基于SE4205的汽车大灯调节系统设计

基于SE4205的汽车大灯调节系统 【摘要】随着汽车普及率的提高，安全驾驶的重要性越来越高，夜间驾驶时前照灯的照射光束位置至关重要，本文设计了一款基于SE4205的汽车前照灯调节系统，详细说明了它的工作原理，经实物成品测试成功，并已推向市场。 【关键词】大灯调节系统;SE4205;电机驱动 Abstract:With the improvement of penetration，the importance of safe driving more and more high，when driving at night headlamps light beam position is very important.This paper designed a model based on SE4205 car headlamps regulating system and its working principle is described in detail， and the real finished product test is successful， and has set up a market. Keywords:headlight adjustment system;SE4205;Motor drive 1.引言 改革开放以来中国的经济得到了飞速的发展，人们生活水平显著提高，越来越多的家庭开始拥有自己的轿车，同时人们对于汽车的安全性和舒适性有了更高的。众所周知，汽车负载发生变化时，会引起车身相对于路面倾斜角的变化，这将导致近光灯照明距离和照明方向的改变。当汽车增加额外负载或急剧加速时，汽车会出现尾部下降、前部升高的现象(车身前后的水平高度发生变化)，这将导致迎面来车的驾驶员眩目，同时会造成路面的照明不足;当汽车突然制动时，会出现前部下降、尾部升高，这时直视距离可能缩短到大约10m。前照灯在不同负载下的照明，如图1所示，如果这时不能及时地调整近光灯，将会影响汽车的驾驶安全性。因此在汽车驾驶中，能够在不同负载的情况下调节车辆前照灯光距离和方向的系统研究就出现在我们面前。为了规范车用前照灯照明与行车安全，联合国欧洲经济委员会(United Nations Economic Commission for Europe)针对车用前照灯光束管制与车辆姿态间相互关系制订了ECE-R48[1]，我国在2007年也推出了中华人民共和国国家标准GB4785-2007汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装[2]。现在的新款汽车都带有灯光调节装置。 传统汽车以及现代普通汽车的灯光系统一般都采用继电器直接驱动方式，这样的控制方式存在一些固有的不足，例如功率继电器励磁线圈驱动电流较大，需要消耗较大的功率且接口电路复杂;太多的继电器使控制器体积过大、重量增加;继电器开关频率相对较低，触点容易抖动，因此很难满足车辆在带电情况下的机械振动，此外触点抖动会影响继电器的寿命，且EMI严重;难以有效实现对车灯的过热、过压、短路等保护和系统诊断;需配保险丝防止过流，但保险丝一旦动作(熔断)，电路将被彻底切断，需手工更换保险丝。最重要的是其前照灯系统只工作在一种模式，只能照射出一定距离的光束，而且不随着汽车负载和道路变化改变其光束变化。 随着汽车电子技术的发展，使得车辆的灯光控制也不再局限于简单的开关控制。智能功率IC的应用以及基于CAN/LIN的分布式设计，不仅大大提高了系统的可靠性，同时使得电子控制更加模块化，系统功能的拓展更加灵活。汽车前照灯调光电机驱动模块的功能是对汽车前照灯灯光的投射方向进行动态调节，保持灯光的投射方向与汽车当前行驶的方向一致，从而提供最佳的道路照明，增强黑暗中驾驶的安全性，是汽车前照灯调光系统中重要的控制部件之一。 汽车前照灯调节器有连续式调节系统和步近式调节系统，本文是通过基于SE4205芯片设计一个步进式调节系统，步进式调节系统一般设有几个档位，采用步进电机驱动调节，前照 灯的倾斜角只能被调节到几个固定的位置，从而在不同驾驶情况下实现汽车前照灯照射在合理方向。 图1 前照灯在不同情况下的照射方向 2.SE4205芯片介绍 SE4205是西安深亚电子有限公司设计的一款用于汽车前照灯光束位置调节芯片。该芯片采用上海先进科技ASMC A0X440A双极型工艺，PG-DSO无铅无卤素绿色封装，共有20个管脚，各管脚的定义和功能介绍如1所示。 SE4205最大可驱动1A的电流，正常工作的温度范围为-40?-150?，可有效保护芯片由于温度过高而不能正常工作。芯片内部电路具有短路保护电路、过温保护电路，即当输出电压接近于18V或者电源电压直接连接到地面时，短路保护电路启动，保护芯片不受损的同时，还降低功耗;当温度超过150?时，过温保护电路启动，输出晶体管关断，从而达到对芯片的保护作用，防止烧损的同时还具有节能、低功耗的作用;同时设定该芯片的迟滞温度为35?，即当温度降低到115?时，芯片内部电路继续启动，开始工作;电路中的两个放大器采用全差分输入单端输出结构，对两个输入进行比较，同时把比较结果送入直流电机驱动模块;驱动电路为该芯片的核心电路，结合运放的输出信号以及过温保护电路、短路保护电路等所有信号，来整体的驱动直流电机。 图2 SE4205内部模块结构图 SE4205是一个双通道控制电机驱动的芯片，主要工作方式是通过输出控制电机的两个输入端，来调节电机顺时针或逆时针的转动状态，再通过机械臂运转来调节汽车前大灯光束角度的。同时电路设有各保护模块，在电机驱动时通过检测电源电压、输出电压、电流和温度等数据，对芯片整个工作过程起到保护作用，确保芯片正常工作。芯片内部的基准电路产生一个相对稳定的电压，大小为1.23V，为电路其他模块提供偏置。INH端口是芯片整体的控制端口，当INH信号为低，该芯片停止工作，当INH信号为高时，芯片启动，正常工作。SE4205的芯片内部模块结构如图2所示。 3.控制电路设计及仿真 首先介绍汽车前照灯光束调节器，其中马达和控制电路外壳通过倒扣连接，马达与灯体通过螺钉连接，马达的电气连接方式为外拉线束，通过插针与灯体线束的接插件连接。步进调光马达使用步进电机作为动力装置，它利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移。步进电机的控制信号是脉冲信号，根据脉冲信号的时序按一定的顺序交替对电机的引脚进行通电励磁，使电机的转子在电磁力的推动下转动，再通过适当的传动，使转子的转动转化为调光轴的前后伸缩运动。当输入脉冲的时序发生改变时，电机转子的旋转方向就会反向运动。其中电机的电气参数如下，工作温度-40?-120?，工作电压7.5V-15V，工作频率300-1000Hz，额定电流500mA。 控制电路的设计，由于汽车电源电压一般为12V，所以在控制电路中电源电压Vs选为12V，满足SE4205芯片的工作电压。其原理图如图3所示。 图3 汽车前照灯光速调节器控制电路 整个控制电路电气连接的方式是外拉线束，外接三根线束，分别为电源电压Vs、地GND和控制端F。SE4205的+I1，-I1和+I2，-I2是控制芯片不同输出的四个输入管脚;INH是芯片的输入控制管脚;Vs和GND分别是芯片的电源输入管脚和地管脚;Q1和Q2是芯片的两个输出管脚。其中输入信号+I1和-I1共同作用于AMP1和驱动器1，并最终输出Q1;输入信号+I2和-I2共同作用于AMP2和驱动器2，并最终输出Q2。电机两端接在SE4205的Q1和Q2上，因芯片输出的不同而使电机出现不同的转向和转速。 在电路设计中，控制端INH可选择接在Vs和GND上，当接在Vs时芯片开始工作;当接在GND时芯片不工作。对输入信号的设计是，将+I2和-I1端接在滑动变阻器的滑动端，在最终实物中滑动变阻器的滑动端通过机械臂连接到电机的转子上，导致其滑动端的电压随着电机 的转动而变化，对于-I2和+I1端利用电阻分压的方式来改变其电压值。具体电路如图3中的右半部分，其中R3、R4、R5、R6串联在Vs和GND之间，R7、R8、R9、R10也串联在Vs和GND之间，控制端F在R4和R5之间引出，与其连接的三个档位位置分别是R7和R8之间的位置1，R8和R9之间的位置2，R9和R10之间的位置3，而输出的-I2和+I1分别接在R5、R6之间与R3、R4之间。+I1和-I2端的电压值通过电阻分压得到，首先假设控制端F与位置2相连接，其中R7和R8串联，R3和R4串联，并将其两结果并联;R9和R10串联，R5和R6串联，并将其两结果并联;最后两个并联值再串联得到总的电阻值，由电压值12V除以总电阻值得到电流，将电流值与第一个并联的电阻值相乘得到控制端F的电压值。而流过R3和R4的电流值相等，可以得出+I1端的电压值;流过R5和R6的电流值相等，可以得出-I2端的电压值[3]。对于R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10的电阻值分别如图3所示。通过计算和实际测试可知当控制端F不连接时，+I1端电压值为6.465V，-I2端电压值为5.535V;当控制端F与位置1连接时，+I1端电压值为9.963V，-I2端电压值为9.033V;当控制端F与位置2连接时，+I1端电压值为8.161V，-I2端电压值为7.231V;当控制端F与位置3连接时，+I1端电压值为6.465V，-I2端电压值为5.536V。+I2和-I1端接在滑动变阻器的滑动端，它们的电压值相等，而+I1和-I2之间的压差大约为0.93V左右，是一个合适的区间能保证电机的停止和启动，通过芯片内部的运算放大器及驱动器后，从Q1和Q2输出的信号电压值必定有一个是大值，一个是小值，且两者之间的差值达到电机运转的要求。由此可知，控制电路的工作过程是滑动变阻器的滑动端从接地端开始，上电以后芯片开始启动，输入端输入电压，电机转子转动，转子的转动同时转化为调光轴的前后伸缩运动，调光轴作用于汽车前大灯，调节光束的上下变化，与此同时电机通过机械臂与滑动变阻器的滑动端连接，转子转动的同时还移动滑动端，到达+I1和-I2之间电机停止工作，当需要再次启动汽车前照灯调光控制器时，可以通过手动调节控制端F到三个不同的档位位置处，由此可以实现控制电机的不同转速和转向。 图4 汽车前照灯光束调节控制器的PCB板 图5 电机正转状态 电路中电源端分别接上电容C1、C2、C3，其值分别为0.1uf、0.1uf、100uf，用来滤除电源信号毛刺和各种干扰;由R1和C4以及R2和C5构成RC滤波器同样是为了滤掉不希望的干扰信号，其中R1和R2的值为1K，C4和C5的值为0.22uf。汽车前照灯光束调节控制器的PCB板如图4所示。 根据前面设计的电路，得到了最终的实物图，并可实现电机的不同转向和转速。在电路中通过示波器抓取输出端Q1和Q2的值，在此过程中通过滑动变阻器滑动端的变化得到电机正转、反转和停止的三种状态。示波器显示分别如图5，图6，图7所示。 图6 电机反转状态 图7 电机停止状态 在示波器连接中Q1端接光标1，Q2端接光标2。在图5中光标1的值为11.8V，光标2的值大约为0.5V，两者之差为11.3V，足以驱动电机正转;在图6中光标1的值大约为0.5V，光标2的值为11.4V，两者之差为-10.9V，足以驱动电机反转;在图7中光标1的值为11.1V，光标2的值大约也为11.1V，两者大约相等电机停止。 4.结论 本文详细介绍了汽车前照灯光束控制调节器的设计以及工作原理，其中主要采用芯片SE4205，利用电阻分压的方式调节其工作模式，与传统的调光器相比较它的工作模式丰富，功耗低，可靠性高等优点。此设计在实物中验证成功，并已经成功推向市场。 参考文献 [1]ECE R48-2001:关于照明和信号装置安装认证的统一规定[S]. [2]GB4785-2007:汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定[S]. [3]康华光，陈大钦.电子技术基础:模拟部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社，1999:67-85. 作者简介: 牛兵桃，男，山西晋城人，硕士研究生在读，研究方向:通信专用集成电路设计。 徐东明，西安邮电大学教授，硕士生导师，研究方向:通信专用集成电路设计。