汽車(chē)AFS的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　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(jì)性，減少排放，增強(qiáng)安全、照明、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)及信息娛樂(lè)系統(tǒng)等。其中，汽車(chē)前照燈是安全駕駛的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新及領(lǐng)先行業(yè)的汽車(chē)自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（Adaptive Front-lighting System， AFS）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案克服傳統(tǒng)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(dǎo)體的AFS方案，以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助客戶(hù)應(yīng)用汽車(chē)AFS方案。

　　自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及工作原理

　　傳統(tǒng)汽車(chē)前照燈的燈光跟車(chē)身方向始終一致，在汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)無(wú)法有效照明彎道內(nèi)側(cè)的盲區(qū)，如果彎道內(nèi)側(cè)恰好存在人或物體，而車(chē)速又未恰當(dāng)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(zhuǎn)（swiveling）調(diào)節(jié)效果，能夠根據(jù)方向盤(pán)的角度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)調(diào)節(jié)（左圖）及水平調(diào)節(jié)（右圖）照明效果

　　除了能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，AFS功能還能提供動(dòng)態(tài)水平高度調(diào)節(jié)。此功能根據(jù)負(fù)載軸傳感器的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)前照燈的水平高度，可以適應(yīng)不同的負(fù)載及不同的斜坡環(huán)境。如圖1右側(cè)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(yáng)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(jù)車(chē)身水平傾斜情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燈光高度，改善照明效果，增強(qiáng)安全性。AFS工作原理結(jié)構(gòu)圖分別如圖2和圖3所示。

圖2：AFS的工作原理結(jié)構(gòu)圖

圖3：AFS的工作原理結(jié)構(gòu)圖（續(xù)）

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的安放位置選擇

　　汽車(chē)AFS的旋轉(zhuǎn)及水平高度調(diào)節(jié)，是各使用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)根據(jù)車(chē)輛四周的眾多傳感器反饋的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)，故設(shè)計(jì)人員需要采用適合的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，且安放在適合的位置。

　　控制AFS功能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的安放位置有兩種選擇。一種方法稱(chēng)為直接驅(qū)動(dòng)，典型產(chǎn)品如NCV70522。這種方案中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)較遠(yuǎn)，而每個(gè)電機(jī)需要與對(duì)應(yīng)的信號(hào)連接。

　　另一種方法是機(jī)電一體化，典型產(chǎn)品如AMIS-30623。在這種方法中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC能夠直接安裝在步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)，僅需共享地線(xiàn)與LIN總線(xiàn)信號(hào)連接。這種方法極為有益，因?yàn)镸CU與機(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)，前照燈組件的維修保養(yǎng)方便，好處明顯。這兩種方法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4：兩種不同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安放方法

　　安森美半導(dǎo)體主要AFS步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品及關(guān)鍵特性

　　安森美半導(dǎo)體提供多種多樣的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動(dòng)器。它是通過(guò)LIN建立與主機(jī)遠(yuǎn)程連接的專(zhuān)用機(jī)電一體化方案。該芯片通過(guò)總線(xiàn)接收定位指令，隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shù)。該芯片自帶電機(jī)堵轉(zhuǎn)偵測(cè)。

圖5：AMIS-30623的工作原理示意圖

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

圖6：NCV70522典型應(yīng)用電路圖

　　NCV70522應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　我們以NCV70522為例，介紹這芯片在AFS應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。NCV70522的控制要素包括步幅模式、NXT輸入及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向（DIR）控制等。

　　1） SLA信號(hào)特性

　　NCV70522包含速度及負(fù)載角（SLA）輸出，配合創(chuàng)建停轉(zhuǎn)檢測(cè)算法及控制環(huán)路，以根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和速度。

　　2） SPI寄存器

　　NCV70522采用標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)位。復(fù)位號(hào)器件內(nèi)部寄存器值被清除為初始化值。

　　4） 設(shè)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(duì)寄存器CUR［4:0］設(shè)定來(lái)選擇。更改后的電流會(huì)在下一個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）周期更新。

　　5） 步幅設(shè)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(duì)寄存器SM［2:0］來(lái)設(shè)定。

　　6） NXT控制

　　NXT信號(hào)用于控制電機(jī)的步幅（step）位置，根據(jù)電流表對(duì)應(yīng)的Ix和Iy信息，進(jìn)入下一步（step）。即使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)檢測(cè)

　　AFS應(yīng)用中步進(jìn)電機(jī)有時(shí)可能會(huì)堵轉(zhuǎn)。一旦電機(jī)堵轉(zhuǎn)，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(dāng)?shù)姆磻?yīng)，滋生極嚴(yán)重的安全問(wèn)題，所以AFS應(yīng)用中堵轉(zhuǎn)檢測(cè)是必不可少。

　　NCV70522微步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)檢測(cè)計(jì)算，并根據(jù)不同條件來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)等級(jí)。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(nèi)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)零觀察點(diǎn)，故可以測(cè)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(zhuǎn)狀態(tài)。我們需要連續(xù)2個(gè)以上的電氣周期都認(rèn)定為堵轉(zhuǎn)才為真正堵轉(zhuǎn)。

圖7：NCV70522的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能

　　總結(jié)：

　　自適應(yīng)前照明系統(tǒng)（AFS）在智能汽車(chē)電子產(chǎn)品中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)時(shí)控制燈光角度調(diào)整，能有效地增加駕駛的安全性。安森美半導(dǎo)體針對(duì)AFS系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)發(fā)了一系列驅(qū)動(dòng)芯片，為客戶(hù)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)汽車(chē)的安全性。本文介紹了AFS特性、驅(qū)動(dòng)IC以及方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)，特別是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)難點(diǎn)—堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的剖析，幫助客戶(hù)快速、準(zhǔn)確地開(kāi)發(fā)有效的AFS方案。

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