安森美半導體汽車自適應前照燈系統步進電機驅動方

汽車前照燈是安全駕駛的重要環節。傳統前照燈在汽車轉彎時存在照明盲區，影響駕駛人對彎道障礙物的判斷，還存在其它安全隱患問題。為了提升安全性，如今自適應前照燈系統(Adaptive Front-Light System，AFS) 在智能汽車電子產品中的使用越來越廣泛。AFS采用步進電機來實時調節光束，消除照明盲區，優化彎道可見度，有效增加駕駛安全性。安森美半導體針對AFS系統的步進電機開發了一系列驅動芯片，為客戶的設計帶來了簡化和便捷。本文著重介紹AFS特性、步進電機驅動IC及設計要點，更特別剖析堵轉檢測這一步進電機驅動難點，幫助設計人員快速、準確地開發出有效的AFS方案。

AFS的應用效果及組成結構

汽車AFS采用步進電機可以對照明光束進行左右及水平高度調節，相較于傳統前照燈提供更加安全的照明效果。如果采用傳統前照燈，則其燈光跟車身的方向始終一致，在汽車轉彎時無法有效照明彎道內側的盲區。相反，采用AFS的汽車在轉彎時，能夠根據方向盤的角度轉動，將有效的光束投射到駕駛者需要看清的前方路面上，更有利于消除照明盲區。圖1右側列出了無AFS和有AFS進行左右調節的實際照明效果，顯然后者對安全駕駛更加有效。

圖1：無AFS和有AFS左右調節光束的照明區域對比

圖2是AFS功能的水平高度調節效果。上圖是燈光在水平高度良好時的效果圖，中圖是汽車啟動或上坡時的路面顛簸燈光上揚的情況，下圖是汽車在剎車或下坡時路面顛簸燈光下沉的情況。AFS可根據車身傾斜情況實時調整中圖和下圖的燈光高度，達到上圖的效果。

圖2：AFS功能的水平高度調整效果

在圖3的AFS控制大燈結構圖中可以看到用于水平高度調節的調高馬達和控制燈光旋轉調整的旋轉馬達。AFS控制大燈的工作原理是，AFS通過方向盤旋轉角度和車身速度計算出光道角度，方向盤旋轉角度系數為彎道的向心力，車身舒為彎道的切線，兩者之間的關系為彎道的角度的探定值，計算彎道角度即可驅動旋轉馬達轉到所需的彎道角度。同樣，通過車身前后軸傳感器能夠得到車身傾斜度的計算值，通過馬達修正車身傾斜度對燈光進行水平高度調整，以適應不同道路坡度的照明需求。

圖3：AFS控制大燈結構圖

安森美半導體應用于AFS的不同步進電機驅動器方案

要有效地驅動AFS中的步進電機，必須采用適合的步進電機驅動器方案。安森美半導體提供用于AFS的多種步進電機驅動器方案，包括AMIS-30621、AMIS-30623、NCV70521和NCV70522。這些步進電機驅動器產品各有其側重點。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自帶堵轉檢測功能;AMIS-30621、AMIS-30623和NCV70522內置5V電源輸出;NCV70522內置看門狗復位信號。

從應用角度看，AFS步進電機驅動方案分為直接驅動和機電一體化產品應用兩類。對比之下，NCV70522采用直接驅動，步進電機驅動芯片要求安裝在跟微控制器(MCU)同一塊印制電路板(PCB)上，且每個電機需要對應的信號連接線，適合中、高集成度執行計劃方案應用;而AMIS-30623適合機電一體化應用方案，步進電機驅動芯片可直接安裝在電機結構內，只需共享地線與LIN總線信號連接，適合高集成度執行計劃方案應用，如圖4。

圖4：直接驅動和機電一體化產品應用對比

具有堵轉偵測功能的步進驅動芯片AMIS-30623是一款采用LIN通信的單芯片微步進電機驅動器與控制器。它是通過LIN建立與主機遠程連接的專用機電一體化解決方案。該芯片通過總線接收定位指令，隨后驅動電機線圈到所需的位置，可配置電流、速度、加速度和減速度等參數。該芯片內部自帶電機堵轉檢測。其它功能包括：AMIS-30621類似功能、改進低電壓管理、改進LIN丟失功能、0 mA維持電流、兼容AMIS-30621、減低噪聲(堵轉檢測)，以及減小在維持情況下過溫的風險。該方案的市場及應用涵蓋汽車頭燈執行器、怠速控制、液化氣閥門和懸掛閥門等。

NCV70522是帶穩壓器和看門狗的SPI通信單芯片微步進電機驅動芯片。它具有輸出電流選擇性、SPI接口、嵌入式5 V穩壓器和看門狗復位等功能，是專為外設驅動微控制器簡化的電路。該芯片可通過一個輸入引腳接收脈沖信號啟動“下一步微步”命令，輸出線圈電流、微步數等，通過SPI總線設置進行診斷反饋。其獨特功能包括：等于NCV70521 + 5 V穩壓器及看門狗復位、透明的SPI參數、2信號控制運轉(NXT/DIR)、整步到1/32精度的微步模式、靈活的運行電流最大到1.6 A、ERRB引腳輸出錯誤狀態、具有NCV70521同樣優點、兼容NCV70521、減小PCB板尺寸和BOM成本 (內置穩壓器)，以及提升應用安全(內置看門狗)。該方案適用于汽車頭燈執行器、怠速控制、液化氣閥門、懸掛閥門、折疊式多媒體顯示器等。

AFS步進電機驅動難點及設計要點

以NCV70522為例，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種模式可選;NXT為進入下一步，根據電流表輸出對應的Ix和Iy;DIR為電機運轉方向控制。如圖5。

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