使用單芯片步進電機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

通過步進電機對氙氣車前大燈實施電子控制的目的在于指引車燈光束，最大程度地降低迎面而來的車輛的燈光強度，同時照亮曲道的路面。但是，車輛電機驅(qū)動器芯片的位置卻對該系統(tǒng)的效率有極大的影響。
高強度放電燈（氙氣燈）車輛前大燈越來越成為全球車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，同時降低由于不當(dāng)定向所造成的氙氣燈光強過高所導(dǎo)致的危險，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)車前大燈的光束，以此來補償車輛相對于路面的傾斜度的變化。同時，它們也能夠根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向的變化，相應(yīng)地讓車前大燈旋轉(zhuǎn)。這樣的光束能夠提供最佳及最安全的前方道路照明，顯著改善司機轉(zhuǎn)彎時道路的可視度。

一、自動校平—減弱強光

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

二、通過前大燈旋轉(zhuǎn)來提高安全性能

車輛的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括有關(guān)轉(zhuǎn)向角及輪速的實時傳感器數(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)能夠使光線的分布與車輛的轉(zhuǎn)向角相適應(yīng)，以便于迎面而來的轉(zhuǎn)彎和岔路口—尤其是司機的凝視點—能夠得到最佳的照明（見下圖）。光線的這一顯著增強能夠降低司機的緊張度和疲勞感，并且提高障礙物的可見度；而這些障礙物是固定光束前大燈甚至無法照到的。許多研究表明，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，旋轉(zhuǎn)光束前大燈使司機凝視點的照明度提高了300%。

三、步進電機控制

每臺車輛前大燈的轉(zhuǎn)動都是通過使用步進電機而實現(xiàn)的，其中，一臺步進電機控制垂直方向上的轉(zhuǎn)動，另一臺用于控制水平方向上的轉(zhuǎn)動（見下圖）。電機根據(jù)車輛四周的許多傳感器反饋的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)。信息的傳達是通過車輛的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)的。LIN總線是前大燈控制的一個實用的選擇，而CAN總線則能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)收集起來并且分配到整個車輛。步進電機是前大燈調(diào)節(jié)應(yīng)用的一個最佳選擇，因為這些電機成本低，堅固耐用，體型雖小卻能夠提供一個很大的扭矩。

至于控制步進電機的驅(qū)動器集成電路芯片的安放位置，有兩種選擇方案可供采用。第一種被稱為直接驅(qū)動。在這種方法中，驅(qū)動器芯片安裝于主微控制器印制電路板之中（見下圖頂端圖像）。該電路板離前大燈部件及相關(guān)的步進電機很遠(yuǎn)，可能位于一個車輛隔板（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路過多及高強度的電磁兼容性輻射。

第二種方法是機電一體化。在這一方法中，驅(qū)動器芯片與電機安裝在一起（見上圖底端）。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步進電機控制器集成電路，把芯片能夠直接安裝于電機內(nèi)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)機電一體化方法變得更為可行。這一方法是非常有益的，因為中央微控制器和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(shè)計，前大燈組件的維修保養(yǎng)方便，所以好處顯著。

四、分割硬件和軟件

步進電機驅(qū)動器的應(yīng)用需要同時設(shè)計硬件及軟件。這會變得非常復(fù)雜，尤其是像在自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)中，多個軸需要同時受到控制的情況下。在步進電機控制器集成電路出現(xiàn)以前，過去的方法是投資于微控制器并且開發(fā)專用軟件，或使用轉(zhuǎn)換芯片（見下圖、左及中部圖片）。基于軟件的解決方案的主要問題在于開發(fā)成本很高，且在任何條件下檢驗多個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，但同時也導(dǎo)致了更難以管理的復(fù)雜性及更多的軟件需求（見下圖，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)計變得更復(fù)雜，同時失去一些模塊化的優(yōu)勢。

五、單芯片方法

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

AMI Semiconductor公司提供了四種混合信號器件，這些器件集總線連接、定位、電子控制及電機驅(qū)動器于一個占位面積為7mm*7mm的單一封裝之中。這些器件體型小、性能高，它們在直接安裝于步進電機內(nèi)部的情況下，仍能保證運動控制軟件的模塊化設(shè)計及魯棒的電機操作。

上述兩種型號（AMIS-30621和AMIS-30623）器件的特色在于以LIN總線為接口。相較于將驅(qū)動器置于遠(yuǎn)端的系統(tǒng)，這一方法節(jié)省了布線成本，并且擁有更好的電磁兼容性能，這一優(yōu)勢是在汽車應(yīng)用中遇到困難時解決問題的關(guān)鍵。其余兩種改進型（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。

六、無傳感器止動檢測

大多數(shù)自動前大燈系統(tǒng)在車燈打開時都能進行最初的位置調(diào)整。這一機械方式在指定時間內(nèi)基本上將車燈調(diào)節(jié)至可能的最低點。該程序存在一個問題，即由于步進電機撞擊停止點而產(chǎn)生出噪音并且加大磨損。另一解決方案是使用無傳感器的止動檢測，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電停止點時使用 半閉環(huán)操作。

七、本文小結(jié)

使用單芯片步進電機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)計極大地簡化，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電容器。同樣地，打入市場的時間、設(shè)計及整個系統(tǒng)的成本都將受到積極的影響。

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