基于DFQ的前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計*

馬世典，林紹華，孫 軍

(1.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013; 2.上海汽車技術(shù)中心，南京 210032)

前言

前照燈作為夜間照明前方道路的燈光，對夜間行車安全十分重要。汽車行駛工況復(fù)雜多變，如負(fù)載的不均衡、加速、制動、轉(zhuǎn)彎和路面的顛簸等，這些因素將使燈光照射方向與車輛行駛方向產(chǎn)生偏離，因此須對前照燈光束進(jìn)行調(diào)節(jié)［1］。目前中高端的車型均配備有前照燈的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于使用條件、執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的差異使前照燈高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性在生產(chǎn)制造和使用環(huán)節(jié)很難保證［2］。本文中基于保質(zhì)設(shè)計(design for quality，DFQ)方法對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，使其對不同使用環(huán)境和前照燈機(jī)械結(jié)構(gòu)的敏感度大大降低，提高了前照燈調(diào)節(jié)的可靠性。

1 前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)［2-3］主要包括以下部分:信號采集/反饋模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，信號采集/反饋模塊作為整個系統(tǒng)的輸入部分由車輛懸架高度傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器組成;控制模塊作為整個系統(tǒng)的核心部分采用單片機(jī)作為處理器負(fù)責(zé)對輸入信號的調(diào)理，并按照既定要求實現(xiàn)對執(zhí)行模塊的實時控制;執(zhí)行模塊采用步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)對前照燈高度的調(diào)節(jié)，采用霍爾傳感器實現(xiàn)各調(diào)節(jié)電機(jī)的位置實時反饋以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制;其中電源模塊為車輛蓄電池［3］。

系統(tǒng)工作原理:車身懸架高度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的物理變化通過傳感器采集處理后變?yōu)殡娦盘?，并反饋到控制模塊;控制模塊接收到反饋信號后將根據(jù)既定的控制策略進(jìn)行判斷是否需要調(diào)節(jié)前照燈，進(jìn)而計算調(diào)節(jié)的角度;然后發(fā)出驅(qū)動信號到執(zhí)行模塊，執(zhí)行器將按照指令實現(xiàn)對左右前照燈反光罩和燈頭的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)的潛在問題

2.1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)帶來的潛在問題

圖2為步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括前后端蓋、定子、轉(zhuǎn)子和螺紋傳動機(jī)構(gòu)等。電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)過螺紋傳動絲杠轉(zhuǎn)化為伸縮球頭的直線運(yùn)動，從而實現(xiàn)前照燈光束位置的調(diào)節(jié)，其中伸縮球頭和螺紋傳動絲杠是一個整體構(gòu)件［4］。

前照燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)每次加電工作前須對燈光進(jìn)行初始化檢測，即將燈光從當(dāng)前位置調(diào)整到某個(上或下，左或右)極限位置，具體體現(xiàn)在燈光的反光罩或步進(jìn)電機(jī)的球頭到達(dá)一個極限位置。對于步進(jìn)電機(jī)有可能會使螺紋傳動絲杠到達(dá)最前端極限位置，這樣就會發(fā)生螺紋絲杠卡死且無法返回的問題。

2.2 前照燈機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的潛在問題

圖3為前照燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要由面板、裝飾圈、反射鏡、近光單元、手動調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)電機(jī)和燈體等7部分組成。遠(yuǎn)光燈光束位置的調(diào)節(jié)通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整反射鏡的不同角度來實現(xiàn)。反射鏡后部依靠燈體進(jìn)行限位，前面沒有單獨(dú)的限位，當(dāng)軸向調(diào)節(jié)反射鏡時，反射鏡達(dá)到前極限位置后與裝飾圈緊密接觸甚至卡死，此時當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反向調(diào)節(jié)時就有可能出現(xiàn)無法調(diào)節(jié)的問題。另外，對于靜止的機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)時如果電機(jī)以較高的速度啟動進(jìn)行調(diào)節(jié)，將會發(fā)生啟動瞬間的慣量比較大而造成電機(jī)失步，從而降低調(diào)節(jié)精度［5］。

2.3 顛簸路況和惡意操作工況下的容差問題

汽車的行駛工況復(fù)雜多變，特別是顛簸路況和人為的惡意操作對汽車電器零件的可靠性是嚴(yán)峻的考驗，因而對汽車電器零件的設(shè)計提出了嚴(yán)苛的要求。目前前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)大致分為全自動調(diào)節(jié)和高度手動調(diào)節(jié)兩類。

第一類前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要依賴于前后懸架高度傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器的輸入信號變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，因此對于顛簸復(fù)雜的路況，如果調(diào)節(jié)策略處理不當(dāng)就會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)頻繁調(diào)節(jié)，這不僅影響夜間駕駛的安全性，還將降低步進(jìn)電機(jī)的壽命和加劇系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損。

第二類前照燈自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)指令來自手動輸入，一般采用電位器旋鈕開關(guān)的方式給出模擬輸入信號。這樣就存在用戶頻繁快速調(diào)節(jié)電位器造成步進(jìn)電機(jī)連續(xù)正反快速調(diào)節(jié)的風(fēng)險，發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動波形就會出現(xiàn)如圖4所示的畸變，異常信號將會使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生超步現(xiàn)象，如果對電位器進(jìn)行連續(xù)不斷的快速操作將在系統(tǒng)下一次初始化之前造成步進(jìn)電機(jī)球頭位置與設(shè)定位置錯位，從而導(dǎo)致燈光位置調(diào)節(jié)功能的紊亂，造成系統(tǒng)失效。

2.4 背光調(diào)節(jié)電位器所帶來的容差問題

車輛內(nèi)部背光不僅是夜間駕駛員操作內(nèi)部按鍵的指示，同時也起到一種車內(nèi)燈光美化的功能。一般情況下是通過調(diào)節(jié)背光LED燈或燈泡的電流來調(diào)整合適的背光亮度，其原理如圖5所示。滑動變阻器(電位器)由A向B滑動時，流過LED燈的電流由大變小，相應(yīng)的LED亮度由亮變暗;反之LED由暗變亮。

按照以上原理滑動變阻器(電位器)的調(diào)節(jié)線性度和個體之間的一致性對于背光調(diào)節(jié)效果將產(chǎn)生決定性影響;在電位器電阻調(diào)節(jié)線性度差的情況下就會出現(xiàn)背光亮度變化非線性的問題，另外，由于電位器一致性的差異也可能造成背光調(diào)節(jié)位置的一致性問題。圖6為普通電位器的線性度。為節(jié)省成本，一般采用此類電位器作為背光調(diào)節(jié)的旋鈕開關(guān)，但其調(diào)節(jié)線性度很差。

3 DFQ改進(jìn)設(shè)計和驗證

針對以上提出的問題，本文中采用DFQ的方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計［6］。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

DFQ首先應(yīng)滿足用戶對系統(tǒng)功能的需求，同時要結(jié)合產(chǎn)品的具體特性進(jìn)行方案優(yōu)選［7］。本文中針對步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，對系統(tǒng)功能做如下調(diào)整:在自檢過程中將燈光首先調(diào)整到最上端再返回相應(yīng)位置，更改為首先調(diào)整到最下端后再返回相應(yīng)位置。因為自檢過程中燈光調(diào)整到最上端，對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)伸縮球頭就有可能調(diào)整到伸出最長的位置，這樣就會產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)伸縮軸卡死無法回縮的問題。自檢方向反向后，由于步進(jìn)電機(jī)后端蓋的限位，不會產(chǎn)生電機(jī)軸卡死的問題。

3.2 參數(shù)設(shè)計

為減少外部、內(nèi)部和產(chǎn)品三者之間的干擾影響，使所設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，應(yīng)通過選擇系統(tǒng)中參數(shù)的最佳組合來達(dá)到對現(xiàn)有方案的可靠性設(shè)計。

前照燈機(jī)械結(jié)構(gòu)造成了在反射鏡調(diào)整到與裝飾圈接觸時，有可能出現(xiàn)卡死無法反向調(diào)節(jié)現(xiàn)象。因為步進(jìn)電機(jī)只有在由運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時才可能出現(xiàn)卡進(jìn)裝飾圈的現(xiàn)象，是否卡死要通過判斷反光鏡能否反向調(diào)節(jié)來確定，此時的步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)。針對此風(fēng)險問題，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整:基于步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著其驅(qū)動脈沖頻率的增加而下降這一特性，對于步進(jìn)電機(jī)的不同工作狀態(tài)設(shè)定不同驅(qū)動頻率，如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動參數(shù)

以上更改可以達(dá)到如下作用:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)由靜止起步時，由于頻率僅為正常運(yùn)轉(zhuǎn)和停止瞬間的一半，所以其輸出轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于停止瞬間可能使反光鏡卡死的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣即使反光鏡在80Hz驅(qū)動脈沖頻率下卡在裝飾圈上，當(dāng)返回操作時采用40Hz的驅(qū)動脈沖，也很容易使反光鏡回歸正常位置。

3.3 容差設(shè)計

當(dāng)以上系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計完成后，設(shè)計可控因素基本上已經(jīng)達(dá)到了較佳水平，但是對于一些參數(shù)波動和極端使用條件等不可控因素依然沒有一個很好的預(yù)防措施，從而產(chǎn)品的后期質(zhì)量仍存在不可控因素。因此，還須機(jī)械容差設(shè)計，以進(jìn)一步考慮參數(shù)的波動和使用條件等不可控因素的影響［7］。

基于容差設(shè)計的思想，對于背光調(diào)節(jié)的不可控因素，采用如下措施來加以改善。

提高電位器的自身調(diào)節(jié)線性度，通過更換元器件將電位器調(diào)節(jié)的線性度由圖6所示提高到如圖7所示的水平，即在電位器機(jī)械行程的10% ～85%之間對應(yīng)的阻值相應(yīng)地在2%～95%之間線性變化。按照圖5所示原理，這樣就能在一定程度上達(dá)到背光亮度的線性調(diào)節(jié)。但對于電位器產(chǎn)品本身的一致性問題仍無法做到背光亮度調(diào)節(jié)的一致性，針對此問題將背光調(diào)節(jié)的原理加以改進(jìn)，如圖8所示。

在軟件中增加對電位器的學(xué)習(xí)功能，這樣即使電位器的一致性很差也可以通過軟件策略保證背光調(diào)節(jié)的一致性。假設(shè)通過學(xué)習(xí)后電位器的最大和最小電阻值分別為RMAX和RMIN，通過軟件將電阻均分為10段，設(shè)定每一段對應(yīng)一個背光的亮度等級，然后分別對應(yīng)轉(zhuǎn)化為在0～5V之間變化的模擬電壓值，該模擬電壓經(jīng)限流電阻直接接MCU I/O口，采樣后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;MCU根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值判斷背光調(diào)節(jié)擋級后通過輸出不同頻率的PWM波形來控制背光LED的平均工作電流，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)背光亮度的目的，其軟件流程如圖9所示［8］。

對于顛簸路和惡意操作引起的問題，本文中做如下改進(jìn):在前照燈高度調(diào)節(jié)信號輸入采集和步進(jìn)電機(jī)輸出控制之間增加防護(hù)策略，軟件流程如圖10所示。在燈光高度調(diào)節(jié)輸入的查詢子程序中對輸入信號每一個查詢周期進(jìn)行30次采集，采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行排序，然后剔除最大的5個數(shù)據(jù)和最小的5個數(shù)據(jù)后再將剩余的20個有效數(shù)據(jù)求平均值。在進(jìn)行10個查詢周期的數(shù)據(jù)采集后，對10個平均值進(jìn)行綜合判斷，當(dāng)這10個值均有效，且10個值之間的差異小于5%時才視為有效調(diào)節(jié)輸入信號，并據(jù)此進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)［5］。

3.4 設(shè)計驗證

為充分驗證系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，對系統(tǒng)分別進(jìn)行了功能和可靠性測試。在可靠性測試環(huán)節(jié)分別通過臺架模擬和實車使用兩種方式對包括極端工況在內(nèi)的各種工況進(jìn)行了如下測試:模擬機(jī)構(gòu)卡死工況下電機(jī)的啟動、不同電位器輸入情況下的背光調(diào)節(jié)一致性、惡意燈光高度調(diào)節(jié)輸入信號模擬等。經(jīng)過測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

在對系統(tǒng)潛在問題充分分析的基礎(chǔ)上，從設(shè)計的角度出發(fā)，運(yùn)用DFQ方法對前照燈自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)。通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動策略，使系統(tǒng)更好地適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)和前照燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點。通過軟件策略的調(diào)整和硬件方案的改進(jìn)，使背光調(diào)節(jié)的一致性得到保證，同時針對高度調(diào)節(jié)極端工況進(jìn)行了軟件保護(hù)。通過系統(tǒng)、參數(shù)和容差3個階段的設(shè)計開發(fā)來提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計效果通過臺架和實車進(jìn)行了驗證，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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［6］謝賢仕，向東.考慮質(zhì)量分布的容差設(shè)計準(zhǔn)則修正［J］.機(jī)械設(shè)計，2007，24(9):26-27.

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