單芯片集成電路優(yōu)化自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)步進(jìn)電機(jī)對(duì)氙氣車(chē)前大燈實(shí)施電子控制的目的在于指引車(chē)燈光束，最大程度地降低迎面而來(lái)的車(chē)輛的燈光強(qiáng)度，同時(shí)照亮曲道的路面。但是，車(chē)輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片的位置卻對(duì)該系統(tǒng)的效率有極大的影響。

高強(qiáng)度放電燈(氙氣燈)車(chē)輛前大燈越來(lái)越成為全球車(chē)輛制造商所選用的技術(shù)。為了最大限度地使用氙氣燈所提供的優(yōu)質(zhì)照明，同時(shí)降低由于不當(dāng)定向所造成的氙氣燈光強(qiáng)過(guò)高所導(dǎo)致的危險(xiǎn)，自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)(AFS)的重要性與日俱增。

這些系統(tǒng)能夠在垂直方向上輕微地調(diào)節(jié)車(chē)前大燈的光束，以此來(lái)補(bǔ)償車(chē)輛相對(duì)于路面的傾斜度的變化。同時(shí)，它們也能夠根據(jù)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的變化，相應(yīng)地讓車(chē)前大燈旋轉(zhuǎn)。這樣的光束能夠提供最佳及最安全的前方道路照明，顯著改善司機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)道路的可視度。

自動(dòng)校平―減弱強(qiáng)光

前大燈自動(dòng)校平系統(tǒng)的工作原理是在車(chē)輛傾斜的情況下仍保證燈光與路面呈水平狀態(tài)(見(jiàn)下圖)。車(chē)輛處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)可能會(huì)由于某些原因而傾斜，例如有乘客上車(chē)，或裝行李，甚至是給油箱加油。同樣的，當(dāng)車(chē)輛處于行進(jìn)狀態(tài)時(shí)，也會(huì)由于剎車(chē)或加速而導(dǎo)致車(chē)輛傾斜。在這兩種情況下，車(chē)前大燈都必須保持與公路水平的狀態(tài)。前大燈自動(dòng)校平系統(tǒng)根據(jù)傳感器的一系列數(shù)據(jù)，尤其是從前后車(chē)軸傳來(lái)的懸架壓縮數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)各車(chē)燈的角度。
通過(guò)前大燈旋轉(zhuǎn)來(lái)提高安全性能

車(chē)輛的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括有關(guān)轉(zhuǎn)向角及輪速的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)。根據(jù)該信息，配備前大燈的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)能夠使光線(xiàn)的分布與車(chē)輛的轉(zhuǎn)向角相適應(yīng)，以便于迎面而來(lái)的轉(zhuǎn)彎和岔路口―尤其是司機(jī)的凝視點(diǎn)―能夠得到最佳的照明(見(jiàn)下圖)。光線(xiàn)的這一顯著增強(qiáng)能夠降低司機(jī)的緊張度和疲勞感，并且提高障礙物的可見(jiàn)度；而這些障礙物是固定光束前大燈甚至無(wú)法照到的。許多研究表明，當(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，旋轉(zhuǎn)光束前大燈使司機(jī)凝視點(diǎn)的照明度提高了300%。
步進(jìn)電機(jī)控制

每臺(tái)車(chē)輛前大燈的轉(zhuǎn)動(dòng)都是通過(guò)使用步進(jìn)電機(jī)而實(shí)現(xiàn)的，其中，一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一臺(tái)用于控制水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)下圖)。電機(jī)根據(jù)車(chē)輛四周的許多傳感器反饋的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)。信息的傳達(dá)是通過(guò)車(chē)輛的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。LIN總線(xiàn)是前大燈控制的一個(gè)實(shí)用的選擇，而CAN總線(xiàn)則能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)收集起來(lái)并且分配到整個(gè)車(chē)輛。步進(jìn)電機(jī)是前大燈調(diào)節(jié)應(yīng)用的一個(gè)最佳選擇，因?yàn)檫@些電機(jī)成本低，堅(jiān)固耐用，體型雖小卻能夠提供一個(gè)很大的扭矩。
至于控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器集成電路芯片的安放位置，有兩種選擇方案可供采用。第一種被稱(chēng)為直接驅(qū)動(dòng)。在這種方法中，驅(qū)動(dòng)器芯片安裝于主微控制器印制電路板之中(見(jiàn)下圖頂端圖像)。該電路板離前大燈部件及相關(guān)的步進(jìn)電機(jī)很遠(yuǎn)，可能位于一個(gè)車(chē)輛隔板(隔熱墻)所附有的中央電子控制單元(ECU)內(nèi)，也可能位于車(chē)輛的乘員室這一“舒適的”環(huán)境中。該方法的主要不足之處在于所需的線(xiàn)路過(guò)多及高強(qiáng)度的電磁兼容性輻射。
第二種方法是機(jī)電一體化。在這一方法中，驅(qū)動(dòng)器芯片與電機(jī)安裝在一起(見(jiàn)上圖底端)。由于采用了高度集成的單芯片產(chǎn)品，如AMI Semiconductor公司制造的AMIS-30621及AIMS-30623步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路，把芯片能夠直接安裝于電機(jī)內(nèi)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)機(jī)電一體化方法變得更為可行。這一方法是非常有益的，因?yàn)橹醒胛⒖刂破骱蜋C(jī)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(jī)電一體化方法采用模塊化設(shè)計(jì)，前大燈組件的維修保養(yǎng)方便，所以好處顯著。

分割硬件和軟件

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用需要同時(shí)設(shè)計(jì)硬件及軟件。這會(huì)變得非常復(fù)雜，尤其是像在自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)中，多個(gè)軸需要同時(shí)受到控制的情況下。在步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路出現(xiàn)以前，過(guò)去的方法是投資于微控制器并且開(kāi)發(fā)專(zhuān)用軟件，或使用轉(zhuǎn)換芯片(見(jiàn)下圖、左及中部圖片)?；谲浖慕鉀Q方案的主要問(wèn)題在于開(kāi)發(fā)成本很高，且在任何條件下檢驗(yàn)多個(gè)軸的正確操作存在固有的困難。

所謂的轉(zhuǎn)換集成電路，在微控制器與驅(qū)動(dòng)器芯片之間提供接口，總體解決方案添加了一些額外的硬件，但同時(shí)也導(dǎo)致了更難以管理的復(fù)雜性及更多的軟件需求(見(jiàn)下圖，右方圖片)。使用轉(zhuǎn)換芯片的不利之處在于使得印制電路板的設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜，同時(shí)失去一些模塊化的優(yōu)勢(shì)。
單芯片方法

集成的步進(jìn)電機(jī)控制器與其它方法相比，降低了需要多個(gè)軸自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且提供了一個(gè)車(chē)輛制造商們所需的直接的解決方案，來(lái)支持模塊化及車(chē)輛一體化設(shè)計(jì)。

AMI Semiconductor公司提供了四種混合信號(hào)器件，這些器件集總線(xiàn)連接、定位、電子控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器于一個(gè)占位面積為7mm*7mm的單一封裝之中。這些器件體型小、性能高，它們?cè)谥苯影惭b于步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的情況下，仍能保證運(yùn)動(dòng)控制軟件的模塊化設(shè)計(jì)及魯棒的電機(jī)操作。
上述兩種型號(hào)(AMIS-30621和AMIS-30623)器件的特色在于以LIN總線(xiàn)為接口。相較于將驅(qū)動(dòng)器置于遠(yuǎn)端的系統(tǒng)，這一方法節(jié)省了布線(xiàn)成本，并且擁有更好的電磁兼容性能，這一優(yōu)勢(shì)是在汽車(chē)應(yīng)用中遇到困難時(shí)解決問(wèn)題的關(guān)鍵。其余兩種改進(jìn)型(AMIS-30622和AMIS-30624)擁有I2C的串行接口，能夠作為單一印制電路板上與微控制器相鄰的外圍器件。

無(wú)傳感器止動(dòng)檢測(cè)

大多數(shù)自動(dòng)前大燈系統(tǒng)在車(chē)燈打開(kāi)時(shí)都能進(jìn)行最初的位置調(diào)整。這一機(jī)械方式在指定時(shí)間內(nèi)基本上將車(chē)燈調(diào)節(jié)至可能的最低點(diǎn)。該程序存在一個(gè)問(wèn)題，即由于步進(jìn)電機(jī)撞擊停止點(diǎn)而產(chǎn)生出噪音并且加大磨損。另一解決方案是使用無(wú)傳感器的止動(dòng)檢測(cè)，該方法的特色是應(yīng)用了AMIS-30623及AMIS-30624元件。這些部件操作安靜、磨損低，卻同樣能夠精確地校準(zhǔn)位置，并且不需要外部傳感器就能夠在靠近機(jī)電停止點(diǎn)時(shí)使用半閉環(huán)操作。

本文小結(jié)

使用單芯片步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路能夠使自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化，并且在通常難以操作的條件下提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)性能。集成設(shè)計(jì)更大地提高了前大燈總體的可靠性，并且意味著外部電路元件僅需幾個(gè)電容器。同樣地，打入市場(chǎng)的時(shí)間、設(shè)計(jì)及整個(gè)系統(tǒng)的成本都將受到積極的影響。

機(jī)電一體化和模塊化的方法都得到了單芯片步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路的支持，在快速增長(zhǎng)的車(chē)輛電子系統(tǒng)使得電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜和昂貴的情況下，這兩個(gè)方法為廣大車(chē)輛制造商們所推崇。