，实现了座椅的多自由度调节功能。通过合理的硬件设计和软件开发，系统能够在各种工况下稳定工作，具有较高的可靠性和安全性。