馬世典，林紹華，孫 軍

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)工程研究院，鎮(zhèn)江 212013; 2.上海汽車(chē)技術(shù)中心，南京 210032)

前言

前照燈作為夜間照明前方道路的燈光，對(duì)夜間行車(chē)安全十分重要。汽車(chē)行駛工況復(fù)雜多變，如負(fù)載的不均衡、加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和路面的顛簸等，這些因素將使燈光照射方向與車(chē)輛行駛方向產(chǎn)生偏離，因此須對(duì)前照燈光束進(jìn)行調(diào)節(jié)［1］。目前中高端的車(chē)型均配備有前照燈的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于使用條件、執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的差異使前照燈高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性在生產(chǎn)制造和使用環(huán)節(jié)很難保證［2］。本文中基于保質(zhì)設(shè)計(jì)(design for quality，DFQ)方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其對(duì)不同使用環(huán)境和前照燈機(jī)械結(jié)構(gòu)的敏感度大大降低，提高了前照燈調(diào)節(jié)的可靠性。

1 前照燈自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

前照燈自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)［2-3］主要包括以下部分:信號(hào)采集/反饋模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，信號(hào)采集/反饋模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入部分由車(chē)輛懸架高度傳感器和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器組成;控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分采用單片機(jī)作為處理器負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)理，并按照既定要求實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行模塊的實(shí)時(shí)控制;執(zhí)行模塊采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)前照燈高度的調(diào)節(jié)，采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)各調(diào)節(jié)電機(jī)的位置實(shí)時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制;其中電源模塊為車(chē)輛蓄電池［3］。

系統(tǒng)工作原理:車(chē)身懸架高度和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的物理變化通過(guò)傳感器采集處理后變?yōu)殡娦盘?hào)，并反饋到控制模塊;控制模塊接收到反饋信號(hào)后將根據(jù)既定的控制策略進(jìn)行判斷是否需要調(diào)節(jié)前照燈，進(jìn)而計(jì)算調(diào)節(jié)的角度;然后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到執(zhí)行模塊，執(zhí)行器將按照指令實(shí)現(xiàn)對(duì)左右前照燈反光罩和燈頭的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)的潛在問(wèn)題

2.1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的潛在問(wèn)題

圖2為步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括前后端蓋、定子、轉(zhuǎn)子和螺紋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)螺紋傳動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)化為伸縮球頭的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前照燈光束位置的調(diào)節(jié)，其中伸縮球頭和螺紋傳動(dòng)絲杠是一個(gè)整體構(gòu)件［4］。

前照燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)每次加電工作前須對(duì)燈光進(jìn)行初始化檢測(cè)，即將燈光從當(dāng)前位置調(diào)整到某個(gè)(上或下，左或右)極限位置，具體體現(xiàn)在燈光的反光罩或步進(jìn)電機(jī)的球頭到達(dá)一個(gè)極限位置。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)有可能會(huì)使螺紋傳動(dòng)絲杠到達(dá)最前端極限位置，這樣就會(huì)發(fā)生螺紋絲杠卡死且無(wú)法返回的問(wèn)題。

2.2 前照燈機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的潛在問(wèn)題

圖3為前照燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要由面板、裝飾圈、反射鏡、近光單元、手動(dòng)調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)電機(jī)和燈體等7部分組成。遠(yuǎn)光燈光束位置的調(diào)節(jié)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整反射鏡的不同角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。反射鏡后部依靠燈體進(jìn)行限位，前面沒(méi)有單獨(dú)的限位，當(dāng)軸向調(diào)節(jié)反射鏡時(shí)，反射鏡達(dá)到前極限位置后與裝飾圈緊密接觸甚至卡死，此時(shí)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反向調(diào)節(jié)時(shí)就有可能出現(xiàn)無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題。另外，對(duì)于靜止的機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)如果電機(jī)以較高的速度啟動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將會(huì)發(fā)生啟動(dòng)瞬間的慣量比較大而造成電機(jī)失步，從而降低調(diào)節(jié)精度［5］。

2.3 顛簸路況和惡意操作工況下的容差問(wèn)題

汽車(chē)的行駛工況復(fù)雜多變，特別是顛簸路況和人為的惡意操作對(duì)汽車(chē)電器零件的可靠性是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因而對(duì)汽車(chē)電器零件的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的要求。目前前照燈自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)大致分為全自動(dòng)調(diào)節(jié)和高度手動(dòng)調(diào)節(jié)兩類(lèi)。

第一類(lèi)前照燈自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要依賴(lài)于前后懸架高度傳感器和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的輸入信號(hào)變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，因此對(duì)于顛簸復(fù)雜的路況，如果調(diào)節(jié)策略處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)頻繁調(diào)節(jié)，這不僅影響夜間駕駛的安全性，還將降低步進(jìn)電機(jī)的壽命和加劇系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損。

第二類(lèi)前照燈自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)指令來(lái)自手動(dòng)輸入，一般采用電位器旋鈕開(kāi)關(guān)的方式給出模擬輸入信號(hào)。這樣就存在用戶(hù)頻繁快速調(diào)節(jié)電位器造成步進(jìn)電機(jī)連續(xù)正反快速調(diào)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形就會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的畸變，異常信號(hào)將會(huì)使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生超步現(xiàn)象，如果對(duì)電位器進(jìn)行連續(xù)不斷的快速操作將在系統(tǒng)下一次初始化之前造成步進(jìn)電機(jī)球頭位置與設(shè)定位置錯(cuò)位，從而導(dǎo)致燈光位置調(diào)節(jié)功能的紊亂，造成系統(tǒng)失效。

2.4 背光調(diào)節(jié)電位器所帶來(lái)的容差問(wèn)題

車(chē)輛內(nèi)部背光不僅是夜間駕駛員操作內(nèi)部按鍵的指示，同時(shí)也起到一種車(chē)內(nèi)燈光美化的功能。一般情況下是通過(guò)調(diào)節(jié)背光LED燈或燈泡的電流來(lái)調(diào)整合適的背光亮度，其原理如圖5所示?；瑒?dòng)變阻器(電位器)由A向B滑動(dòng)時(shí)，流過(guò)LED燈的電流由大變小，相應(yīng)的LED亮度由亮變暗;反之LED由暗變亮。

按照以上原理滑動(dòng)變阻器(電位器)的調(diào)節(jié)線性度和個(gè)體之間的一致性對(duì)于背光調(diào)節(jié)效果將產(chǎn)生決定性影響;在電位器電阻調(diào)節(jié)線性度差的情況下就會(huì)出現(xiàn)背光亮度變化非線性的問(wèn)題，另外，由于電位器一致性的差異也可能造成背光調(diào)節(jié)位置的一致性問(wèn)題。圖6為普通電位器的線性度。為節(jié)省成本，一般采用此類(lèi)電位器作為背光調(diào)節(jié)的旋鈕開(kāi)關(guān)，但其調(diào)節(jié)線性度很差。

3 DFQ改進(jìn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

針對(duì)以上提出的問(wèn)題，本文中采用DFQ的方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)［6］。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DFQ首先應(yīng)滿足用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)功能的需求，同時(shí)要結(jié)合產(chǎn)品的具體特性進(jìn)行方案優(yōu)選［7］。本文中針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)系統(tǒng)功能做如下調(diào)整:在自檢過(guò)程中將燈光首先調(diào)整到最上端再返回相應(yīng)位置，更改為首先調(diào)整到最下端后再返回相應(yīng)位置。因?yàn)樽詸z過(guò)程中燈光調(diào)整到最上端，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)伸縮球頭就有可能調(diào)整到伸出最長(zhǎng)的位置，這樣就會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)伸縮軸卡死無(wú)法回縮的問(wèn)題。自檢方向反向后，由于步進(jìn)電機(jī)后端蓋的限位，不會(huì)產(chǎn)生電機(jī)軸卡死的問(wèn)題。

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

為減少外部、內(nèi)部和產(chǎn)品三者之間的干擾影響，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，應(yīng)通過(guò)選擇系統(tǒng)中參數(shù)的最佳組合來(lái)達(dá)到對(duì)現(xiàn)有方案的可靠性設(shè)計(jì)。

前照燈機(jī)械結(jié)構(gòu)造成了在反射鏡調(diào)整到與裝飾圈接觸時(shí)，有可能出現(xiàn)卡死無(wú)法反向調(diào)節(jié)現(xiàn)象。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)只有在由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)才可能出現(xiàn)卡進(jìn)裝飾圈的現(xiàn)象，是否卡死要通過(guò)判斷反光鏡能否反向調(diào)節(jié)來(lái)確定，此時(shí)的步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。針對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整:基于步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著其驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的增加而下降這一特性，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的不同工作狀態(tài)設(shè)定不同驅(qū)動(dòng)頻率，如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)

以上更改可以達(dá)到如下作用:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)由靜止起步時(shí)，由于頻率僅為正常運(yùn)轉(zhuǎn)和停止瞬間的一半，所以其輸出轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于停止瞬間可能使反光鏡卡死的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣即使反光鏡在80Hz驅(qū)動(dòng)脈沖頻率下卡在裝飾圈上，當(dāng)返回操作時(shí)采用40Hz的驅(qū)動(dòng)脈沖，也很容易使反光鏡回歸正常位置。

3.3 容差設(shè)計(jì)

當(dāng)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)可控因素基本上已經(jīng)達(dá)到了較佳水平，但是對(duì)于一些參數(shù)波動(dòng)和極端使用條件等不可控因素依然沒(méi)有一個(gè)很好的預(yù)防措施，從而產(chǎn)品的后期質(zhì)量仍存在不可控因素。因此，還須機(jī)械容差設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步考慮參數(shù)的波動(dòng)和使用條件等不可控因素的影響［7］。

基于容差設(shè)計(jì)的思想，對(duì)于背光調(diào)節(jié)的不可控因素，采用如下措施來(lái)加以改善。

提高電位器的自身調(diào)節(jié)線性度，通過(guò)更換元器件將電位器調(diào)節(jié)的線性度由圖6所示提高到如圖7所示的水平，即在電位器機(jī)械行程的10% ～85%之間對(duì)應(yīng)的阻值相應(yīng)地在2%～95%之間線性變化。按照?qǐng)D5所示原理，這樣就能在一定程度上達(dá)到背光亮度的線性調(diào)節(jié)。但對(duì)于電位器產(chǎn)品本身的一致性問(wèn)題仍無(wú)法做到背光亮度調(diào)節(jié)的一致性，針對(duì)此問(wèn)題將背光調(diào)節(jié)的原理加以改進(jìn)，如圖8所示。

在軟件中增加對(duì)電位器的學(xué)習(xí)功能，這樣即使電位器的一致性很差也可以通過(guò)軟件策略保證背光調(diào)節(jié)的一致性。假設(shè)通過(guò)學(xué)習(xí)后電位器的最大和最小電阻值分別為RMAX和RMIN，通過(guò)軟件將電阻均分為10段，設(shè)定每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)背光的亮度等級(jí)，然后分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為在0～5V之間變化的模擬電壓值，該模擬電壓經(jīng)限流電阻直接接MCU I/O口，采樣后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;MCU根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值判斷背光調(diào)節(jié)擋級(jí)后通過(guò)輸出不同頻率的PWM波形來(lái)控制背光LED的平均工作電流，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)背光亮度的目的，其軟件流程如圖9所示［8］。

對(duì)于顛簸路和惡意操作引起的問(wèn)題，本文中做如下改進(jìn):在前照燈高度調(diào)節(jié)信號(hào)輸入采集和步進(jìn)電機(jī)輸出控制之間增加防護(hù)策略，軟件流程如圖10所示。在燈光高度調(diào)節(jié)輸入的查詢(xún)子程序中對(duì)輸入信號(hào)每一個(gè)查詢(xún)周期進(jìn)行30次采集，采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行排序，然后剔除最大的5個(gè)數(shù)據(jù)和最小的5個(gè)數(shù)據(jù)后再將剩余的20個(gè)有效數(shù)據(jù)求平均值。在進(jìn)行10個(gè)查詢(xún)周期的數(shù)據(jù)采集后，對(duì)10個(gè)平均值進(jìn)行綜合判斷，當(dāng)這10個(gè)值均有效，且10個(gè)值之間的差異小于5%時(shí)才視為有效調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，并據(jù)此進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)［5］。

3.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為充分驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)系統(tǒng)分別進(jìn)行了功能和可靠性測(cè)試。在可靠性測(cè)試環(huán)節(jié)分別通過(guò)臺(tái)架模擬和實(shí)車(chē)使用兩種方式對(duì)包括極端工況在內(nèi)的各種工況進(jìn)行了如下測(cè)試:模擬機(jī)構(gòu)卡死工況下電機(jī)的啟動(dòng)、不同電位器輸入情況下的背光調(diào)節(jié)一致性、惡意燈光高度調(diào)節(jié)輸入信號(hào)模擬等。經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

在對(duì)系統(tǒng)潛在問(wèn)題充分分析的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，運(yùn)用DFQ方法對(duì)前照燈自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略，使系統(tǒng)更好地適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)和前照燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通過(guò)軟件策略的調(diào)整和硬件方案的改進(jìn)，使背光調(diào)節(jié)的一致性得到保證，同時(shí)針對(duì)高度調(diào)節(jié)極端工況進(jìn)行了軟件保護(hù)。通過(guò)系統(tǒng)、參數(shù)和容差3個(gè)階段的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計(jì)效果通過(guò)臺(tái)架和實(shí)車(chē)進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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［2］Mike Dale.先進(jìn)的車(chē)輛照明系統(tǒng)［J］.汽車(chē)維修與保養(yǎng)，2002(10):50-51.

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