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,安裝在方向盤上的轉(zhuǎn)角傳感器輸出轉(zhuǎn)向動作信號,控制單元ECU根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角位置和車速[1]等相關(guān)信號對車輛轉(zhuǎn)向角度進行計算和判斷,然后控制大燈動作機構(gòu),從而實現(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,由于駕駛者操控方向盤動作的差異性,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)的實時性是本文研究的課題。由于汽車輪速傳感器[2]輸出的信號直接反映出車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài),采用輪速信號特征控制的AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng)具有較高的道路適應(yīng)性和實時性。其基本原理是：采集汽車轉(zhuǎn)向輪的輪速信號,將左、右轉(zhuǎn)向輪輪速傳感器的信號處理后送至控制單元,ECU根據(jù)左、右轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向時出現(xiàn)的二輪的頻率差或信號脈寬的微小差別進行計算和區(qū)分;ECU判斷出車輛的轉(zhuǎn)向動作和轉(zhuǎn)彎半徑后輸出控制信號,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處理電路[3]和相關(guān)處理軟件。

1 輪速信號采集與分析

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)電動勢[4]。檢測感應(yīng)電動勢交流正弦波的波形可以計算出輪速的大小。感應(yīng)線圈中感應(yīng)電動勢的計算公式為：

其中,ε為感應(yīng)電動勢;ω為旋轉(zhuǎn)運動的相對角速度;N為線圈匝數(shù);B為磁場強度;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。

輪速信號頻率的計算公式為：

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,轉(zhuǎn)向輪輪速傳感器輸出的信號頻率產(chǎn)生不一致,比較此時內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪2個信號的頻率差以及信號周期的區(qū)別,可以計算出速度、轉(zhuǎn)彎半徑等車輛轉(zhuǎn)向特征的近似值。

1.2 輪速傳感器的信號采集

輪速傳感器信號特征試驗選用了國內(nèi)保有量較大的某款商務(wù)車型,該車車輪轉(zhuǎn)動半徑為300 mm,齒圈齒數(shù)為44齒。試驗分別在臺架和行駛的車輛上對同一型號磁電式傳感器的輸出信號進行采集。信號采集臺架如圖1所示。輪速傳感器總成件被固定在試驗臺架上,用無級調(diào)速電機驅(qū)動傳感器總成使之達到測試的轉(zhuǎn)速條件[5],在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下獲得相應(yīng)的輪速信號波形。

圖1 試驗臺架上的傳感器總成

采樣儀器使用了泰克公司的MSO 4054示波器,該示波器可以對4個模擬通道和16個數(shù)字通道進行信號采集,儀器選配的AUTO模塊可以對汽車總線信號進行解讀。行駛中的輪速信號是在試驗車輛動態(tài)過程中實時采集的,對這種實時采集信號的動態(tài)特征進行分析,有助于輪速信號處理電路的設(shè)計和轉(zhuǎn)向信號的處理。

1.3 傳感器的信號特性

試驗觀察的重點是車輛以3～5 km/h低速行駛時的輪速傳感器信號特征,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的特征[6]。

試驗以車速3～150 km/h為采樣段,MSO 4054對輪速傳感器的輸出信號進行取樣觀察,當(dāng)車速為3 km/h時,電磁感應(yīng)式輪速傳感器輸出電壓為60 mV,輸出信號頻率約為20 Hz。當(dāng)車速為150 km/h時,電磁感應(yīng)式輪速傳感輸出電壓為1 800 mV,輸出信號頻率約為1 000 Hz。由此可以看出,當(dāng)車速低時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車速信號進行比較,兩者之間的幅度差約為26～30 d B。

通過比對試驗室環(huán)境下的試驗臺架和道路行駛中的車輛在相同速度條件下的信號質(zhì)量,可以看到2個試驗環(huán)境下的信號質(zhì)量有顯著的不同,如圖2所示。

圖2 相同車速時的信號質(zhì)量對比

1.4 試驗結(jié)果分析

磁電式輪速傳感器產(chǎn)生的信號特征如下：①傳感器輸出的電壓信號為周期性變化的正弦波信號,與理論公式基本一致[7];在傳感器齒圈的齒數(shù)一定時,正弦波信號的頻率與車輪轉(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,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,傳感器輸出的信號波形出現(xiàn)抖動、尖峰等,在車速低、輸出的信號幅度較小時,這種干擾顯得尤為嚴(yán)重。

2 輪速信號處理電路的設(shè)計

2.1 信號處理電路的設(shè)計要點

汽車ABS防抱死制動系統(tǒng)和本文描述的輪速信號控制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,但是對輪速信號輸出頻率的采用段有所不同。ABS防抱死制動系統(tǒng)通常作用在時速30 km/h以上,此速度下輪速輸出信號幅度大、頻率高且信號質(zhì)量較高。以輪速信號控制的AFS大燈系統(tǒng)在車輛轉(zhuǎn)彎時的車速通常低于5 km/h,此時輪速輸出信號幅度小、頻率低且信號中疊加的干擾較大[9]。對低速、小信號時輪速信號處理的難度在于電路的動態(tài)特性、濾波特性以及延時特性。ABS系統(tǒng)和AFS系統(tǒng)對應(yīng)的輪速信號處理電路看上去相似,設(shè)計卻有很大的不同。

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

(2)控制單元判斷車輛運動時需將左、右輪速信號同時做比對處理,初始轉(zhuǎn)彎時低頻率的輪速信號的處理直接影響AFS大燈系統(tǒng)響應(yīng)速度。因此,對處理電路的時延、相延有嚴(yán)格要求。

(3)由于輪速信號幅度變化的跨度很大,對信號處理電路的動態(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ECU單元對左、右輪在轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的輪速差進行計算,并判斷車輛運動方向以及轉(zhuǎn)向特征。由于要對2路差別原本不大的信號同時處理,分辨其不同并加以判斷,因此電路必須具有較高的對稱性。

2.2 信號處理電路示意圖

分析左、右輪速傳感器轉(zhuǎn)向時的信號差別,不僅頻率、幅度不同,而且在低速轉(zhuǎn)彎時2個信號的相位差以及正弦信號轉(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中。信號處理的過程中如果丟失了信號的細微差別,也就丟失了車輛轉(zhuǎn)向的信息。因此,信號處理電路設(shè)計時必須保持信號的真實性。當(dāng)輪速信號中包含車輛轉(zhuǎn)向特征的頻率和脈寬信號進入ECU單元,經(jīng)ECU控制軟件的處理判斷之后驅(qū)動大燈轉(zhuǎn)動機構(gòu)。

圖3所示的輪速信號處理電路設(shè)計具有左、右2個信號處理通道和通道平衡控制,實現(xiàn)了信號的增幅、限幅、濾波和整形電路以及動態(tài)特性,設(shè)計同時對電路的對稱性進行控制。這些對稱性控制也體現(xiàn)在PCB設(shè)計時的布局、布線、供電、接地以及端口的阻抗匹配。

圖3 輪速信號處理電路示意圖

2.3 信號處理電路設(shè)計

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

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

2.4 濾波電路設(shè)計

從分析信號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)計低通濾波器可以對1 200 Hz以上高頻成分達到40 dB以上的衰減。為了濾除輪速信號中的干擾信號,同時對輪速傳感器輸出的20 Hz以下轉(zhuǎn)彎信號進行有效識別,設(shè)計一個三階有源濾波器。電路對信號進行濾波處理,使高頻信號能夠迅速衰減,濾除干擾信號,從而得到較為理想的輪速信號。

2.5 波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

經(jīng)放大和濾波處理后的輪速信號仍然有幅度不一致的現(xiàn)象出現(xiàn),需要在把信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號的同時,對脈沖的前、后沿做整形處理。AFS的隨彎轉(zhuǎn)向特性對輪速傳感器輸出信號的脈寬有較高的要求,為了區(qū)別車輛低速轉(zhuǎn)彎時左、右轉(zhuǎn)向輪速傳感器信號的微小相位差以及信號脈寬的毫秒級差別,電路處理過程對信號的還原性要求很高,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匹配和中點平衡的作用。圖4中,運放電路將方波的前、后沿進一步陡峭,通過電路參數(shù)的計算可以實現(xiàn)此功能。末級的 Q301濾除尖峰的同時將方波的幅度歸為一致。

圖4 信號處理電路原理圖

3 設(shè)計驗證

3.1 輪速傳感器信號處理電路模擬仿真

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

圖5 低通濾波器頻率特性

圖6 低通濾波器延時特性

3.2 測試分析

對電路進行了實測驗證,無論車輛是在轉(zhuǎn)彎時輸出弱信號的情況下,還是在高速時輸出大信號的情況下,電路的動態(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。信號處理電路的濾波特性,如圖7所示。

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

圖7 信號處理電路的濾波特性

4 結(jié)束語

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

本文采用輪速信號特征控制的AFS自適應(yīng)汽車前大燈系統(tǒng),利用了輪速信號中包含的車輛轉(zhuǎn)向運動特性的信息,將車輛轉(zhuǎn)向時左、右輪速信號的頻率、相位和脈沖寬度等細微差別,經(jīng)輪速信號處理電路處理后送至ECU單元進行計算、區(qū)分和判斷,同時驅(qū)動汽車大燈照亮車輛行駛的彎道。為保證電路對左、右2路輪速信號頻率、脈寬信號處理時還原輪速傳感器轉(zhuǎn)向時信號的真實性,信號處理電路是關(guān)鍵。設(shè)計一個動態(tài)范圍大、對稱性強、濾波特性好、穩(wěn)定可靠的高性能雙通道輪速信號處理電路,可以減少車輛轉(zhuǎn)向信息的畸變和缺失。

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

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