設(shè)計(jì)具有AMR角度傳感器的位置感應(yīng)系統(tǒng)

隨著各國政府出臺(tái)舉措來推動(dòng)減少內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車排放的溫室氣體，原始設(shè)備制造商 (OEM) 紛紛將機(jī)械系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)為電子控制系統(tǒng)。高水平的系統(tǒng)連接和智能技術(shù)使自動(dòng)駕駛汽車成為現(xiàn)實(shí)，因此市場對(duì)電子產(chǎn)品和軟件算法的需求不斷增長，以符合包括國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 在內(nèi)的各項(xiàng)安全要求。

傳感器，尤其是角度傳感器，在需要滿足功能安全標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中不可或缺。它有助于監(jiān)控和提供扭矩和角度信息，而這些信息是高效驅(qū)動(dòng)或運(yùn)行各種汽車系統(tǒng)所必需的。

設(shè)計(jì)EPS系統(tǒng)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS) 由轉(zhuǎn)向柱、電子控制轉(zhuǎn)向電機(jī)以及電子感應(yīng)與控制機(jī)制組成。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，由電機(jī)（通常是無刷直流電機(jī)）協(xié)助轉(zhuǎn)向，這取代了傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓系統(tǒng)。

EPS 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括運(yùn)行更快且更智能、減少二氧化碳排放、提高燃油效率并增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。駕駛員在方向盤界面提供系統(tǒng)輸入。傳感器檢測(cè)電機(jī)軸的位置和方向盤的旋轉(zhuǎn)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子控制單元 (ECU)。圖 1 突出顯示了 EPS 系統(tǒng)的基本元素。

圖1 EPS系統(tǒng)

設(shè)計(jì)EPS系統(tǒng)所需的組件包括微控制器、傳感器、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和晶體管。這些組件對(duì)于系統(tǒng)高效通信和運(yùn)行至關(guān)重要。如圖2所示，控制器局域網(wǎng)是用于連接車輛ECU的總線標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 EPS系統(tǒng)方框圖

德州儀器 (TI)的TMAG6181-Q1是各向異性磁阻(AMR)角度傳感器。它具有集成信號(hào)調(diào)節(jié)放大器，能夠提供與所施加平面磁場的方向相關(guān)的差分正弦和余弦模擬輸出。

TMAG6181-Q1的延遲低于2μs，角度誤差僅為0.4度，有助于大大提高系統(tǒng)性能和效率。傳感器的集成匝數(shù)計(jì)數(shù)器可以跟蹤電機(jī)在正常運(yùn)行模式下最高32,000轉(zhuǎn)/分(rpm)的轉(zhuǎn)速和低功耗模式下最高8,000 rpm的轉(zhuǎn)速。它還能支持多種器件和系統(tǒng)級(jí)診斷功能，可檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)告器件運(yùn)行期間的故障。例如，在睡眠或故障模式下，TMAG6181-Q1 AMR傳感器的輸出將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。建議使用下拉或上拉電阻，以確保微控制器能夠檢測(cè)故障。

要處理 AMR 輸出信號(hào)并提取EPS電機(jī)或方向盤的角度位置，通常需要外部微控制器。TMAG6181-Q1中的AMR角度傳感器可用于單端或差分輸出模式；后一種模式可消除系統(tǒng)中的共模干擾。來自AMR傳感器的差分輸出正弦和余弦信號(hào)與所施加磁場的角度成正比。AMR傳感器的輸出電壓與電源電壓成比例，以確保外部ADC能夠參考電源電壓。

圖3展示了一個(gè)典型應(yīng)用圖，其中差分輸出信號(hào)SIN_P、SIN_N、COS_P和COS_N連接到外部微控制器中的四個(gè)單端模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而外部微控制器與EPS系統(tǒng)中的ECU通信。

圖3 單端輸出模式下的TMAG6181-Q1

如果有的話，建議使用差分ADC，因?yàn)樗軌蛱岣呖煽啃?。要獲得高精度，負(fù)載電容器和電阻必須相互匹配。TMAG6181-Q1可直接在AMR輸出引腳上驅(qū)動(dòng)高達(dá)10nF的容性負(fù)載，并驅(qū)動(dòng)拉電流和灌電流高達(dá)1mA的電阻負(fù)載。這可實(shí)現(xiàn) EPS 系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

為簡化合規(guī)性，針對(duì)TMAG6181-Q1提供了ISO 26262系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔，其中汽車安全完整性等級(jí)高達(dá)B級(jí)。

設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車和電動(dòng)踏板車系統(tǒng)

電動(dòng)自行車是包含五個(gè)關(guān)鍵組件的自行車：電機(jī)、電池、控制裝置、傳感器和顯示屏。電機(jī)是電動(dòng)自行車不可或缺的一部分，可用于在腳踏期間提供所需的額外電力。如圖 4 中的方框圖所示，若要高效可靠地旋轉(zhuǎn)電機(jī)（可安裝在前部、中央或后部），需要角度傳感器。

電動(dòng)踏板車是從燃?xì)怛?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)的踏板車。它的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電動(dòng)自行車非常相似，只不過它沒有那么復(fù)雜。電動(dòng)踏板車設(shè)計(jì)只需在油門踩下時(shí)為電機(jī)供電即可，但電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)還必須監(jiān)測(cè)騎手的腳踏動(dòng)力，以確定向電機(jī)的供電量。不同地區(qū)要求電動(dòng)自行車和電動(dòng)踏板車達(dá)到與汽車行業(yè)相似的安全水平。

圖 4 重點(diǎn)介紹了開發(fā)電動(dòng)自行車系統(tǒng)所需的組件。角度傳感器可提供角度反饋，然后由微控制器計(jì)算角度反饋，從而有效可靠地旋轉(zhuǎn)電機(jī)。AMR傳感器通常限制為180度，但TMAG6181-Q1在X和Y軸增加了兩個(gè)獨(dú)立的霍爾效應(yīng)傳感器輸出，可將傳感器的角度范圍擴(kuò)大到360度。

圖4 電動(dòng)自行車方框圖

結(jié)語

當(dāng)今的汽車和電動(dòng)自行車包含多個(gè)ECU，用于驅(qū)動(dòng)和控制高級(jí)功能。設(shè)計(jì)EPS系統(tǒng)、電動(dòng)自行車或電動(dòng)踏板車需要ECU 精確控制，以實(shí)現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行。TMAG6181-Q1可實(shí)現(xiàn)更快、更精確的電機(jī)控制，有助于提高系統(tǒng)性能。

（本文來源于《EEPW》2024.5）