安森美半导体汽车自适应前照灯系统步进电机驱动方案

 汽车前照灯是安全驾驶的重要环节。传统前照灯在汽车转弯时存在照明盲区，影响驾驶人对弯道障碍物的判断，还存在其它安全隐患问题。为了提升安全性，如今自适应前照灯系统(Adaptive Front-Light System，AFS) 在智能汽车电子产品中的使用越来越广泛。AFS采用步进电机来实时调节光束，消除照明盲区，优化弯道可见度，有效增加驾驶安全性。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，为客户的设计带来了简化和便捷。本文着重介绍AFS特性、步进电机驱动IC及设计要点，更特别剖析堵转检测这一步进电机驱动难点，帮助设计人员快速、准确地开发出有效的AFS方案。

AFS的应用效果及组成结构

汽车AFS采用步进电机可以对照明光束进行左右及水平高度调节，相较于传统前照灯提供更加安全的照明效果。如果采用传统前照灯，则其灯光跟车身的方向始终一致，在汽车转弯时无法有效照明弯道内侧的盲区。相反，采用AFS的汽车在转弯时，能够根据方向盘的角度转动，将有效的光束投射到驾驶者需要看清的前方路面上，更有利于消除照明盲区。图1右侧列出了无AFS和有AFS进行左右调节的实际照明效果，显然后者对安全驾驶更加有效。

图1：无AFS和有AFS左右调节光束的照明区域对比

图2是AFS功能的水平高度调节效果。上图是灯光在水平高度良好时的效果图，中图是汽车启动或上坡时的路面颠簸灯光上扬的情况，下图是汽车在刹车或下坡时路面颠簸灯光下沉的情况。AFS可根据车身倾斜情况实时调整中图和下图的灯光高度，达到上图的效果。

图2：AFS功能的水平高度调整效果

在图3的AFS控制大灯结构图中可以看到用于水平高度调节的调高马达和控制灯光旋转调整的旋转马达。AFS控制大灯的工作原理是，AFS通过方向盘旋转角度和车身速度计算出光道角度，方向盘旋转角度系数为弯道的向心力，车身舒为弯道的切线，两者之间的关系为弯道的角度的探定值，计算弯道角度即可驱动旋转马达转到所需的弯道角度。同样，通过车身前后轴传感器能够得到车身倾斜度的计算值，通过马达修正车身倾斜度对灯光进行水平高度调整，以适应不同道路坡度的照明需求。

图3：AFS控制大灯结构图

安森美半导体应用于AFS的不同步进电机驱动器方案

要有效地驱动AFS中的步进电机，必须采用适合的步进电机驱动器方案。安森美半导体提供用于AFS的多种步进电机驱动器方案，包括AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70521和NCV70522。这些步进电机驱动器产品各有其侧重点。如AMIS-30621和AMIS-30623采用LIN通信模式;NCV70521和NCV70522采用SPI通信模式;AMIS-30623自带堵转检测功能;AMIS-30621、AMIS-30623和NCV70522内置5V电源输出;NCV70522内置看门狗复位信号。

从应用角度看，AFS步进电机驱动方案分为直接驱动和机电一体化产品应用两类。对比之下，NCV70522采用直接驱动，步进电机驱动芯片要求安装在跟微控制器(MCU)同一块印制电路板(PCB)上，且每个电机需要对应的信号连接线，适合中、高集成度执行计划方案应用;而AMIS-30623适合机电一体化应用方案，步进电机驱动芯片可直接安装在电机结构内，只需共享地线与LIN总线信号连接，适合高集成度执行计划方案应用，如图4。

图4：直接驱动和机电一体化产品应用对比

具有堵转侦测功能的步进驱动芯片AMIS-30623是一款采用LIN通信的单芯片微步进电机驱动器与控制器。它是通过LIN建立与主机远程连接的专用机电一体化解决方案。该芯片通过总线接收定位指令，随后驱动电机线圈到所需的位置，可配置电流、速度、加速度和减速度等参数。该芯片内部自带电机堵转检测。其它功能包括：AMIS-30621类似功能、改进低电压管理、改进LIN丢失功能、0 mA维持电流、兼容AMIS-30621、减低噪声(堵转检测)，以及减小在维持情况下过温的风险。该方案的市场及应用涵盖汽车头灯执行器、怠速控制、液化气阀门和悬挂阀门等。

NCV70522是带稳压器和看门狗的SPI通信单芯片微步进电机驱动芯片。它具有输出电流选择性、SPI接口、嵌入式5 V稳压器和看门狗复位等功能，是专为外设驱动微控制器简化的电路。该芯片可通过一个输入引脚接收脉冲信号启动“下一步微步”命令，输出线圈电流、微步数等，通过SPI总线设置进行诊断反馈。其独特功能包括：等于NCV70521 + 5 V稳压器及看门狗复位、透明的SPI参数、2信号控制运转(NXT/DIR)、整步到1/32精度的微步模式、灵活的运行电流最大到1.6 A、ERRB引脚输出错误状态、具有NCV70521同样优点、兼容NCV70521、减小PCB板尺寸和BOM成本 (内置稳压器)，以及提升应用安全(内置看门狗)。该方案适用于汽车头灯执行器、怠速控制、液化气阀门、悬挂阀门、折叠式多媒体显示器等。

AFS步进电机驱动难点及设计要点

以NCV70522为例，其控制要素包括步幅模式、NXT和DIR。步幅模式包括整步至1/32共7种模式可选;NXT为进入下一步，根据电流表输出对应的Ix和Iy;DIR为电机运转方向控制。如图5。

图5：控制要素

SLA(速度负载模拟)信号是由SLA引脚采样和提供的信号，可应用于电机堵转和共振特性检测。成功的设计需要理解Vbemf(反电动势)信号的特性。Vbemf与电机线圈绕组电流(ICOIL)相位延迟的信号被称为负载角。反电动势的幅值随转子速度和负载角的变化受电机负载条件的影响。当线圈中无电流状态( =电流过零点)时，Vbemf是可见的，如图6。

图6：SLA信号特性

SLA信号具有共振反馈特性，它是由电机机械结构和灯具共振产生的，实践中可以通过检测不同速度下的电机和灯具共振点来予以避免。

图7是AFS NCV70522方案简化的驱动电路，NCV70522有内置的LDO电源输出，可供MCU选择。该方案采用SPI通信，因此在设计中需要注意I/O口的控制，如NXT信号、DIR信号及ERROR信号状态读取。由于SLA信号是一个模拟信号，应该连接到MCU的AD管脚上;SLA信号的串联电阻和并联电容、LC滤波电路的阻值和容值一定要非常准确;另外，SLA信号在布板图中一定要使用最简化、最直接的布线。

图7：AFS NCV70522方案简化驱动电路

复位AFS NCV70522芯片时，CLR引脚为0，芯片为正常模式;复位芯片需要将CLR引脚设置为1;复位后芯片内部寄存器值被清除成初始化值。设置输出电流时，可以利用芯片提供的多种输出电流模式，通过SPI对寄存器CUR[4:0] 设定来选择;更改后的电流会在下一个PWM周期更新。芯片提供从整步到32微步共7种模式选择，可以通过SPI对寄存器SM[2:0] 设定来选择步幅模式设置。电机运行的使能可通过SPI设定MOTEN比特位来实现。用NXT信号可控制电机步位置，更改电流表对应的步位置输出相应Ix和Iy;即使在电机运转没有启用时，步位置一样可改变，只是Ix和Iy不输出;寄存器NXTP标志位设定决定了NXT的上升沿或下降沿的采集。

堵转的判定对AFS系统非常复杂，也非常重要。在AFS NCV70522应用堵转判定方法中，电机运转速度(Fstep/s) = NXT频率/微步数;NXT脉冲每产生一次，步位置被改变1次，当微步越精密，需要的NXT越多，电流表变化的周期越长。电机微步模式被设定后，我们可通过NXT的频率来调整电机运转速度。在堵转检测时，SLA引脚提供了一个输出电压，表示反电动势电机水平的电压。这个反电动势电压能在每个过零点进行采样，每个线圈电流存在2个过零点位置，所以在每个电气周期内共存在4个可观测的过零点电流区间。通过读取step位置，即可得到过零点信息，在两个过零点中间采集BEMF，此时更加稳定准确。SLA反馈因电机运转速度和机械负载而不同，所以每个方案都需要对正常运行和堵转运行的SLA进行对比，以确定堵转的检测条件。

通常，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。另外，需要连续2个以上的SLA波形图来判断堵转，电气周期都认定为堵转才是真正的堵转，因为一些灯具结构的塑料件毛刺问题可导致存在一定摩擦，会影响堵转的判断。

总结

汽车自适应前照明系统的光束旋转有助于优化能见度曲线，可根据实时情况调整光束。而步进电机是AFS首选的控制器。安森美半导体身为领先的半导体解决方案供应商，一直在利用其先进汽车工艺技术为汽车照明应用提供各种标准产品和定制器件。包括上述各种AFS步进电机驱动器方案在内，安森美半导体的汽车应用产品均符合汽车可靠性和温度等规范和环保要求，并满足人们对车内照明控制、前照灯、后组合灯、雾灯、示廓灯，尤其是新光源等方面越来越高的要求，让驾驶者充分体验到驾乘的舒适性和乐趣。