汽车自适应前照灯系统(AFS)的电机驱动方案

近年来，汽车中的电子成分不断提升，帮助提升燃油经济性，减少排放，增强安全、照明、车载网络及信息娱乐系统等。其中，汽车前照灯是安全驾驶的一个重要环节，安森美半导体创新及领先行业的汽车自适应前照灯系统(Adaptive Front-lighting System, AFS)电机驱动方案克服传统前照灯的局限，帮助提升行车安全性。本文分析AFS的特性，介绍安森美半导体的AFS方案，以及应用设计要点，帮助客户应用汽车AFS方案。

自适应前照灯系统(AFS)的应用优势及工作原理

传统汽车前照灯的灯光跟车身方向始终一致，在汽车转弯时无法有效照明弯道内侧的盲区，如果弯道内侧恰好存在人或物体，而车速又未恰当降低，则会带来安全隐患，如图1所示。相比较而言，AFS功能可以提供旋转(swiveling)调节效果，能够根据方向盘的角度转动，把有效的光束投射到驾驶者需要看清的前方路面上，帮助降低安全隐患。




图1：AFS功能的旋转调节(左图)及水平调节(右图)照明效果。

除了能够进行动态旋转调节，AFS功能还能提供动态水平高度调节。此功能根据负载轴传感器的信号来调节前照灯的水平高度，可以适应不同的负载及不同的斜坡环境。如图1右侧中，上图是AFS功能在正常水平条件下的灯光投身效果，中图是在汽车启动或上坡时路面颠簸条件下灯光上扬效果，下图是在刹车或下坡条件下的灯光水平下沉照明效果。可见AFS可根据车身水平倾斜情况动态调节灯光高度，改善照明效果，增强安全性。AFS工作原理结构图分别如图2和图3所示。


图2：AFS的工作原理结构图。


图3：AFS的工作原理结构图(续)。

步进电机驱动器的安放位置选择

汽车AFS的旋转及水平高度调节，是各使用一个步进电机来实现的，电机根据车辆四周的众多传感器反馈的数据作出反应，故设计人员需要采用适合的步进电机驱动方案，且安放在适合的位置。

控制AFS功能的步进电机驱动器的安放位置有两种选择。一种方法称为直接驱动，典型产品如NCV70522。这种方案中，步进电机驱动芯片安装在跟主微控制器(MCU)同一印制电路板(PCB)上。此电路板离前照灯部件及相关步进电机较远，而每个电机需要与对应的信号连接。

另一种方法是机电一体化，典型产品如AMIS-30623。在这种方法中，步进电机驱动IC能够直接安装在步进电机结构内，仅需共享地线与LIN总线信号连接。这种方法极为有益，因为MCU与机电一体化模块的接口连接只需要低电磁兼容性的总线。机电一体化方法采用模块化设计，前照灯组件的维修保养方便，好处明显。这两种方法的结构示意图如图4所示。


图4：两种不同的步进电机驱动器安放方法。

安森美半导体主要AFS步进电机驱动器产品及关键特性
安森美半导体提供多种多样的步进电机驱动器产品，如AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70627、NCV70521及 NCV70522等。这些产品中， AMIS-30621、AMIS-30623及NCV70627采用LIN通信，而NCV70521及 NCV70522采用SPI通信。其中，AMIS-30623是一款单芯片微步进电机驱动器。它是通过LIN建立与主机远程连接的专用机电一体化方案。该芯片通过总线接收定位指令，随后驱动电机线圈到所需位置，可配置电流、速度、加速度和减速度等参数。该芯片自带电机堵转侦测。


图5：AMIS-30623的工作原理示意图。

NCV70522则是一款带稳压器及看门狗功能的SPI通信步进电机驱动IC。这单芯片微步进电机驱动器具有输出电流选择性、SPI接口、嵌入式5V稳压器和看门狗复位等特性。该芯片接收通过一个输入引脚脉冲信号启动“下一步微步”命令，输出线圈电流、微步数等参数。集成的SPI总线允许参数设定及诊断反馈。NCV70522的典型应用电路图如图6所示。


图6：NCV70522典型应用电路图。

NCV70522应用设计要点

我们以NCV70522为例，介绍这芯片在AFS应用中的设计要点。NCV70522的控制要素包括步幅模式、NXT输入及电机运转方向(DIR)控制等。

1) SLA信号特性
NCV70522包含速度及负载角(SLA)输出，配合创建停转检测算法及控制环路，以根据电机的反电动势(BEMF)来调节转矩和速度。

2) SPI寄存器
NCV70522采用标准4线SPI通信(CLK, CSB, DI, DO)，包含3个8位控制(Control)寄存器(0, 1, 2)和4个8位状态(Status)寄存器(0, 1, 2, 3)。

3)复位
CLR引脚为低电平(0)时，器件在正常模式；CLR引脚为高电平(1)时，器件复位。复位号器件内部寄存器值被清除为初始化值。

4) 设置线圈输出电流
NCV70522提供多种输出电流模式，可以通过SPI来对寄存器CUR[4:0]设定来选择。更改后的电流会在下一个脉宽调制(PWM)周期更新。

5) 步幅设定
NCV70522提供从整步到32微步共7种中模式供选择，可以通过SPI对寄存器SM[2:0]来设定。

6) NXT控制
NXT信号用于控制电机的步幅(step)位置，根据电流表对应的Ix和Iy信息，进入下一步(step)。即使电机运转没有启用时，step位置一样被改变，只是Ix，Iy不输出。

7) 堵转检测
AFS应用中步进电机有时可能会堵转。一旦电机堵转，电子控制单元(ECU)将失去前照灯位置的跟踪信息并作出不恰当的反应，滋生极严重的安全问题，所以AFS应用中堵转检测是必不可少。

NCV70522微步步进电机驱动器透过SLA引脚提供BEMF输出，这表示它能实时进行停转检测计算，并根据不同条件来调节检测等级。具体而言，此BEMF电压在每个所谓的“线圈电流过零”期间采样。每个线圈在每个电气周期内存在2个零电流位置，因而每个电气周期共有4个过零观察点，故可以测量4次BEMF。如果4个“线圈电流过流点”中有2个SLA电平低于1.5 V，那么就处于堵转状态。我们需要连续2个以上的电气周期都认定为堵转才为真正堵转。


图7：NCV70522的堵转检测功能。

总结：

自适应前照明系统(AFS)在智能汽车电子产品中应用越来越广泛，通过驱动步进电机来实时控制灯光角度调整，能有效地增加驾驶的安全性。安森美半导体针对AFS系统的步进电机开发了一系列驱动芯片，为客户的设计增强汽车的安全性。本文介绍了AFS特性、驱动IC以及方案设计要点，特别是步进电机驱动难点—堵转检测的剖析，帮助客户快速、准确地开发有效的AFS方案。