基于多路電機(jī)同步控制的ADB控制器設(shè)計(jì)

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，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?？删幊潭罗D(zhuǎn)檢測在前燈水平調(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)到位置而長時(shí)間地運(yùn)行。如果檢測到堵轉(zhuǎn)，對準(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：過壓與欠壓檢測，負(fù)載電流控制和過流檢測，堵轉(zhuǎn)檢測，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對電機(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。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接收報(bào)文

圖4 LIN接收報(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)是一種對脈沖寬度調(diào)制的模擬控制方式，利用MCU的數(shù)字輸出對模擬電路進(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，其控制信號波形如圖5所示。

圖5 3路電機(jī)PWM同步控制信號波形

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，擁有非常好的市場前景。