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        基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器設(shè)計(jì)

        2018-11-09 05:23:36王金磊劉正全徐健薛蔚平豐建芬
        汽車零部件 2018年10期

        王金磊,劉正全,徐健,薛蔚平,豐建芬

        (常州星宇車燈股份有限公司,江蘇常州 213000)

        0 引言

        隨著當(dāng)今汽車保有量越來越多,不少司機(jī)不會(huì)合理操作遠(yuǎn)近光。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年超過30%的夜間交通事故都是因?yàn)闉E用遠(yuǎn)光造成,解決夜間遠(yuǎn)光問題已經(jīng)成了大眾迫切的需要,因此迫切需要智能化的自適應(yīng)遠(yuǎn)光系統(tǒng),這將對(duì)降低夜間重大交通事故的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡具有重要意義。

        ADB(Adaptive Driving Beam)是自適應(yīng)遠(yuǎn)光輔助的簡(jiǎn)稱,通過安裝在后視鏡上的相機(jī),獲取前車圖像信息,經(jīng)處理后使大燈光型產(chǎn)生多種光型的自由切換,實(shí)現(xiàn)可變化的照明暗區(qū),有效避免會(huì)車和跟車產(chǎn)生的遠(yuǎn)光眩光,從而提升夜間行車安全性,降低夜間駕車疲勞感,提高駕駛舒適度。

        文中提出一種基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)同步控制多路電機(jī)進(jìn)行多種光型自由切換的功能。

        1 基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器電路設(shè)計(jì)要求

        1.1 ADB控制器電路的設(shè)計(jì)要求

        ADB控制器電路設(shè)計(jì)中,分為兩大控制模塊:ADB-Master主控制器模塊和ADB-Slave從控制器模塊。每輛車配備有一塊ADB-Master主控制器模塊,放置于駕駛室中間位置,兩塊ADB-Slave從控制器模塊分別與左右大燈PES集成在一起。

        ADB-Master主控制模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文和LIN報(bào)文的信號(hào)互轉(zhuǎn)。其主控制模塊由3個(gè)主要子模塊構(gòu)成:CAN通信模塊、MCU處理器模塊、LIN通信模塊。首先ADB-Master主控制模塊通過CAN總線和整車BCM實(shí)現(xiàn)通信,實(shí)時(shí)獲取前車圖像信息及相關(guān)車身指令。然后經(jīng)CAN收發(fā)器對(duì)所獲取的CAN報(bào)文進(jìn)行處理后,發(fā)送給單片機(jī)處理,單片機(jī)處理后的信息將發(fā)送給LIN收發(fā)器,從而ADB-Master主控制模塊最終以LIN報(bào)文的形式將控制信息發(fā)送給左右ADB-Slave從控制模塊。

        ADB-Slave從控制模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)為控制多路電機(jī)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。其從控制模塊由3個(gè)主要子模塊構(gòu)成:LIN通信模塊、MCU處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。LIN通信模塊將接收來自ADB-Master的LIN報(bào)文信息,處理后發(fā)送給處理器模塊,由處理器將動(dòng)作執(zhí)行命令發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,從而由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同步控制三路步進(jìn)電機(jī)(分別為水平電機(jī)、垂直電機(jī)和多光型遮光板電機(jī))進(jìn)行遠(yuǎn)光、近光及ADB光型的切換,實(shí)現(xiàn)可變化的照明暗區(qū)。

        基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器電路組成如圖1所示。

        圖1 基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器電路組成

        1.2 MCU、CAN/LIN總線收發(fā)器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

        ADB-Master主控制模塊的CAN收發(fā)器采用NXP的TJA1041[1]。

        ADB-Master主控制模塊和ADB-Slave從控制模塊的MCU采用同一型號(hào),即飛思卡爾的16位單片機(jī)MC9S12G192[2]。該MCU 擁有3路SCI接口,1路MSCAN接口,3路SPI接口,8路獨(dú)立的PWM通道以及16路ADC采樣口。

        ADB-Master主控制模塊和ADB-Slave從控制模塊的LIN收發(fā)器采用NXP的TJA1021[3]。

        ADB-Slave從控制模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用ST的L9942[4],該芯片與MCU通過SPI進(jìn)行通信,MCU通過PWM來控制L9942對(duì)電機(jī)進(jìn)行步進(jìn)模式調(diào)整。

        1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及驅(qū)動(dòng)電路介紹

        ST的L9942是一款集成的雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,具有細(xì)分模式和可編程電流配置表,能靈活適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的特性和預(yù)期的工作情況。可編程堵轉(zhuǎn)檢測(cè)在前燈水平調(diào)整和彎道調(diào)整應(yīng)用中非常有用,可以防止堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)為了轉(zhuǎn)到位置而長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行。如果檢測(cè)到堵轉(zhuǎn),對(duì)準(zhǔn)過程被關(guān)閉,并且噪聲被最小化。

        該芯片最大輸出電流可達(dá)到1.3 A;待機(jī)模式下功耗很低,小于3 μA;擁有多項(xiàng)輸出檢測(cè):過壓與欠壓檢測(cè),負(fù)載電流控制和過流檢測(cè),堵轉(zhuǎn)檢測(cè),溫度預(yù)警和熱關(guān)斷。

        L9942驅(qū)動(dòng)芯片通過SPI獲取MCU的指令信息;通過STEP信號(hào)來調(diào)整步進(jìn)模式: 全步、半步、細(xì)步、微步;通過PWM向MCU反饋電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。L9942通過輸出四路控制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行全橋控制。L9942驅(qū)動(dòng)電路如圖2D所示。

        圖2 L9942驅(qū)動(dòng)電路

        2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        2.1 示波器抓取的CAN模塊和LIN模塊通信報(bào)文

        CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、連線簡(jiǎn)單、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高(通信速率最高可達(dá)1 Mb/s)、成本低的優(yōu)勢(shì)。由于CAN總線的高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì),使其越來越受到汽車領(lǐng)域的重視。LIN總線是面向汽車低端分布式應(yīng)用的低成本、低速率(20 kb/s)、串行通信總線,不需要仲裁和沖突管理機(jī)制,節(jié)省資源,適合用于診斷和驅(qū)動(dòng)多路電機(jī)。LIN總線的驅(qū)動(dòng)/接收器規(guī)范遵從ISO 9141-1989標(biāo)準(zhǔn),且EMI性能較好。

        通過示波器,捕捉了ADB-Master主控制模塊獲取的車身CAN總線報(bào)文,以及ADB-Master主控制模塊和ADB-Slave從控制模塊之間的LIN總線報(bào)文。通過CAN/LIN報(bào)文的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了ADB-Master主控制模塊對(duì)ADB-Slave從控制模塊的控制。

        CAN總線報(bào)文如圖3所示,LIN總線報(bào)文如圖4所示。

        圖3 CAN接收?qǐng)?bào)文

        圖4 LIN接收?qǐng)?bào)文

        2.2 通過獨(dú)立PWM通道實(shí)現(xiàn)多路電機(jī)的同步控制

        PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)是一種對(duì)脈沖寬度調(diào)制的模擬控制方式,利用MCU的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)手段,優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。選取的MCU擁有8個(gè)獨(dú)立的8-Bit PWM通道,每一路PWM波獨(dú)立控制,互不干擾,通過SPI總線與MCU通信,報(bào)文之間的信息間隔只有33 ms,解決了多路步進(jìn)電機(jī)的同步控制問題,即在大燈高度調(diào)節(jié)和水平角度調(diào)節(jié)的同時(shí),完成遠(yuǎn)近光光型的切換,其控制信號(hào)波形如圖5所示。

        圖5 3路電機(jī)PWM同步控制信號(hào)波形

        2.3 全步、半步、1/4細(xì)步、1/8微步等不同模式的電流輸出波形

        電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L9942支持4種步進(jìn)模式: 全步、半步、細(xì)步、微步。通過示波器抓取電流輸出波形,證明4種模式的實(shí)現(xiàn)。4種電流輸出波形如圖6—圖9所示。

        圖6 全步模式電流輸出波形

        圖7 半步模式電流輸出波形

        圖8 1/4細(xì)步模式電流輸出波形

        圖9 1/8微步模式電流輸出波形

        2.4 電機(jī)堵轉(zhuǎn)發(fā)生判斷

        當(dāng)電機(jī)發(fā)送堵轉(zhuǎn)時(shí),可以通過讀取堵轉(zhuǎn)引腳的值來判斷,當(dāng)芯片的堵轉(zhuǎn)引腳從0置1,則證明電機(jī)發(fā)生了堵轉(zhuǎn)。此時(shí)MCU會(huì)對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位,使電機(jī)回到初始位置。

        圖10為示波器捕捉的堵轉(zhuǎn)引腳跳轉(zhuǎn)波形。

        圖10 芯片的堵轉(zhuǎn)引腳輸出為1時(shí),堵轉(zhuǎn)發(fā)生

        3 結(jié)論

        提出了一種基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器設(shè)計(jì)。通過多項(xiàng)試驗(yàn)以及實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)證實(shí)該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求,可以在復(fù)雜路況下根據(jù)前方圖像識(shí)別自由切換光形(遠(yuǎn)光、近光、ADB暗區(qū)光形),實(shí)現(xiàn)可變化的照明暗區(qū),有效地避免在跟車與會(huì)車時(shí)發(fā)生遠(yuǎn)光炫目。這款設(shè)計(jì)不僅能提高駕駛者的行車舒適度,更提高了道路行車的安全性,擁有非常好的市場(chǎng)前景。

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