基于汽車AFS大燈系統(tǒng)的輪速處理信號(hào)設(shè)計(jì)

衛(wèi)修明

(蕪湖羅比汽車照明系統(tǒng)有限公司,安徽蕪湖 241000)

AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng)(Adaptive Front-Lighting System,簡稱 AFS)作為一種新型的照明方式,已經(jīng)在一些著名品牌的高端車型上應(yīng)用。其基本原理是：當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí),安裝在方向盤上的轉(zhuǎn)角傳感器輸出轉(zhuǎn)向動(dòng)作信號(hào),控制單元ECU根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角位置和車速[1]等相關(guān)信號(hào)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行計(jì)算和判斷,然后控制大燈動(dòng)作機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)彎道照明。系統(tǒng)控制主要取決于方向盤傳感器的轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)向加速度信號(hào),由于駕駛者操控方向盤動(dòng)作的差異性,在快速轉(zhuǎn)彎、連續(xù)彎道情形下,系統(tǒng)的遲滯性便顯現(xiàn)出來。

提高AFS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是本文研究的課題。由于汽車輪速傳感器[2]輸出的信號(hào)直接反映出車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),采用輪速信號(hào)特征控制的AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng)具有較高的道路適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性。其基本原理是：采集汽車轉(zhuǎn)向輪的輪速信號(hào),將左、右轉(zhuǎn)向輪輪速傳感器的信號(hào)處理后送至控制單元,ECU根據(jù)左、右轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向時(shí)出現(xiàn)的二輪的頻率差或信號(hào)脈寬的微小差別進(jìn)行計(jì)算和區(qū)分;ECU判斷出車輛的轉(zhuǎn)向動(dòng)作和轉(zhuǎn)彎半徑后輸出控制信號(hào),控制大燈照亮汽車行駛的方向和彎道。這些控制參數(shù)來源于輪速傳感器及其雙通道信號(hào)處理電路[3]和相關(guān)處理軟件。

1 輪速信號(hào)采集與分析

1.1 磁電式輪速傳感器原理

汽車在行駛過程中,傳感器轉(zhuǎn)子與傳感頭的磁極距離發(fā)生交替變化,因而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢[4]。檢測感應(yīng)電動(dòng)勢交流正弦波的波形可以計(jì)算出輪速的大小。感應(yīng)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算公式為：

其中,ε為感應(yīng)電動(dòng)勢;ω為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)角速度;N為線圈匝數(shù);B為磁場強(qiáng)度;A為每匝線圈的截面積;φ為線圈平面法線方向與磁場方向間的夾角。

輪速信號(hào)頻率的計(jì)算公式為：

其中,f為輪速傳感器輸出頻率;S為車速;2πR為車輪周長;N為齒數(shù)。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí),轉(zhuǎn)向輪輪速傳感器輸出的信號(hào)頻率產(chǎn)生不一致,比較此時(shí)內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪2個(gè)信號(hào)的頻率差以及信號(hào)周期的區(qū)別,可以計(jì)算出速度、轉(zhuǎn)彎半徑等車輛轉(zhuǎn)向特征的近似值。

1.2 輪速傳感器的信號(hào)采集

輪速傳感器信號(hào)特征試驗(yàn)選用了國內(nèi)保有量較大的某款商務(wù)車型,該車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為300 mm,齒圈齒數(shù)為44齒。試驗(yàn)分別在臺(tái)架和行駛的車輛上對(duì)同一型號(hào)磁電式傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集。信號(hào)采集臺(tái)架如圖1所示。輪速傳感器總成件被固定在試驗(yàn)臺(tái)架上,用無級(jí)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器總成使之達(dá)到測試的轉(zhuǎn)速條件[5],在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下獲得相應(yīng)的輪速信號(hào)波形。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架上的傳感器總成

采樣儀器使用了泰克公司的MSO 4054示波器,該示波器可以對(duì)4個(gè)模擬通道和16個(gè)數(shù)字通道進(jìn)行信號(hào)采集,儀器選配的AUTO模塊可以對(duì)汽車總線信號(hào)進(jìn)行解讀。行駛中的輪速信號(hào)是在試驗(yàn)車輛動(dòng)態(tài)過程中實(shí)時(shí)采集的,對(duì)這種實(shí)時(shí)采集信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析,有助于輪速信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向信號(hào)的處理。

1.3 傳感器的信號(hào)特性

試驗(yàn)觀察的重點(diǎn)是車輛以3～5 km/h低速行駛時(shí)的輪速傳感器信號(hào)特征,以及車輛轉(zhuǎn)向速度和轉(zhuǎn)向半徑不同的條件下,左、右轉(zhuǎn)向輪的輪速傳感器輸出信號(hào)的特征[6]。

試驗(yàn)以車速3～150 km/h為采樣段,MSO 4054對(duì)輪速傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行取樣觀察,當(dāng)車速為3 km/h時(shí),電磁感應(yīng)式輪速傳感器輸出電壓為60 mV,輸出信號(hào)頻率約為20 Hz。當(dāng)車速為150 km/h時(shí),電磁感應(yīng)式輪速傳感輸出電壓為1 800 mV,輸出信號(hào)頻率約為1 000 Hz。由此可以看出,當(dāng)車速低時(shí)傳感器的輸出電壓可能只有幾十毫伏,頻率可以為零。將5 km/h車速與150 km/h車速信號(hào)進(jìn)行比較,兩者之間的幅度差約為26～30 d B。

通過比對(duì)試驗(yàn)室環(huán)境下的試驗(yàn)臺(tái)架和道路行駛中的車輛在相同速度條件下的信號(hào)質(zhì)量,可以看到2個(gè)試驗(yàn)環(huán)境下的信號(hào)質(zhì)量有顯著的不同,如圖2所示。

圖2 相同車速時(shí)的信號(hào)質(zhì)量對(duì)比

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

磁電式輪速傳感器產(chǎn)生的信號(hào)特征如下：①傳感器輸出的電壓信號(hào)為周期性變化的正弦波信號(hào),與理論公式基本一致[7];在傳感器齒圈的齒數(shù)一定時(shí),正弦波信號(hào)的頻率與車輪轉(zhuǎn)速一致。②輸出的正弦波幅值與車輪的轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)車輛 U形轉(zhuǎn)向時(shí),輪速最低、輸出幅度最小。③車輛行駛過程中由于各種電器設(shè)備[8]產(chǎn)生的高頻干擾的影響,傳感器輸出的信號(hào)波形出現(xiàn)抖動(dòng)、尖峰等,在車速低、輸出的信號(hào)幅度較小時(shí),這種干擾顯得尤為嚴(yán)重。

2 輪速信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

汽車ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)和本文描述的輪速信號(hào)控制AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng)同樣采集輪速傳感器的輸出信號(hào),但是對(duì)輪速信號(hào)輸出頻率的采用段有所不同。ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)通常作用在時(shí)速30 km/h以上,此速度下輪速輸出信號(hào)幅度大、頻率高且信號(hào)質(zhì)量較高。以輪速信號(hào)控制的AFS大燈系統(tǒng)在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的車速通常低于5 km/h,此時(shí)輪速輸出信號(hào)幅度小、頻率低且信號(hào)中疊加的干擾較大[9]。對(duì)低速、小信號(hào)時(shí)輪速信號(hào)處理的難度在于電路的動(dòng)態(tài)特性、濾波特性以及延時(shí)特性。ABS系統(tǒng)和AFS系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輪速信號(hào)處理電路看上去相似,設(shè)計(jì)卻有很大的不同。

(1)由于車輛U形轉(zhuǎn)彎時(shí),輪速信號(hào)頻率從剛初始轉(zhuǎn)彎時(shí)的1 Hz左右逐漸增加到20 Hz,信號(hào)幅度在40～100 mV之間且信號(hào)的可用性相對(duì)較差。

(2)控制單元判斷車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)需將左、右輪速信號(hào)同時(shí)做比對(duì)處理,初始轉(zhuǎn)彎時(shí)低頻率的輪速信號(hào)的處理直接影響AFS大燈系統(tǒng)響應(yīng)速度。因此,對(duì)處理電路的時(shí)延、相延有嚴(yán)格要求。

(3)由于輪速信號(hào)幅度變化的跨度很大,對(duì)信號(hào)處理電路的動(dòng)態(tài)特性有較高的要求;考慮增加增益控制電路,前端設(shè)有增益控制接口。

(4)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)ECU單元對(duì)左、右輪在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的輪速差進(jìn)行計(jì)算,并判斷車輛運(yùn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)向特征。由于要對(duì)2路差別原本不大的信號(hào)同時(shí)處理,分辨其不同并加以判斷,因此電路必須具有較高的對(duì)稱性。

2.2 信號(hào)處理電路示意圖

分析左、右輪速傳感器轉(zhuǎn)向時(shí)的信號(hào)差別,不僅頻率、幅度不同,而且在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)2個(gè)信號(hào)的相位差以及正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波后的脈寬也不同,而車輛轉(zhuǎn)向的特征就包含在這些輪速信號(hào)中。信號(hào)處理的過程中如果丟失了信號(hào)的細(xì)微差別,也就丟失了車輛轉(zhuǎn)向的信息。因此,信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)時(shí)必須保持信號(hào)的真實(shí)性。當(dāng)輪速信號(hào)中包含車輛轉(zhuǎn)向特征的頻率和脈寬信號(hào)進(jìn)入ECU單元,經(jīng)ECU控制軟件的處理判斷之后驅(qū)動(dòng)大燈轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖3所示的輪速信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)具有左、右2個(gè)信號(hào)處理通道和通道平衡控制,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的增幅、限幅、濾波和整形電路以及動(dòng)態(tài)特性,設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)電路的對(duì)稱性進(jìn)行控制。這些對(duì)稱性控制也體現(xiàn)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)的布局、布線、供電、接地以及端口的阻抗匹配。

圖3 輪速信號(hào)處理電路示意圖

2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

根據(jù)輪速傳感器試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)車速為3 km/h時(shí),輪速傳感器輸出信號(hào)幅度為60 mV,當(dāng)車速為150 km/h時(shí),輪速傳感器輸出信號(hào)幅度可以達(dá)到2 000 mV。為保證信號(hào)處理的各級(jí)放大器能夠正常工作,并使得處理后的信號(hào)符合電控單元ECU接口電平的要求,需要先對(duì)輪速信號(hào)各級(jí)放大器進(jìn)行自動(dòng)增益控制處理,將輪速傳感器輸出小信號(hào)時(shí)的增益調(diào)大至40 d B,大信號(hào)時(shí)增益調(diào)小約10 dB,以保證輪速傳感器輸出信號(hào)幅度滿足后端限幅電路的要求。所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理基本電路原理如圖4所示。

電控單元ECU在計(jì)算車速的同時(shí)判斷放大器的增益是否達(dá)到預(yù)設(shè)值,并給出增益控制信號(hào)的AGC接口。

2.4 濾波電路設(shè)計(jì)

從分析信號(hào)波形的頻率成分可見,疊加在正弦波上的尖峰、畸變等干擾多為高頻分量。設(shè)計(jì)低通濾波器可以對(duì)1 200 Hz以上高頻成分達(dá)到40 dB以上的衰減。為了濾除輪速信號(hào)中的干擾信號(hào),同時(shí)對(duì)輪速傳感器輸出的20 Hz以下轉(zhuǎn)彎信號(hào)進(jìn)行有效識(shí)別,設(shè)計(jì)一個(gè)三階有源濾波器。電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,使高頻信號(hào)能夠迅速衰減,濾除干擾信號(hào),從而得到較為理想的輪速信號(hào)。

2.5 波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

經(jīng)放大和濾波處理后的輪速信號(hào)仍然有幅度不一致的現(xiàn)象出現(xiàn),需要在把信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)的同時(shí),對(duì)脈沖的前、后沿做整形處理。AFS的隨彎轉(zhuǎn)向特性對(duì)輪速傳感器輸出信號(hào)的脈寬有較高的要求,為了區(qū)別車輛低速轉(zhuǎn)彎時(shí)左、右轉(zhuǎn)向輪速傳感器信號(hào)的微小相位差以及信號(hào)脈寬的毫秒級(jí)差別,電路處理過程對(duì)信號(hào)的還原性要求很高,U301-A電路參數(shù)的合理設(shè)置在濾波和限幅之間起到了信號(hào)匹配和中點(diǎn)平衡的作用。圖4中,運(yùn)放電路將方波的前、后沿進(jìn)一步陡峭,通過電路參數(shù)的計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)此功能。末級(jí)的 Q301濾除尖峰的同時(shí)將方波的幅度歸為一致。

圖4 信號(hào)處理電路原理圖

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 輪速傳感器信號(hào)處理電路模擬仿真

在OrCAD/Pspice仿真環(huán)境下對(duì)電路的性能進(jìn)行仿真研究[5],在正弦波信號(hào)源為 50 mV、80 Hz和1 800 mV、1 000 Hz的情況下,設(shè)計(jì)低通濾波器3 dB頻率截止點(diǎn)為900 Hz。濾波器對(duì)1 200 Hz以上的干擾信號(hào)可以達(dá)到40 d B以上的衰減。信號(hào)處理電路的濾波特性、延時(shí)特性,分別如圖5和圖6所示。

圖5 低通濾波器頻率特性

圖6 低通濾波器延時(shí)特性

3.2 測試分析

對(duì)電路進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證,無論車輛是在轉(zhuǎn)彎時(shí)輸出弱信號(hào)的情況下,還是在高速時(shí)輸出大信號(hào)的情況下,電路的動(dòng)態(tài)范圍和增益控制能力均可以將正弦波轉(zhuǎn)換成同頻率等幅度的方波。信號(hào)處理電路的濾波特性,如圖7所示。

由圖7可見,信號(hào)處理過程對(duì)雜散干擾起到了有效抑制。試驗(yàn)中,對(duì)2個(gè)通道波形的幅度和相位、雙路輪速信號(hào)處理電路的一致性和對(duì)稱性做了比對(duì),電路滿足了AFS大燈系統(tǒng)對(duì)輪速差信號(hào)的嚴(yán)格要求,符合單片機(jī)接口電平和前、后沿時(shí)差要求,可用于車輛轉(zhuǎn)向軌跡的精確計(jì)算。

圖7 信號(hào)處理電路的濾波特性

4 結(jié)束語

采集左、右轉(zhuǎn)向輪的輪速信號(hào)并將采集的包含干擾和有用信息的輪速信號(hào),經(jīng)過信號(hào)處理電路放大、濾波、限幅整形和增益控制后,送至ECU計(jì)算并處理?？紤]到輪速信號(hào)應(yīng)用場合的不同,信號(hào)處理電路的要求也不一樣。

本文采用輪速信號(hào)特征控制的AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng),利用了輪速信號(hào)中包含的車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)特性的信息,將車輛轉(zhuǎn)向時(shí)左、右輪速信號(hào)的頻率、相位和脈沖寬度等細(xì)微差別,經(jīng)輪速信號(hào)處理電路處理后送至ECU單元進(jìn)行計(jì)算、區(qū)分和判斷,同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車大燈照亮車輛行駛的彎道。為保證電路對(duì)左、右2路輪速信號(hào)頻率、脈寬信號(hào)處理時(shí)還原輪速傳感器轉(zhuǎn)向時(shí)信號(hào)的真實(shí)性,信號(hào)處理電路是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍大、對(duì)稱性強(qiáng)、濾波特性好、穩(wěn)定可靠的高性能雙通道輪速信號(hào)處理電路,可以減少車輛轉(zhuǎn)向信息的畸變和缺失。

經(jīng)過仿真、試驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)際裝車路試,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了以輪速信號(hào)作用于AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng)控制,試驗(yàn)車輛無論U型彎、S型彎及連續(xù)高速急彎,采用輪速信號(hào)控制的AFS自適應(yīng)汽車前大燈都可以做到實(shí)時(shí)、適路、快速地隨彎照明。

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