安森美半導體用于汽車自適應前大燈系統的電機控制方案
2015-06-30 11:45:14 安森美車燈，好比汽車的眼睛，是保證汽車安全行駛的重要組成部分。而傳統的汽車照明系統已無法滿足人們日益提高的安全行車的需求，特別是在夜間行駛時普遍存在著兩大顯著的缺點：一是駕駛員容易受迎面而來的車輛的眩光影響而分散注意力，增加了事故隱患；二是在彎道或十字路口能見度低，且存在照明盲區。據美國國家高速公路交通安全管理局公布的數字，汽車約有25%的時間在夜間行駛，但超過40%的重大事故發生在這個時間段。為減少眩光，歐洲各國當局要求為汽車配備自動前大燈調平系統。自適應前大燈系統(AFS)是應此要求而開發，可自動適應不同行駛環境和條件照亮前方，進一步提升行車安全性。
自適應前大燈系統(AFS)的優勢
(一) 自動調平以減少眩光
當汽車勻速行駛在平坦的路面時，前大燈光束是平行于路面而照向前方的，但在其它情況下(通過減速帶時、緊急制動、加速行駛或加油時等等)可能會傾斜，而自動調平系統使汽車前大燈光束能保持與路面平行，并有助于在上坡路或下坡路時防止大燈照向太遠。該功能通過負載軸傳感器信號調平前大燈，可適應不同負載和不同坡度情況。
自調平系統中的調平傳感器向電子控制單元(ECU)發送關于汽車傾斜的信息，而調平控制單元利用剎車或油門踏板的應用提示、速率變化、懸掛行程和壓力等線索智能地濾除傳感器數據，同時計算傾斜度，然后前大燈據此信息向上或向下移動以便駕駛員在不平坦的地形或剎車時糾正車距的變化，或在檢測到迎面而來的汽車時自動將大燈遠光調為近光以防止眩光影響。如圖一的上中下三圖，分別展示了汽車在正常水平條件下、向后傾斜和向前傾斜的照明效果。
圖一 AFS自動調平的3種照明效果
(二) 自動旋轉點亮傳統前照燈的照明盲區
傳統前照燈在彎道處存在照明盲區，因為其光束方向始終與車身一致，駕駛員無法看清彎道內側的路況；而配備AFS的汽車能根據轉彎角度和車輪速度的實時傳感器數據旋轉前大燈到所需的方向，點亮彎道內側，提高了駕駛員和其它汽車駕駛員及行人的安全(圖二)。
各種研究表明，當汽車行駛到轉彎處，AFS的自動旋轉功能使駕駛員凝視點的光照增加了3倍，拐角額外的光照增加了58%，幫助駕駛員識別到障礙物。
圖二 配備AFS前后的照明效果比較
AFS的工作原理
控制前大燈的運行是根據汽車四周各種傳感器的輸入如轉彎位置、速度、車距等來進行的，驅動器IC負責將輸出轉換為需要的PWM波形以驅動步進電機到所需的位置。這就要求電機驅動器不僅快速準確，而且可靠和容錯。步進電機能以適當的響應時間和高精度實現平穩和漸進的運行，而且其成本低、強固，為給定尺寸提供高轉矩，無需反饋信號就能正確定位，適用于AFS應用。
步進電機驅動器在自適應前大燈系統中發揮關鍵作用。如圖三所示，在左右前大燈里各有兩個步進電機：一個在垂直面控制調節大燈高度，一個在水平面控制調節光束的旋轉。與前大燈的調平系統和各調平傳感器的通信經由汽車數據網絡系統傳輸。控制器局域網絡(CAN)總線用于收集和分發傳感器數據，局域互聯網絡(LIN)總線用于控制前大燈。
前大燈控制器基于懸掛傳感器數據、橫擺角速度、車體轉向角度和車速采用合適的光束角度，并向最終控制的前大燈發送高調平調節命令。然后一對步進電機專用標準產品(ASSP)將來自前大燈控制的高調平調節命令轉換為必要的電機定位信號，以調平或旋轉前大燈光束。
圖三 AFS的工作原理
安森美半導體應用于AFS的主要電機控制方案
安森美半導體提供多種方案用于AFS，主要產品如低功耗高速CAN收發器NCV7340和獨立式低功耗混合信號LIN收發器NCV7321、微步進電機驅動器NCV70514、NCV70627和NCV70522。
NCV70514和NCV70522是雙H橋兩相微步進電機驅動器，二者都是通過I/O引腳和SPI接口與外微控制器連接，根據步進輸入引腳(NXT)上的時鐘信號和電機運轉方向(DIR)啟動下一微步。關鍵特性包括：提供從整步到32微步的7種模式選擇、完全集成電流感測器、PWM電流控制自動調速等。
NCV70514在檢測到發生堵轉時的電氣故障、欠壓或不斷升高的結溫時會發出故障信號。它采用專有的PWM算法提供可靠的電流控制。
NCV70522包含速度和負載角(SLA)輸出，支持創建堵轉檢測算法和控制環路，以根據電機的反電動勢(BEMF)調節轉矩和速度，集成5 V穩壓器，并集成復位功能和看門狗功能以及熱警告和熱關斷等。
NCV70627是帶位置控制器和控制/診斷接口的單芯片微步進電機驅動器，通過LIN遠程連接至主機，是專用的機電一體化方案，通過總線接收定位指令，然后驅動電機線圈到所需的位置，可配置用于不同的電機類型、定位范圍和速度、加速度及減速度等參數。該芯片兼容14 V汽車系統，集成無傳感器步進損耗檢測特性及一系列保護特性如過流保護、開路檢測、高溫警告和管理、LIN總線短路保護、欠壓管理等。
圖四 AFS應用框圖
結語
自適應前大燈系統(AFS)克服了傳統前照燈的不足，可根據環境和條件自動調節照明區域和角度，并提升能見度，減少駕駛員看不清路況的安全隱患，有助于降低交通事故發生率，其應用會越來越普及。步進電機驅動器作為AFS的關鍵驅動力也將隨之發展。安森美半導體因應此趨勢開發出一系列驅動IC，為汽車照明設計人員提供多種選擇，提升汽車駕乘安全。
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