一种汽车前照灯自动高度调节控制系统设计

SAE鄄C2009E124一种汽车前照灯自动高度调节控制系统设计马世典摇林绍华摇董利伟上海汽车技术中心(南京)摇摇揖摘要铱摇文章介绍了基于XC866L鄄4FR单片机的汽车前照灯高度自动调节控制系统的设计,实现了对永磁混合式步进电动机的控制。研究了车辆运行的各种工况并提出一种可行的前照灯调节策略,并分别从硬件和软件的角度入手对系统进行了可靠性设计。摇摇揖关键词铱摇灯光调节摇可靠性设计摇步进电动机DevelopmentofanAdjustingSystemforHighLightingofAutomobileMaShidian,LinShaohua,DongLiweiShangHaiMotorTechnologyCenter(NJ)摇摇Abstract:ThepaperintroducesthedesignofAdaptiveSystemforHighLightingbasedonXC866L鄄4FR,thecontrolofhybridstepmotors郾Studiestheworkingconditionsofautomobileandgivestheadjustingstrategy郾Wedesignthehardwareandsoftwarebyusingsomespecialmeansto,sothatthereliabilityofthesystemcanbeimprovedgreatly郾摇摇Keywords:adjustingsystemforlighting摇reliabilitydesign摇stepmotor摇摇车灯系统包括各种照明设备和灯光信号装置,是车辆不可或缺的部分。其中汽车前照灯,是用于夜间前方道路照明的灯光,对夜间行车安全十分重要。当夜间汽车行驶在颠簸的路面上而使车轮受到随机激振,或者车身负载不平衡,汽车进行加速和制动等操作时,车体不同部位相对地面的距离会不断发生变化,导致前照灯灯光照射角度也在不断变化,因此目前中高端的车型均配备有前照灯的自动高度调节系统,由于调节电动机的实时频繁动作和工况传感器的信号实时性要求较高,造成系统的可靠性很难保证。本文介绍了一种基于步进电动机开环控制的前照灯高度调节系统的设计,特别是对于步进电动机干扰下的系统可靠性设计。图摇11摇前照灯高度自动调节工作原理及系统构成摇摇该系统主要包括以下部分:信号采集模块、控制模块和执行模块。工作原理如下:车身悬架高度的物理变化通过高度传感器采集处理后变为电信号,并反馈到控制模块;控制模块接收到反馈信号后将根据既定的控制策略进行判断是否需要调节前照灯,进而计算调节的角度;然后发出驱动信号到执行模块,执行器将按照指令实现对左右前照灯反光罩的调节。总的来说调节过程就是一个物理变化转换为电信号,然后经过处理后再由电信号驱动产生另一个物理变化的过程。由此可知,电气信号的处理对系统的可靠性和稳定性是至关重要的。摇摇其系统构成如图1所示,信号采集模块作为整个系统的输入部分主要包含车辆悬架高度传感器;控制模块作为整个系统的核心部分采用单片机作为处理器负责对输入信号的调理并按照既定要求实现对执行模块的实时控制;执行模块采用步进电动机实现对前照灯高度的调节,控制方法为开环控制;其中电源模块为车辆蓄电池。2摇硬件设计摇摇系统硬件设计的指导思想是,充分利用XC866芯片的优点(指令功能丰富、运算速度快、接口简单、控制精度高、功能强大、价格便宜等),从外围保护电路角度出发加强系统的抗干扰性能,同时也要兼顾到系统对外部其他回路的干扰。2郾1摇系统IO分配摇摇MCU采用高性能8位微控制器———XC866L鄄4FR。它集成片内振荡器,因此具备了许多增强功能以满足新型应用。此外,嵌入式闪存(Flash)器件为系统开发和批量生产提供了很大的灵活性,多闪存组(FlashBank)结构支持在线应用编程(IAP),通过外部主机(例如PC)对嵌入式FLASH方便的编程或擦除。XC866还具有如下的非常优越的功能:用来产生脉宽调制信号、带有电动机控制专用模式的捕获/比较单元(CCU6);功能扩展的10位模/数转换单元(ADC),具有如自动扫描和结果累加(用于抗混迭滤波或结果平均)等特性;功能扩展的通用异步收发器(UART),支持局域互联网(LIN)应用,并为许多器件提供LIN的低级驱动程序;提供不同的省电模式选择,以满足低功耗应用;用于优化中断处理的智能分页机制,扩展了控制片内外设功能的特殊功能寄存器(SFR)的地址范围。摇摇芯片引脚的分配工作主要包含输入信号、控制输出、系统状态检测、休眠唤醒、电源等的定义和端口分配。输入信号有悬架高度传感器、外部灯开关信号;控制输出信号有步进电动机驱动信号、步进电动机驱动芯片复位信号、传感器使能信号、305摇2009中国汽车工程学会年会论文集SAE鄄C2009E124背光调节使能信号等电源检测信号等;系统状态监控信号包含外部电源状态监控、外部上拉电压信号监控;系统休眠方式采用掉电休眠模式,该模式的唤醒方式可以通过软件配置MCU内部控制字的方式设置唤醒模式,考虑到车辆在起动和非起动状态下均需要外部灯光的工作,所以设置两个唤醒条件:IGN上电唤醒和RXD下降沿信号唤醒;系统主要包含如下三种电源:IO口电源(VP)、AD参考电源(VA)和内核电源(VC),其中内核电源为2郾5V(由嵌入式电压调节器产生,并可对外输出)。详细各IO分配和引脚使用情况见表1。表1摇引脚使用情况名称引脚号类型功能描述备摇摇注P0郾32输出H桥控制信号数字电平信号P0郾54输入监控IGN电源MCU休眠唤醒P1郾027输入监控外部灯开关MCU休眠唤醒P1郾529输出H桥Reset信号数字电平信号P1郾69输出Sensor使能数字电平信号P1郾710输出背光调节使能数字电平信号P2郾217输入电源状态监控模拟信号(AD转换)P2郾623输入Sensor信号输入模拟信号(AD转换)P2郾726输入Lamp开关信号输入模拟信号(AD转换)P3郾032输出H桥控制信号数字电平信号P3郾133输出H桥控制信号数字电平信号P3郾234输出H桥控制信号数字电平信号P3郾335输出H桥控制信号数字电平信号P3郾436输出H桥控制信号数字电平信号(续)名称引脚号类型功能描述备摇摇注P3郾537输出H桥控制信号数字电平信号P3郾630输出内部复位状态指示数字电平信号P3郾731输出H桥控制信号数字电平信号VDDP18电源IO电源正+5VVSSP19GNDIO电源GNDGNDVAREF25电源AD参考电源正+5VVAGND24GNDAD参考电源GNDGNDVDDC8电源内核电源正(输出)+2郾5VVSSC7GND内核电源GND(输出)GND2郾2摇步进电动机控制摇摇步进电动机作为执行器,以其灵活的控制性能和良好的经济性能获得很多使用者的青睐。本文也使用其作为前照灯灯光高度调节的执行器。在使用步进电动机时其对相关电路产生的干扰也是不可忽视的问题,特别是电动机停止起动瞬间的反向瞬间脉冲干扰,严重时会烧毁芯片或击穿元件造成整个系统的失效。摇摇H桥功率驱动电路可应用于步进电动机、交流电动机及直流电动机等的驱动。永磁步进电动机或混合式步进电动机的励磁绕组都必须用双极性电源供电,也就是说绕组有时需正向电流,有时需反向电流,这样的绕组电源需用H桥驱动。本文应用两片芯片方便地组成两个电桥用于驱动两个两相永磁式步进电动机,其原理如图2所示。图摇24052009中国汽车工程学会年会论文集摇SAE鄄C2009E1242郾3摇硬件抗干扰设计摇摇整车电气环境是非常复杂的,特别是当车辆运行在恶劣工况下,电源系统的干扰和感性负载起动、停止时的反向浪涌干扰都会对车辆的控制器和其他用电器产生强的电磁干扰。因此,汽车控制器的抗干扰设计就显得尤为重要了。2郾3郾1摇电源模块抗干扰设计摇摇整车电压在蓄电池供电时VBat为+12V,起动发动机后通过发电机供电VBat为+14V左右。因此,需要通过外加稳压芯片的方式给MCU及相关模块提供+5V电源。此处采用7805芯片产生稳定的+5V电源,设计原理见图3所示。图摇3摇摇该系统不仅包含控制信号电源也包含执行器电源,步进电动机的额定电流为2A,对于毫安级的控制信号电流来说,微小的外部干扰都将会造成其大幅的波动;因此电源模块的电路设计必须充分考虑到这一点。本系统采用信号电源和电动机驱动电源隔离的方法,信号电源的设计见图3,步进电动机电源的设计原理见图4。电源正极通过完全隔离的两路处理电路分别作为信号电源和步进电动机驱动电源,接地线也是完全分开的,信号地线和电动机驱动电源地线通过不同的端子与外部不同接地点连接,其中信号地线与相关联的其他控制器信号电源共地,以保证信号的有效识别,从而达到抵抗干扰的作用。摇摇车辆供电电源为蓄电池,在其实际使用过程中常常会有蓄电池正负极反接的现象发生,因此作为车辆用电器必须具备电源反接保护的功能。本文采用如图3和图4所示的,在电源线串联耐反向电压的二极管的方法来避免电源反接可能带来的危害。图摇42郾3郾2摇步进电动机驱动模块抗干扰设计摇摇步进电动机作为感性负载,其对周围控制电路的传导干扰是不容忽视的。考虑到步进电动机对外部的干扰主要在起动和停止瞬间较为严重,本文分别采用了如下方法加以优化:摇摇1)对各IC芯片电源正负极增加去耦电容。摇摇2)H桥两组电动机驱动输出信号间并联电容。摇摇3)H桥电源端对地反接快速恢复雪崩二极管。摇摇4)直接选用具有内部保护电路的H桥芯片(BTM700G)。摇摇方法1的具体情况见图3和图4,方法2主要用来吸收步进电动机运行过程中产生的微小波动干扰。采用方法3的主要原因是:电源端串联耐反向电压冲击的二极管,这样在步进电动机停止瞬间,电动机内部残存的大量电荷无法快速泄放,将不断在电动机相关回路中循环,从而造成干扰;如果在电源端对地反接雪崩二极管,该电量将在瞬间击穿该二极管,达到快速泄流的效果,并在泄流后二极管能够快速恢复。电源优化和抗干扰设计优化前后步进电动机对整车网络信号干扰对比如图5所示。图摇53摇软件设计3郾1摇主程序设计摇摇主程序中主要实现对硬件的初始化和对控制系统软件各状态的循环检测及各子程序的调用。本系统中主程序主要实现功能如下:摇摇1)初始化硬件。摇摇2)循环检测外部灯光开关状态。摇摇3)循环检测车辆悬架高度情况。摇摇4)循环检测车辆运行情况,按照设定进入节电模式;其流程如图6所示。车辆每次重新连接蓄电池,系统都将彻底初始化一次,包括清除原纪录、重置控制器端口、重新识别步进电动机行程等;同理,断开蓄电池连接将会终止一切505摇2009中国汽车工程学会年会论文集SAE鄄C2009E124程序,无论此时系统处于何种工况。图摇6摇摇初始化硬件工作包括:摇摇1)配置MCUI/O口及芯片工作模式(VBat上电时执行)。摇摇2)初始化步进电动机位置,具体操作就是驱动步进电动机转到下截止位置,然后再根据高度传感器反馈信号调节到相应位置。摇摇3)步进电动机失步补偿的策略:普通步进电动机仅能实现开环控制,因此在多次调节后可能会出现失步现象,本文采用每次开启前照灯调节功能时发送多个冗余驱动脉冲的方法来补偿可能产生的失步,冗余脉冲个数的选择要综合各方面的因素,选择一个合适的冗余量不仅可以对失步进行有效校正补偿,也能保证步进电动机的使用寿命。3郾2摇高度调节策略摇摇对于灯光高度自动调节系统软件来说,首要的问题是调节策略问题,即如何综合车辆的各种条件及外围环境对灯光高度进行调节,以保证车辆行驶的安全性。摇摇前期需要收集的车辆参数包含:轴距、前后离地间隙、主驾一人工况下的悬架高度变化、主副驾驶各一人的悬架高度变化、主驾一人后排两人时的悬架高度变化、主驾驶一人后备箱满载时悬架高度的变化、车辆满载工况下的悬架高度变化等各种车辆负载情况下的悬架高度变化。摇摇相关法规信息:前照灯作为国家强检项目,必须保证前照灯的灯束在以上不同负载情况下始终满足法规要求的照射角度。摇摇本文中该部分的软件工作主要是:摇摇1)根据前期的标定确定前照灯调节所需高度传感器反馈信号