雙AMR電機(jī)位置傳感器，適用于安全關(guān)鍵應(yīng)用

作者：ADI公司 Enda Nicholl，戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理

摘要

本文就我們?cè)诔?u>自動(dòng)駕駛和全自動(dòng)駕駛發(fā)展期間出現(xiàn)的汽車電氣化趨勢(shì)，尤其是，為了讓電子轉(zhuǎn)向助力（EPS）和電子制動(dòng)系統(tǒng)滿足必要的安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保無(wú)人駕駛汽車的安全性和可靠控制時(shí)需要作出的改變提供一些見解。

ADI公司（ADI）提供磁阻（MR）位置傳感器產(chǎn)品和基于分流器的電流檢測(cè)放大器產(chǎn)品，它們可使EPS和電子制動(dòng)系統(tǒng)中使用的無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能換相和安全運(yùn)行。

簡(jiǎn)介

近年來(lái)，因?yàn)槿藗兏又匾曁岣哕囕v安全，所以主動(dòng)高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）不斷得到發(fā)展和推廣，它是對(duì)依賴安全氣囊來(lái)保護(hù)駕駛員和乘客安全的傳統(tǒng)被動(dòng)系統(tǒng)的一種補(bǔ)充。這些新出現(xiàn)的系統(tǒng)最初是為了幫助駕駛員在安全危急情況下做出正確決策，從長(zhǎng)期而言，則是替代駕駛員做出決策。這些技術(shù)進(jìn)步也引領(lǐng)著汽車朝向半自動(dòng)和全自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)變。讓電子控制單元（ECU）代替駕駛員做出決策，讓執(zhí)行器負(fù)責(zé)進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)操作，如此，將駕駛車輛的任務(wù)移交給傳感器、ECU和電子執(zhí)行器。這一趨勢(shì)推動(dòng)我們開始開發(fā)更可靠、更智能、性能更高的冗余電子執(zhí)行器解決方案，這些解決方案需要符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)基于風(fēng)險(xiǎn)的安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)危險(xiǎn)操作情況的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性評(píng)估，并在組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中融入安全措施，以避免或管控系統(tǒng)故障，以及檢測(cè)或控制隨機(jī)出現(xiàn)的硬件故障或減輕其影響。這些執(zhí)行器系統(tǒng)通常使用無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于這些系統(tǒng)對(duì)安全性至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)解決方案的硬件和軟件時(shí)，必須保證系統(tǒng)能夠滿足汽車安全完整性等級(jí)（ASIL） D級(jí)的高標(biāo)準(zhǔn)。

BLDC電機(jī)換相和控制

顧名思義，無(wú)刷直流電機(jī)沒有電刷觸點(diǎn)，需要使用電機(jī)位置傳感器（MPS）來(lái)測(cè)量定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置，以確保定子線圈按正確順序通電。電機(jī)位置傳感器在啟動(dòng)時(shí)至關(guān)重要，因?yàn)榇藭r(shí)微控制器沒有可用的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置。

傳統(tǒng)上，阻塞換相（見圖1a）由三個(gè)霍爾開關(guān)組成，用于指示無(wú)刷直流電機(jī)中轉(zhuǎn)子的位置。由于人們要求提高BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（包括EPS系統(tǒng)）的性能，尤其是降低其噪聲、振動(dòng)和不平順性（NVH），以及提高其運(yùn)行效率，所以阻塞換相逐步被正弦換相控制取代?；魻?u>開關(guān)則可由安裝在電機(jī)軸末端的雙極磁鐵前面的MR角度傳感器代替（見圖1b）。在典型的應(yīng)用中MPS也被安裝在ECU總成上，ECU則被集成到電機(jī)外殼中，并且安裝在電機(jī)軸的末端。

圖1.（a） BLDC阻塞換相控制和（b） BLDC正弦換相控制。

圖2.ISO 26262 ASIL評(píng)級(jí)矩陣。

安全關(guān)鍵應(yīng)用的功能安全（示例EPS）

ISO 26262于2011年引入，作為一種安全標(biāo)準(zhǔn)，用于解決與電氣安全相關(guān)的系統(tǒng)故障可能造成的危害，之后被2018年版取代。

必須對(duì)系統(tǒng)實(shí)施安全和風(fēng)險(xiǎn)分析，以確定系統(tǒng)的ASIL等級(jí)。ASIL等級(jí)是通過(guò)審查系統(tǒng)在運(yùn)行期間潛在危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度、暴露程度和可控性來(lái)確定的（見圖2）。

例如，如果我們對(duì)EPS系統(tǒng)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)和危害分析，可能會(huì)得出以下結(jié)論：基于這些事件（例如轉(zhuǎn)向卡滯和自動(dòng)轉(zhuǎn)向等）的嚴(yán)重程度、可控性和暴露性，將這些嚴(yán)重事件評(píng)定為ASIL D等級(jí)。同樣，對(duì)于即將推出的電子制動(dòng)系統(tǒng)，可以采用同樣的邏輯確定不可控事件的嚴(yán)重程度，如制動(dòng)卡滯或自動(dòng)制動(dòng)。

根據(jù)EPS或制動(dòng)系統(tǒng)示例，ASIL D系統(tǒng)的評(píng)級(jí)可以通過(guò)分解子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3a、圖3b和圖3c所示。

圖3.針對(duì)ASIL D系統(tǒng)的ASIL分解方案。

并不要求每個(gè)系統(tǒng)組件都按照ASIL D標(biāo)準(zhǔn)和流程進(jìn)行開發(fā)，以使ASIL D系統(tǒng)合規(guī)；但是，在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的審核時(shí)，要求整個(gè)系統(tǒng)必須滿足要求，并且可以集成QM、ASIL A、B、C、D級(jí)別的子組件作為系統(tǒng)的組成部分。

系統(tǒng)分解還應(yīng)該確保充分的獨(dú)立性，并考慮到依賴或共因故障的可能性。

EPS系統(tǒng)拓?fù)?

典型的EPS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。EPS ECU根據(jù)駕駛員施加到方向盤上的轉(zhuǎn)向扭矩、方向盤的位置和車輛的速度來(lái)計(jì)算所需的輔助功率。EPS電機(jī)通過(guò)施加力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，減少駕駛員操縱方向盤所需的扭矩。

圖4.典型的EPS拓?fù)洹?/p>

電機(jī)軸位置（MSP）角結(jié)合相電流測(cè)量信息，用于對(duì)EPS電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)施換相和控制?；镜牡湫虴PS電機(jī)控制環(huán)路如圖5所示。所需的扭矩輔助等級(jí)因駕駛條件而異，由車輪速度傳感器和扭矩傳感器決定，扭矩傳感器測(cè)量駕駛員或無(wú)人駕駛汽車中的電機(jī)執(zhí)行器施加到方向盤上的扭矩。然后，微控制器使用MSP數(shù)據(jù)和相電流數(shù)據(jù)來(lái)控制提供給電機(jī)（提供所需的輔助）的電流負(fù)載。

圖5.典型的EPS電機(jī)控制環(huán)路。

EPS電機(jī)位置和相電流傳感器

MPS傳感器故障可能導(dǎo)致或加重系統(tǒng)故障，例如轉(zhuǎn)向鎖止或自動(dòng)轉(zhuǎn)向，因此MPS是EPS系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。所以，重要的是，系統(tǒng)要能夠綜合全面地診斷傳感器故障和冗余，以確保在MPS傳感器出錯(cuò)或發(fā)生故障時(shí)能夠確保繼續(xù)正常運(yùn)行，確保不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的系統(tǒng)故障，或者在出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)能以安全地方式停止運(yùn)行。

電流檢測(cè)放大器通常用于間接精確測(cè)量電機(jī)負(fù)載，一般應(yīng)用于三個(gè)電機(jī)相位中的兩個(gè)相位，提供額外的診斷信息（可以作為整體系統(tǒng)安全保障措施的一部分）。

此外，高度準(zhǔn)確的電機(jī)位置和相電流測(cè)量可以從系統(tǒng)層面改善EPS電機(jī)的控制性能，實(shí)現(xiàn)非常高效、安靜、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，從而改善整個(gè)駕駛體驗(yàn)，因此它是系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

EPS電機(jī)控制的功能安全

在EPS或其他安全性關(guān)鍵電機(jī)控制應(yīng)用中，我們可以采用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)ASIL D合規(guī)性。以下示例說(shuō)明：可以將雙重各向異性磁阻（AMR）電機(jī)位置傳感器和ADI的電流檢測(cè)放大器集成到這樣的系統(tǒng)中，提供所需的性能等級(jí)和冗余，從系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)ISO 26262 ASIL D合規(guī)性。

在圖6所示的框圖中，用基于不同技術(shù)（例如霍爾、GMR或TMR）的另一個(gè)傳感器對(duì)雙AMR傳感器進(jìn)行了完善和補(bǔ)充。雙AMR傳感器用作主（高精度）傳感通道，第二個(gè)不同傳感器技術(shù)通道有三個(gè)用途：

啟用“三選二”（2oo3）比較，以驗(yàn)證當(dāng)與其他系統(tǒng)輸入組合時(shí)，其中一個(gè)傳感器通道是否出現(xiàn)故障。 在發(fā)生可能性極低的兩個(gè)AMR通道都出故障情況下，提供位置反饋。 在電機(jī)極數(shù)為奇數(shù)的情況下，為微控制器提供360?象限信息，用于電機(jī)換相。

準(zhǔn)確的角度測(cè)量將繼續(xù)由雙AMR傳感器的兩個(gè)通道提供。額外的系統(tǒng)診斷，例如電機(jī)負(fù)載和軸的位置，可以從準(zhǔn)確相位電流檢測(cè)放大器的動(dòng)態(tài)狀態(tài)（反電動(dòng)勢(shì)）間接推斷得出。

圖6.適用于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用的電機(jī)位置和相電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)示例。

如果我們查看這個(gè)傳感器架構(gòu)示例中所有可能的傳感器故障模式，可以看出，應(yīng)該始終有兩個(gè)位置傳感器輸入可用于進(jìn)行可靠性檢查。即使在兩個(gè)AMR通道都由于常見的故障原因?qū)е峦瑫r(shí)故障這種極不可能的極端示例中，仍然可以使用來(lái)自輔助傳感器通道的降級(jí)位置檢測(cè)信息和電流傳感器在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下提供的反電動(dòng)勢(shì)信息進(jìn)行交叉比對(duì)，以確保系統(tǒng)的基本功能繼續(xù)正常運(yùn)行。

這種系統(tǒng)級(jí)別的診斷功能將確保不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的故障模式，并且保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ISO 26262 ASIL D合規(guī)性。之后，可以安全關(guān)閉系統(tǒng)的電源，或者轉(zhuǎn)入跛行回家模式，以返回經(jīng)銷商處進(jìn)行維修。

總結(jié)

隨著用于提高汽車安全性的ADAS推出，以及全自動(dòng)和半自動(dòng)駕駛車輛的出現(xiàn)，人們開始要求獲得更可靠、更智能、性能更高的冗余電子執(zhí)行器解決方案，且要求該方案符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)。ADI公司提供的電機(jī)軸位置和相電流檢查產(chǎn)品不僅能滿足提高性能，實(shí)現(xiàn)更順暢、更高效的電機(jī)控制的要求，還提供了在EPS或制動(dòng)系統(tǒng)等安全性至關(guān)重要的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高ASIL要求所需的冗余。

ADI提供的ADA4571-2雙AMR傳感器專為需要冗余和獨(dú)立檢測(cè)通道的這類安全性至關(guān)重要的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它是一款雙通道AMR傳感器，集成了信號(hào)調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器。該產(chǎn)品包括兩個(gè)AMR（Sensitec AA745）傳感器和兩個(gè)放大器信號(hào)調(diào)理ASIC。該傳感器提供非常低的角度誤差信號(hào)，通常在0.1度范圍內(nèi)，具備可忽略的遲滯、高帶寬、低延遲和良好的線性度。這些特性能夠幫助減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和可聽到的噪聲，幫助實(shí)現(xiàn)順暢、高效的BLDC電機(jī)控制。此外，AMR傳感器在飽和》30 mT條件下工作，沒有磁場(chǎng)窗口上限，而且傳感器在高磁場(chǎng)條件下運(yùn)行，因此解決方案能夠經(jīng)受嚴(yán)苛環(huán)境下的雜散磁場(chǎng)。

ADI提供的AD8410電流檢測(cè)放大器能夠在EPS和其他BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)中的分流電阻上進(jìn)行雙向電流測(cè)量。這是一個(gè)高電壓、高分辨率和高帶寬的分流放大器，用于在嚴(yán)苛環(huán)境下提供所需的準(zhǔn)確測(cè)量，在安全性至關(guān)重要的應(yīng)用中提供診斷，幫助減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和可聽到的噪聲，實(shí)現(xiàn)順暢、高效的BLDC電機(jī)控制（例如EPS或制動(dòng)），并改善整個(gè)駕駛體驗(yàn)。

參考資料

ISO 26262-1:2018。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2018年12月。

Isshi Koyata?！癑ARI活動(dòng)中，解決EPS系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行故障的方法?！比毡酒囇芯克↗ARI），2019年。

作者簡(jiǎn)介

Enda Nicholl是ADI公司位于愛爾蘭利默里克的ERDC（歐洲研發(fā)中心）汽車電氣化部的戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理。Enda擁有中等教育證書、英國(guó)高等教育文憑、阿爾伯塔大學(xué)機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位，擁有25年的汽車傳感器工作經(jīng)驗(yàn)，從事應(yīng)用工程、戰(zhàn)略營(yíng)銷和業(yè)務(wù)開發(fā)工作。在此期間，他在ADI公司的汽車業(yè)務(wù)部工作13年之久。