汽車AFS的電機驅動方案及應用設計要點

　　近年來，汽車中的電子成分不斷提升，幫助提升燃油經濟性，減少排放，增強安全、照明、車載網絡及信息娛樂系統(tǒng)等。其中，汽車前照燈是安全駕駛的一個重要環(huán)節(jié)，安森美半導體創(chuàng)新及領先行業(yè)的汽車自適應前照燈系統(tǒng)（Adaptive Front-lighting System， AFS）電機驅動方案克服傳統(tǒng)前照燈的局限，幫助提升行車安全性。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，幫助客戶應用汽車AFS方案。

　　自適應前照燈系統(tǒng)（AFS）的應用優(yōu)勢及工作原理

　　傳統(tǒng)汽車前照燈的燈光跟車身方向始終一致，在汽車轉彎時無法有效照明彎道內側的盲區(qū)，如果彎道內側恰好存在人或物體，而車速又未恰當降低，則會帶來安全隱患，如圖1所示。相比較而言，AFS功能可以提供旋轉（swiveling）調節(jié)效果，能夠根據方向盤的角度轉動，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(jié)（左圖）及水平調節(jié)（右圖）照明效果

　　除了能夠進行動態(tài)旋轉調節(jié)，AFS功能還能提供動態(tài)水平高度調節(jié)。此功能根據負載軸傳感器的信號來調節(jié)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，中圖是在汽車啟動或上坡時路面顛簸條件下燈光上揚效果，下圖是在剎車或下坡條件下的燈光水平下沉照明效果?？梢夾FS可根據車身水平傾斜情況動態(tài)調節(jié)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(xù)）

　　步進電機驅動器的安放位置選擇

　　汽車AFS的旋轉及水平高度調節(jié)，是各使用一個步進電機來實現的，電機根據車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電機驅動方案，且安放在適合的位置。

　　控制AFS功能的步進電機驅動器的安放位置有兩種選擇。一種方法稱為直接驅動，典型產品如NCV70522。這種方案中，步進電機驅動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步進電機較遠，而每個電機需要與對應的信號連接。

　　另一種方法是機電一體化，典型產品如AMIS-30623。在這種方法中，步進電機驅動IC能夠直接安裝在步進電機結構內，僅需共享地線與LIN總線信號連接。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。機電一體化方法采用模塊化設計，前照燈組件的維修保養(yǎng)方便，好處明顯。這兩種方法的結構示意圖如圖4所示。

圖4：兩種不同的步進電機驅動器安放方法

　　安森美半導體主要AFS步進電機驅動器產品及關鍵特性

　　安森美半導體提供多種多樣的步進電機驅動器產品，如AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70627、NCV70521及 NCV70522等。這些產品中， 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電機驅動器。它是通過LIN建立與主機遠程連接的專用機電一體化方案。該芯片通過總線接收定位指令，隨后驅動電機線圈到所需位置，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(wěn)壓器及看門狗功能的SPI通信步進電機驅動IC。這單芯片微步進電機驅動器具有輸出電流選擇性、SPI接口、嵌入式5V穩(wěn)壓器和看門狗復位等特性。該芯片接收通過一個輸入引腳脈沖信號啟動“下一步微步”命令，輸出線圈電流、微步數等參數。集成的SPI總線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

　　NCV70522應用設計要點

　　我們以NCV70522為例，介紹這芯片在AFS應用中的設計要點。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勢（BEMF）來調節(jié)轉矩和速度。

　　2） SPI寄存器

　　NCV70522采用標準4線SPI通信（CLK， CSB， DI， DO），包含3個8位控制（Control）寄存器（0， 1， 2）和4個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，器件在正常模式；CLR引腳為高電平（1）時，器件復位。復位號器件內部寄存器值被清除為初始化值。

　　4） 設置線圈輸出電流

　　NCV70522提供多種輸出電流模式，可以通過SPI來對寄存器CUR［4:0］設定來選擇。更改后的電流會在下一個脈寬調制（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SPI對寄存器SM［2:0］來設定。

　　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，進入下一步（step）。即使電機運轉沒有啟用時，step位置一樣被改變，只是Ix，Iy不輸出。

　　7） 堵轉檢測

　　AFS應用中步進電機有時可能會堵轉。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題，所以AFS應用中堵轉檢測是必不可少。

　　NCV70522微步步進電機驅動器透過SLA引腳提供BEMF輸出，這表示它能實時進行停轉檢測計算，并根據不同條件來調節(jié)檢測等級。具體而言，此BEMF電壓在每個所謂的“線圈電流過零”期間采樣。每個線圈在每個電氣周期內存在2個零電流位置，因而每個電氣周期共有4個過零觀察點，故可以測量4次BEMF。如果4個“線圈電流過流點”中有2個SLA電平低于1.5 V，那么就處于堵轉狀態(tài)。我們需要連續(xù)2個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

　　總結：

　　自適應前照明系統(tǒng)（AFS）在智能汽車電子產品中應用越來越廣泛，通過驅動步進電機來實時控制燈光角度調整，能有效地增加駕駛的安全性。安森美半導體針對AFS系統(tǒng)的步進電機開發(fā)了一系列驅動芯片，為客戶的設計增強汽車的安全性。本文介紹了AFS特性、驅動IC以及方案設計要點，特別是步進電機驅動難點—堵轉檢測的剖析，幫助客戶快速、準確地開發(fā)有效的AFS方案。

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