雙AMR電機位置傳感器，適用于安全關鍵應用

摘要

本文就我們在朝著半自動駕駛和全自動駕駛發(fā)展期間出現(xiàn)的汽車電氣化趨勢，尤其是，為了讓電子轉(zhuǎn)向助力(EPS)和電子制動系統(tǒng)滿足必要的安全標準，以確保無人駕駛汽車的安全性和可靠控制時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放大器產(chǎn)品，它們可使EPS和電子制動系統(tǒng)中使用的無刷電機實現(xiàn)高性能換相和安全運行。

簡介

近年來，因為人們更加重視提高車輛安全，所以主動高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)不斷得到發(fā)展和推廣，它是對依賴安全氣囊來保護駕駛員和乘客安全的傳統(tǒng)被動系統(tǒng)的一種補充。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，從長期而言，則是替代駕駛員做出決策。這些技術進步也引領著汽車朝向半自動和全自動駕駛轉(zhuǎn)變。讓電子控制單元(ECU)代替駕駛員做出決策，讓執(zhí)行器負責進行車輛轉(zhuǎn)向和制動操作，如此，將駕駛車輛的任務移交給傳感器、ECU和電子執(zhí)行器。這一趨勢推動我們開始開發(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功能安全標準。這是一項基于風險的安全標準，對危險操作情況的風險進行定性評估，并在組件和系統(tǒng)設計中融入安全措施，以避免或管控系統(tǒng)故障，以及檢測或控制隨機出現(xiàn)的硬件故障或減輕其影響。這些執(zhí)行器系統(tǒng)通常使用無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動，由于這些系統(tǒng)對安全性至關重要，設計人員在設計解決方案的硬件和軟件時，必須保證系統(tǒng)能夠滿足汽車安全完整性等級(ASIL) D級的高標準。

BLDC電機換相和控制

顧名思義，無刷直流電機沒有電刷觸點，需要使用電機位置傳感器(MPS)來測量定子與轉(zhuǎn)子之間的相對位置，以確保定子線圈按正確順序通電。電機位置傳感器在啟動時至關重要，因為此時微控制器沒有可用的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子和定子的相對位置。

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

圖1.(a) BLDC阻塞換相控制和(b) BLDC正弦換相控制。

圖2.ISO 26262 ASIL評級矩陣。

安全關鍵應用的功能安全（示例EPS）

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

必須對系統(tǒng)實施安全和風險分析，以確定系統(tǒng)的ASIL等級。ASIL等級是通過審查系統(tǒng)在運行期間潛在危險的嚴重程度、暴露程度和可控性來確定的（見圖2）。

例如，如果我們對EPS系統(tǒng)實施風險和危害分析，可能會得出以下結(jié)論：基于這些事件（例如轉(zhuǎn)向卡滯和自動轉(zhuǎn)向等）的嚴重程度、可控性和暴露性，將這些嚴重事件評定為ASIL D等級。同樣，對于即將推出的電子制動系統(tǒng)，可以采用同樣的邏輯確定不可控事件的嚴重程度，如制動卡滯或自動制動。

根據(jù)EPS或制動系統(tǒng)示例，ASIL D系統(tǒng)的評級可以通過分解子系統(tǒng)來實現(xiàn)，如圖3a、圖3b和圖3c所示。

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

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

圖3.針對ASIL D系統(tǒng)的ASIL分解方案。

EPS系統(tǒng)拓撲

典型的EPS系統(tǒng)拓撲結(jié)構如圖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計算所需的輔助功率。EPS電機通過施加力來轉(zhuǎn)動方向盤，減少駕駛員操縱方向盤所需的扭矩。

電機軸位置(MSP)角結(jié)合相電流測量信息，用于對EPS電機驅(qū)動器實施換相和控制?；镜牡湫虴PS電機控制環(huán)路如圖5所示。所需的扭矩輔助等級因駕駛條件而異，由車輪速度傳感器和扭矩傳感器決定，扭矩傳感器測量駕駛員或無人駕駛汽車中的電機執(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)來控制提供給電機（提供所需的輔助）的電流負載。

圖4.典型的EPS拓撲。

EPS電機位置和相電流傳感器

MPS傳感器故障可能導致或加重系統(tǒng)故障，例如轉(zhuǎn)向鎖止或自動轉(zhuǎn)向，因此MPS是EPS系統(tǒng)中的關鍵組件。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傳感器出錯或發(fā)生故障時能夠確保繼續(xù)正常運行，確保不會發(fā)生嚴重的系統(tǒng)故障，或者在出錯時，系統(tǒng)能以安全地方式停止運行。

電流檢測放大器通常用于間接精確測量電機負載，一般應用于三個電機相位中的兩個相位，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，高度準確的電機位置和相電流測量可以從系統(tǒng)層面改善EPS電機的控制性能，實現(xiàn)非常高效、安靜、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，從而改善整個駕駛體驗，因此它是系統(tǒng)中的關鍵組件。

圖5.典型的EPS電機控制環(huán)路。

EPS電機控制的功能安全

在EPS或其他安全性關鍵電機控制應用中，我們可以采用不同的方法來實現(xiàn)ASIL D合規(guī)性。以下示例說明：可以將雙重各向異性磁阻(AMR)電機位置傳感器和ADI的電流檢測放大器集成到這樣的系統(tǒng)中，提供所需的性能等級和冗余，從系統(tǒng)級別實現(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（例如霍爾、GMR或TMR）的另一個傳感器對雙AMR傳感器進行了完善和補充。雙AMR傳感器用作主（高精度）傳感通道，第二個不同傳感器技術通道有三個用途：

?   啟用“三選二”(2oo3)比較，以驗證當與其他系統(tǒng)輸入組合時，其中一個傳感器通道是否出現(xiàn)故障。

?   在發(fā)生可能性極低的兩個AMR通道都出故障情況下，提供位置反饋。

?   在電機極數(shù)為奇數(shù)的情況下，為微控制器提供360?象限信息，用于電機換相。

準確的角度測量將繼續(xù)由雙AMR傳感器的兩個通道提供。額外的系統(tǒng)診斷，例如電機負載和軸的位置，可以從準確相位電流檢測放大器的動態(tài)狀態(tài)（反電動勢）間接推斷得出。

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

這種系統(tǒng)級別的診斷功能將確保不會發(fā)生嚴重的故障模式，并且保證系統(tǒng)實現(xiàn)ISO 26262 ASIL D合規(guī)性。之后，可以安全關閉系統(tǒng)的電源，或者轉(zhuǎn)入跛行回家模式，以返回經(jīng)銷商處進行維修。

圖6.適用于安全性至關重要的應用的電機位置和相電流檢測結(jié)構示例。

總結(jié)

隨著用于提高汽車安全性的ADAS推出，以及全自動和半自動駕駛車輛的出現(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功能安全標準。ADI公司提供的電機軸位置和相電流檢查產(chǎn)品不僅能滿足提高性能，實現(xiàn)更順暢、更高效的電機控制的要求，還提供了在EPS或制動系統(tǒng)等安全性至關重要的應用中實現(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立檢測通道的這類安全性至關重要的應用而設計。它是一款雙通道AMR傳感器，集成了信號調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動器。該產(chǎn)品包括兩個AMR(Sensitec AA745)傳感器和兩個放大器信號調(diào)理ASIC。該傳感器提供非常低的角度誤差信號，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)矩波動和可聽到的噪聲，幫助實現(xiàn)順暢、高效的BLDC電機控制。此外，AMR傳感器在飽和>30 mT條件下工作，沒有磁場窗口上限，而且傳感器在高磁場條件下運行，因此解決方案能夠經(jīng)受嚴苛環(huán)境下的雜散磁場。

 ADI提供的AD8410電流檢測放大器能夠在EPS和其他BLDC電機控制系統(tǒng)中的分流電阻上進行雙向電流測量。這是一個高電壓、高分辨率和高帶寬的分流放大器，用于在嚴苛環(huán)境下提供所需的準確測量，在安全性至關重要的應用中提供診斷，幫助減少轉(zhuǎn)矩波動和可聽到的噪聲，實現(xiàn)順暢、高效的BLDC電機控制（例如EPS或制動），并改善整個駕駛體驗。

參考資料

ISO 26262-1:2018。國際標準化組織，2018年12月。

Isshi Koyata?！癑ARI活動中，解決EPS系統(tǒng)未來運行故障的方法?！比毡酒囇芯克?JARI)，2019年。

作者簡介

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)略營銷經(jīng)理。Enda擁有中等教育證書、英國高等教育文憑、阿爾伯塔大學機械工程學士學位，擁有25年的汽車傳感器工作經(jīng)驗，從事應用工程、戰(zhàn)略營銷和業(yè)務開發(fā)工作。在此期間，他在ADI公司的汽車業(yè)務部工作13年之久。