近年來(lái)，汽車(chē)中的電子成分不斷提升，幫助提升燃油經(jīng)濟性，減少排放，增強安全、照明、車(chē)載網(wǎng)絡(luò )及信息娛樂(lè )系統等。其中，汽車(chē)前照燈是安全駕駛的一個(gè)重要環(huán)節，安森美半導體創(chuàng )新及領(lǐng)先行業(yè)的汽車(chē)自適應前照燈系統（Adaptive Front-lighting System， AFS）電機驅動(dòng)方案克服傳統前照燈的局限，幫助提升行車(chē)安全性。本文分析AFS的特性，介紹安森美半導體的AFS方案，以及應用設計要點(diǎn)，幫助客戶(hù)應用汽車(chē)AFS方案。

 

 

傳統汽車(chē)前照燈的燈光跟車(chē)身方向始終一致，在汽車(chē)轉彎時(shí)無(wú)法有效照明彎道內側的盲區，如果彎道內側恰好存在人或物體，而車(chē)速又未恰當降低，則會(huì )帶來(lái)安全隱患，如圖1所示。相比較而言，AFS功能可以提供旋轉（swiveling）調節效果，能夠根據方向盤(pán)的角度轉動(dòng)，把有效的光束投射到駕駛者需要看清的前方路面上，幫助降低安全隱患。

 

圖1：AFS功能的旋轉調節（左圖）及水平調節（右圖）照明效果

 

除了能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋轉調節，AFS功能還能提供動(dòng)態(tài)水平高度調節。此功能根據負載軸傳感器的信號來(lái)調節前照燈的水平高度，可以適應不同的負載及不同的斜坡環(huán)境。如圖1右側中，上圖是AFS功能在正常水平條件下的燈光投身效果，中圖是在汽車(chē)啟動(dòng)或上坡時(shí)路面顛簸條件下燈光上揚效果，下圖是在剎車(chē)或下坡條件下的燈光水平下沉照明效果?？梢?jiàn)AFS可根據車(chē)身水平傾斜情況動(dòng)態(tài)調節燈光高度，改善照明效果，增強安全性。AFS工作原理結構圖分別如圖2和圖3所示。

 

圖2：AFS的工作原理結構圖

圖3：AFS的工作原理結構圖（續）

 

 

汽車(chē)AFS的旋轉及水平高度調節，是各使用一個(gè)步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現的，電機根據車(chē)輛四周的眾多傳感器反饋的數據作出反應，故設計人員需要采用適合的步進(jìn)電機驅動(dòng)方案，且安放在適合的位置。

 

控制AFS功能的步進(jìn)電機驅動(dòng)器的安放位置有兩種選擇。一種方法稱(chēng)為直接驅動(dòng)，典型產(chǎn)品如NCV70522。這種方案中，步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片安裝在跟主微控制器（MCU）同一印制電路板（PCB）上。此電路板離前照燈部件及相關(guān)步進(jìn)電機較遠，而每個(gè)電機需要與對應的信號連接。

 

另一種方法是機電一體化，典型產(chǎn)品如AMIS-30623。在這種方法中，步進(jìn)電機驅動(dòng)IC能夠直接安裝在步進(jìn)電機結構內，僅需共享地線(xiàn)與LIN總線(xiàn)信號連接。這種方法極為有益，因為MCU與機電一體化模塊的接口連接只需要低電磁兼容性的總線(xiàn)。機電一體化方法采用模塊化設計，前照燈組件的維修保養方便，好處明顯。這兩種方法的結構示意圖如圖4所示。

 

圖4：兩種不同的步進(jìn)電機驅動(dòng)器安放方法

 

 

安森美半導體提供多種多樣的步進(jìn)電機驅動(dòng)器產(chǎn)品，如AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70627、NCV70521及 NCV70522等。這些產(chǎn)品中， AMIS-30621、AMIS-30623及NCV70627采用LIN通信，而NCV70521及 NCV70522采用SPI通信。其中，AMIS-30623是一款單芯片微步進(jìn)電機驅動(dòng)器。它是通過(guò)LIN建立與主機遠程連接的專(zhuān)用機電一體化方案。該芯片通過(guò)總線(xiàn)接收定位指令，隨后驅動(dòng)電機線(xiàn)圈到所需位置，可配置電流、速度、加速度和減速度等參數。該芯片自帶電機堵轉偵測。

 

圖5：AMIS-30623的工作原理示意圖

 

NCV70522則是一款帶穩壓器及看門(mén)狗功能的SPI通信步進(jìn)電機驅動(dòng)IC。這單芯片微步進(jìn)電機驅動(dòng)器具有輸出電流選擇性、SPI接口、嵌入式5V穩壓器和看門(mén)狗復位等特性。該芯片接收通過(guò)一個(gè)輸入引腳脈沖信號啟動(dòng)“下一步微步”命令，輸出線(xiàn)圈電流、微步數等參數。集成的SPI總線(xiàn)允許參數設定及診斷反饋。NCV70522的典型應用電路圖如圖6所示。

 

圖6：NCV70522典型應用電路圖

 

 

我們以NCV70522為例，介紹這芯片在A(yíng)FS應用中的設計要點(diǎn)。NCV70522的控制要素包括步幅模式、NXT輸入及電機運轉方向（DIR）控制等。

 

1） SLA信號特性

 

NCV70522包含速度及負載角（SLA）輸出，配合創(chuàng )建停轉檢測算法及控制環(huán)路，以根據電機的反電動(dòng)勢（BEMF）來(lái)調節轉矩和速度。

 

2） SPI寄存器

 

NCV70522采用標準4線(xiàn)SPI通信（CLK， CSB， DI， DO），包含3個(gè)8位控制（Control）寄存器（0， 1， 2）和4個(gè)8位狀態(tài)（Status）寄存器（0， 1， 2， 3）。

 

3）復位

 

CLR引腳為低電平（0）時(shí)，器件在正常模式；CLR引腳為高電平（1）時(shí)，器件復位。復位號器件內部寄存器值被清除為初始化值。

 

4） 設置線(xiàn)圈輸出電流

 

NCV70522提供多種輸出電流模式，可以通過(guò)SPI來(lái)對寄存器CUR［4:0］設定來(lái)選擇。更改后的電流會(huì )在下一個(gè)脈寬調制（PWM）周期更新。

 

5） 步幅設定

 

NCV70522提供從整步到32微步共7種中模式供選擇，可以通過(guò)SPI對寄存器SM［2:0］來(lái)設定。

 

6） NXT控制

 

　　NXT信號用于控制電機的步幅（step）位置，根據電流表對應的Ix和Iy信息，進(jìn)入下一步（step）。即使電機運轉沒(méi)有啟用時(shí)，step位置一樣被改變，只是Ix，Iy不輸出。

 

7） 堵轉檢測

 

AFS應用中步進(jìn)電機有時(shí)可能會(huì )堵轉。一旦電機堵轉，電子控制單元（ECU）將失去前照燈位置的跟蹤信息并作出不恰當的反應，滋生極嚴重的安全問(wèn)題，所以AFS應用中堵轉檢測是必不可少。

 

NCV70522微步步進(jìn)電機驅動(dòng)器透過(guò)SLA引腳提供BEMF輸出，這表示它能實(shí)時(shí)進(jìn)行停轉檢測計算，并根據不同條件來(lái)調節檢測等級。具體而言，此BEMF電壓在每個(gè)所謂的“線(xiàn)圈電流過(guò)零”期間采樣。每個(gè)線(xiàn)圈在每個(gè)電氣周期內存在2個(gè)零電流位置，因而每個(gè)電氣周期共有4個(gè)過(guò)零觀(guān)察點(diǎn)，故可以測量4次BEMF。如果4個(gè)“線(xiàn)圈電流過(guò)流點(diǎn)”中有2個(gè)SLA電平低于1.5 V，那么就處于堵轉狀態(tài)。我們需要連續2個(gè)以上的電氣周期都認定為堵轉才為真正堵轉。

 

圖7：NCV70522的堵轉檢測功能

 

 

自適應前照明系統（AFS）在智能汽車(chē)電子產(chǎn)品中應用越來(lái)越廣泛，通過(guò)驅動(dòng)步進(jìn)電機來(lái)實(shí)時(shí)控制燈光角度調整，能有效地增加駕駛的安全性。安森美半導體針對AFS系統的步進(jìn)電機開(kāi)發(fā)了一系列驅動(dòng)芯片，為客戶(hù)的設計增強汽車(chē)的安全性。本文介紹了AFS特性、驅動(dòng)IC以及方案設計要點(diǎn)，特別是步進(jìn)電機驅動(dòng)難點(diǎn)—堵轉檢測的剖析，幫助客戶(hù)快速、準確地開(kāi)發(fā)有效的AFS方案。來(lái)源：電子發(fā)燒友。

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