安森美半導(dǎo)體汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方案

 汽車前照燈是安全駕駛的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)前照燈在汽車轉(zhuǎn)彎時存在照明盲區(qū)，影響駕駛?cè)藢澋勒系K物的判斷，還存在其它安全隱患問題。為了提升安全性，如今自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(Adaptive Front-Light System，AFS) 在智能汽車電子產(chǎn)品中的使用越來越廣泛。AFS采用步進(jìn)電機(jī)來實時調(diào)節(jié)光束，消除照明盲區(qū)，優(yōu)化彎道可見度，有效增加駕駛安全性。安森美半導(dǎo)體針對AFS系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)開發(fā)了一系列驅(qū)動芯片，為客戶的設(shè)計帶來了簡化和便捷。本文著重介紹AFS特性、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動IC及設(shè)計要點，更特別剖析堵轉(zhuǎn)檢測這一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動難點，幫助設(shè)計人員快速、準(zhǔn)確地開發(fā)出有效的AFS方案。

AFS的應(yīng)用效果及組成結(jié)構(gòu)

汽車AFS采用步進(jìn)電機(jī)可以對照明光束進(jìn)行左右及水平高度調(diào)節(jié)，相較于傳統(tǒng)前照燈提供更加安全的照明效果。如果采用傳統(tǒng)前照燈，則其燈光跟車身的方向始終一致，在汽車轉(zhuǎn)彎時無法有效照明彎道內(nèi)側(cè)的盲區(qū)。相反，采用AFS的汽車在轉(zhuǎn)彎時，能夠根據(jù)方向盤的角度轉(zhuǎn)動，將有效的光束投射到駕駛者需要看清的前方路面上，更有利于消除照明盲區(qū)。圖1右側(cè)列出了無AFS和有AFS進(jìn)行左右調(diào)節(jié)的實際照明效果，顯然后者對安全駕駛更加有效。

圖1：無AFS和有AFS左右調(diào)節(jié)光束的照明區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖2是AFS功能的水平高度調(diào)節(jié)效果。上圖是燈光在水平高度良好時的效果圖，中圖是汽車啟動或上坡時的路面顛簸燈光上揚(yáng)的情況，下圖是汽車在剎車或下坡時路面顛簸燈光下沉的情況。AFS可根據(jù)車身傾斜情況實時調(diào)整中圖和下圖的燈光高度，達(dá)到上圖的效果。

圖2：AFS功能的水平高度調(diào)整效果

在圖3的AFS控制大燈結(jié)構(gòu)圖中可以看到用于水平高度調(diào)節(jié)的調(diào)高馬達(dá)和控制燈光旋轉(zhuǎn)調(diào)整的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。AFS控制大燈的工作原理是，AFS通過方向盤旋轉(zhuǎn)角度和車身速度計算出光道角度，方向盤旋轉(zhuǎn)角度系數(shù)為彎道的向心力，車身舒為彎道的切線，兩者之間的關(guān)系為彎道的角度的探定值，計算彎道角度即可驅(qū)動旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)到所需的彎道角度。同樣，通過車身前后軸傳感器能夠得到車身傾斜度的計算值，通過馬達(dá)修正車身傾斜度對燈光進(jìn)行水平高度調(diào)整，以適應(yīng)不同道路坡度的照明需求。

圖3：AFS控制大燈結(jié)構(gòu)圖

安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于AFS的不同步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方案

要有效地驅(qū)動AFS中的步進(jìn)電機(jī)，必須采用適合的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方案。安森美半導(dǎo)體提供用于AFS的多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方案，包括AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70521和NCV70522。這些步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器產(chǎn)品各有其側(cè)重點。如AMIS-30621和AMIS-30623采用LIN通信模式;NCV70521和NCV70522采用SPI通信模式;AMIS-30623自帶堵轉(zhuǎn)檢測功能;AMIS-30621、AMIS-30623和NCV70522內(nèi)置5V電源輸出;NCV70522內(nèi)置看門狗復(fù)位信號。

從應(yīng)用角度看，AFS步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方案分為直接驅(qū)動和機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用兩類。對比之下，NCV70522采用直接驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片要求安裝在跟微控制器(MCU)同一塊印制電路板(PCB)上，且每個電機(jī)需要對應(yīng)的信號連接線，適合中、高集成度執(zhí)行計劃方案應(yīng)用;而AMIS-30623適合機(jī)電一體化應(yīng)用方案，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片可直接安裝在電機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)，只需共享地線與LIN總線信號連接，適合高集成度執(zhí)行計劃方案應(yīng)用，如圖4。

圖4：直接驅(qū)動和機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用對比

具有堵轉(zhuǎn)偵測功能的步進(jìn)驅(qū)動芯片AMIS-30623是一款采用LIN通信的單芯片微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與控制器。它是通過LIN建立與主機(jī)遠(yuǎn)程連接的專用機(jī)電一體化解決方案。該芯片通過總線接收定位指令，隨后驅(qū)動電機(jī)線圈到所需的位置，可配置電流、速度、加速度和減速度等參數(shù)。該芯片內(nèi)部自帶電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測。其它功能包括：AMIS-30621類似功能、改進(jìn)低電壓管理、改進(jìn)LIN丟失功能、0 mA維持電流、兼容AMIS-30621、減低噪聲(堵轉(zhuǎn)檢測)，以及減小在維持情況下過溫的風(fēng)險。該方案的市場及應(yīng)用涵蓋汽車頭燈執(zhí)行器、怠速控制、液化氣閥門和懸掛閥門等。

NCV70522是帶穩(wěn)壓器和看門狗的SPI通信單芯片微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片。它具有輸出電流選擇性、SPI接口、嵌入式5 V穩(wěn)壓器和看門狗復(fù)位等功能，是專為外設(shè)驅(qū)動微控制器簡化的電路。該芯片可通過一個輸入引腳接收脈沖信號啟動“下一步微步”命令，輸出線圈電流、微步數(shù)等，通過SPI總線設(shè)置進(jìn)行診斷反饋。其獨特功能包括：等于NCV70521 + 5 V穩(wěn)壓器及看門狗復(fù)位、透明的SPI參數(shù)、2信號控制運轉(zhuǎn)(NXT/DIR)、整步到1/32精度的微步模式、靈活的運行電流最大到1.6 A、ERRB引腳輸出錯誤狀態(tài)、具有NCV70521同樣優(yōu)點、兼容NCV70521、減小PCB板尺寸和BOM成本 (內(nèi)置穩(wěn)壓器)，以及提升應(yīng)用安全(內(nèi)置看門狗)。該方案適用于汽車頭燈執(zhí)行器、怠速控制、液化氣閥門、懸掛閥門、折疊式多媒體顯示器等。

AFS步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動難點及設(shè)計要點

以NCV70522為例，其控制要素包括步幅模式、NXT和DIR。步幅模式包括整步至1/32共7種模式可選;NXT為進(jìn)入下一步，根據(jù)電流表輸出對應(yīng)的Ix和Iy;DIR為電機(jī)運轉(zhuǎn)方向控制。如圖5。

圖5：控制要素

SLA(速度負(fù)載模擬)信號是由SLA引腳采樣和提供的信號，可應(yīng)用于電機(jī)堵轉(zhuǎn)和共振特性檢測。成功的設(shè)計需要理解Vbemf(反電動勢)信號的特性。Vbemf與電機(jī)線圈繞組電流(ICOIL)相位延遲的信號被稱為負(fù)載角。反電動勢的幅值隨轉(zhuǎn)子速度和負(fù)載角的變化受電機(jī)負(fù)載條件的影響。當(dāng)線圈中無電流狀態(tài)( =電流過零點)時，Vbemf是可見的，如圖6。

圖6：SLA信號特性

SLA信號具有共振反饋特性，它是由電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和燈具共振產(chǎn)生的，實踐中可以通過檢測不同速度下的電機(jī)和燈具共振點來予以避免。

圖7是AFS NCV70522方案簡化的驅(qū)動電路，NCV70522有內(nèi)置的LDO電源輸出，可供MCU選擇。該方案采用SPI通信，因此在設(shè)計中需要注意I/O口的控制，如NXT信號、DIR信號及ERROR信號狀態(tài)讀取。由于SLA信號是一個模擬信號，應(yīng)該連接到MCU的AD管腳上;SLA信號的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容、LC濾波電路的阻值和容值一定要非常準(zhǔn)確;另外，SLA信號在布板圖中一定要使用最簡化、最直接的布線。

圖7：AFS NCV70522方案簡化驅(qū)動電路

復(fù)位AFS NCV70522芯片時，CLR引腳為0，芯片為正常模式;復(fù)位芯片需要將CLR引腳設(shè)置為1;復(fù)位后芯片內(nèi)部寄存器值被清除成初始化值。設(shè)置輸出電流時，可以利用芯片提供的多種輸出電流模式，通過SPI對寄存器CUR[4:0] 設(shè)定來選擇;更改后的電流會在下一個PWM周期更新。芯片提供從整步到32微步共7種模式選擇，可以通過SPI對寄存器SM[2:0] 設(shè)定來選擇步幅模式設(shè)置。電機(jī)運行的使能可通過SPI設(shè)定MOTEN比特位來實現(xiàn)。用NXT信號可控制電機(jī)步位置，更改電流表對應(yīng)的步位置輸出相應(yīng)Ix和Iy;即使在電機(jī)運轉(zhuǎn)沒有啟用時，步位置一樣可改變，只是Ix和Iy不輸出;寄存器NXTP標(biāo)志位設(shè)定決定了NXT的上升沿或下降沿的采集。

堵轉(zhuǎn)的判定對AFS系統(tǒng)非常復(fù)雜，也非常重要。在AFS NCV70522應(yīng)用堵轉(zhuǎn)判定方法中，電機(jī)運轉(zhuǎn)速度(Fstep/s) = NXT頻率/微步數(shù);NXT脈沖每產(chǎn)生一次，步位置被改變1次，當(dāng)微步越精密，需要的NXT越多，電流表變化的周期越長。電機(jī)微步模式被設(shè)定后，我們可通過NXT的頻率來調(diào)整電機(jī)運轉(zhuǎn)速度。在堵轉(zhuǎn)檢測時，SLA引腳提供了一個輸出電壓，表示反電動勢電機(jī)水平的電壓。這個反電動勢電壓能在每個過零點進(jìn)行采樣，每個線圈電流存在2個過零點位置，所以在每個電氣周期內(nèi)共存在4個可觀測的過零點電流區(qū)間。通過讀取step位置，即可得到過零點信息，在兩個過零點中間采集BEMF，此時更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。SLA反饋因電機(jī)運轉(zhuǎn)速度和機(jī)械負(fù)載而不同，所以每個方案都需要對正常運行和堵轉(zhuǎn)運行的SLA進(jìn)行對比，以確定堵轉(zhuǎn)的檢測條件。

通常，如果4個“線圈電流過流點”中有2個SLA電平低于1.5 V，那么就處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。另外，需要連續(xù)2個以上的SLA波形圖來判斷堵轉(zhuǎn)，電氣周期都認(rèn)定為堵轉(zhuǎn)才是真正的堵轉(zhuǎn)，因為一些燈具結(jié)構(gòu)的塑料件毛刺問題可導(dǎo)致存在一定摩擦，會影響堵轉(zhuǎn)的判斷。

總結(jié)

汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)的光束旋轉(zhuǎn)有助于優(yōu)化能見度曲線，可根據(jù)實時情況調(diào)整光束。而步進(jìn)電機(jī)是AFS首選的控制器。安森美半導(dǎo)體身為領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商，一直在利用其先進(jìn)汽車工藝技術(shù)為汽車照明應(yīng)用提供各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和定制器件。包括上述各種AFS步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方案在內(nèi)，安森美半導(dǎo)體的汽車應(yīng)用產(chǎn)品均符合汽車可靠性和溫度等規(guī)范和環(huán)保要求，并滿足人們對車內(nèi)照明控制、前照燈、后組合燈、霧燈、示廓燈，尤其是新光源等方面越來越高的要求，讓駕駛者充分體驗到駕乘的舒適性和樂趣。