Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt ein automatisches Scheinwerferdimmsystem auf Basis des LIN-Busses, um den Bedarf an automatischer Dimmung bei HID-Scheinwerfern in Kraftfahrzeugen zu decken. Das Gesamtkonzept, die Hardware-Komponenten und die grundlegenden Software-Designprinzipien des Systems werden vorgestellt und das grundlegende Framework für die Softwareprogrammierung erläutert. Schlüsselwörter: Scheinwerfer; Automatische Dimmung; LIN-Bus; Schrittmotorsteuerung. Einleitung: HID ist die Abkürzung für High Intensity Discharge Lamp (Hochdruckentladungslampe), auch bekannt als Schwermetalllampe oder Xenon-Scheinwerfer. Im Vergleich zu herkömmlichen Halogenlampen bieten HID-Scheinwerfer Vorteile wie hohe Helligkeit, lange Lebensdauer und Energieeinsparung. Aufgrund der hohen Helligkeit von HID-Scheinwerfern kann eine falsche Einstellung der Leuchthöhe entgegenkommende Fahrer stark blenden und somit ein Sicherheitsrisiko darstellen. Um den Markt für HID-Scheinwerfer zu regulieren, schreibt die Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (ECE-R48) eindeutig vor, dass Fahrzeuge mit HID-Scheinwerfern mit einem System zur vollautomatischen Einstellung der Leuchthöhe, auch bekannt als automatisches Scheinwerfer-Niveauregulierungssystem, ausgestattet sein müssen. Im Betrieb passt das System den Projektionswinkel der HID-Scheinwerfer automatisch an die Fahrzeuglast an und gewährleistet so eine optimale Projektionshöhe für eine gute Ausleuchtung ohne Blendung entgegenkommender Fahrer. Das System ist in drei Komponenten unterteilt (siehe Abbildung 1): Fahrzeughöhensensor, zentrale Steuereinheit und Ansteuereinheit. Die Funktionsweise ist wie folgt: Der Haupt-Mikrocontroller (MC68HC908GZ60) erfasst die Signale der Höhensensoren an Vorder- und Hinterachse, verarbeitet sie und sendet Steuersignale an die horizontalen Dimmermotoren der linken und rechten Scheinwerfer. Diese werden in die entsprechenden Positionen gedreht, um die automatische Abblendung zu realisieren. Der Fahrzeughöhensensor nutzt die Distanzdifferenz zwischen zwei Referenzpunkten im Fahrzeug (etwa Vorder- und Hinterachse) und dem Boden, um den Neigungswinkel des Fahrzeugs zu ermitteln und so die horizontale Ausrichtung zu steuern. Ein fotoelektrischer, codierter Fahrzeughöhensensor kann ausgewählt werden, der Änderungen der Fahrzeughöhe (Änderungen der Federungsverformung) in eine Drehung der Sensorwelle umwandelt und das erfasste Drehwinkelsignal in ein Spannungssignal für den Mikrocontroller (MCU) umwandelt. Im Experiment wurde jeweils ein Fahrzeughöhensensor an der Innenseite des linken Vorder- und Hinterrads installiert. Das zentrale Steuergerät verwendet den Freescale MC68HC908GZ60-Chip als Haupt-Mikrocontroller sowie weitere notwendige Komponenten für die Steuerschaltung. Zu den Hauptmerkmalen dieses Chips gehören: eine 8-Bit-HC08-CPU mit umfangreichen Entwicklungsressourcen und guter Kompatibilität; 60 KB Flash-EEPROM und 2 KB RAM; sowie ein 24-Kanal-A/D-Wandlermodul mit 10-Bit-Präzision. Zusätzlich ist der Freescale MC33399-Chip als LIN-Bus-Transceiver über den SCI-Port mit dem Haupt-Mikrocontroller verbunden. Dieser Chip kann bis zu 16 Knoten ansteuern. Der LIN-Bus wurde gewählt, da er ein relativ gängiger Bus in der Automobilindustrie ist und Vorteile wie niedrige Chipkosten und hohe Kosteneffizienz bietet. Die Signalübertragungsrate des LIN-Busses erreicht bis zu 19,2 kbit/s und wird üblicherweise in Steuerungsanwendungen eingesetzt, bei denen die Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit nicht hoch sind, wie z. B. elektrische Fensterheber und Scheinwerferschalter. Das Schaltbild des LIN-Bus-Masterknotens ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Schaltbild des LIN-Bus-Masterknotens. Ansteuereinheit: Die Ansteuereinheit steuert die Drehung des Schrittmotors durch Empfang von Signalen vom LIN-Bus und bewirkt so die vertikale Drehung des Scheinwerferreflektors und die horizontale Abblendung. Hierfür wurde der Schrittmotor-Controller-Chip AMIS-30623 von AMI Semiconductor ausgewählt. Dieser hochintegrierte Chip verfügt über ein integriertes Leistungsmodul, einen Controller, einen LIN-Bus-Transceiver und einen Schrittmotortreiber. Zu seinen Hauptmerkmalen gehören: ein maximaler Spitzenstrom von 800 mA und eine maximale Schrittweite von 16 Mikroschritten. Integrierte Beschleunigungs-/Verzögerungsalgorithmen und volle Kompatibilität mit der LIN 1.3-Spezifikation zeichnen das System aus. Da der AMIS-30623-Chip selbst nicht reprogrammierbar ist, werden alle Operationen durch Aufruf seiner internen Funktionen über den LIN-Bus ausgeführt, was die Bedienung sehr einfach macht. Die integrierten Beschleunigungs-/Verzögerungsalgorithmen sind äußerst effektiv für die Steuerung der variablen Geschwindigkeitsbewegung des Schrittmotors. Das Schaltbild des LIN-Bus-Slave-Knotens ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Schaltbild des LIN-Bus-Slave-Knotens. Die Systemsoftware verwendet einen 1-ms-Timer-Interrupt zur Datenerfassung. Bei jedem Interrupt wird eine Reihe von Sensorausgangsspannungswerten erfasst. Nach einer ersten Prüfung werden gültige Daten gespeichert und in die Formel zur Berechnung der Zielposition eingesetzt, zu der der Schrittmotor drehen soll. Ein Signal wird über den LIN-Bus an den entsprechenden AMIS-30623-Chip gesendet, um den Schrittmotor sanft und gleichmäßig mit Beschleunigung, Geschwindigkeit und anschließender Verzögerung zur Zielposition zu bewegen. Das Programm wurde erfolgreich in der Freescale CodeWarrior 5.7.0-Umgebung kompiliert. Das Hauptprogrammablaufdiagramm ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4: Hauptprogrammablaufdiagramm des Systems. Experimentelle Ergebnisse: Um die dynamische Dimmleistung des Systems zu überprüfen, wurde in einer Laborumgebung eine experimentelle Plattform aufgebaut, die Nickbewegungen des Fahrzeugs simulieren kann. Während des Experiments führte die Steuerungsplattform selbst Nickbewegungen mit einer bestimmten Amplitude aus. Die Ansprechzeit des Dimmsystems betrug ca. 420 ms, die Einstellzeit weniger als 1 s und der stationäre Fehler ca. 0,035°. Damit werden die grundlegenden Anforderungen an die dynamische automatische Dimmung erfüllt. Fazit: Dieses System realisiert die Basisfunktion der automatischen Dimmung von Fahrzeugscheinwerfern und legt den Grundstein für die Weiterentwicklung komplexerer adaptiver Frontbeleuchtungssysteme. Darüber hinaus handelt es sich bei diesem System um ein energiesparendes Schrittmotorsteuerungssystem auf Basis eines LIN-Busses und eines Mikrocontrollers. Der LIN-Bus, ein kostengünstiger und hochgradig fehlertoleranter lokaler Bus, findet zunehmend Anwendung in der Automobilindustrie und in industriellen Steuerungsumgebungen. Dieses System ist einfach zu entwickeln, zu warten und kostengünstig zu betreiben. Es unterstützt bis zu 16 Kindknoten und bietet volle Softwarekompatibilität vor und nach dem Hinzufügen oder Entfernen von Knoten, sodass keine Neuprogrammierung erforderlich ist. Daher bietet dieses Design erhebliches Anwendungspotenzial im Bereich der Steuerung von Niedrigenergie-Schrittmotoren.