AMR電機(jī)位置傳感器在汽車(chē)安全上的應(yīng)用

當(dāng)前的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正朝著半自動(dòng)駕駛和全自動(dòng)駕駛發(fā)展，并結(jié)合汽車(chē)電氣化的趨勢(shì)，其中的電子轉(zhuǎn)向助力（EPS）和電子制動(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足必要的安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保無(wú)人駕駛汽車(chē)的安全性和可靠控制。本文將為您介紹異性磁阻（AMR）位置傳感器和基于分流器的電流檢測(cè)放大器，如何使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，以及由ADI公司所提供的相關(guān)解決方案。

汽車(chē)電子控制單元需滿(mǎn)足

ASIL D級(jí)的高標(biāo)準(zhǔn)

近年來(lái)，因?yàn)槿藗兏又匾曁岣哕?chē)輛安全，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(lài)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(chē)朝向半自動(dòng)和全自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)變。

通過(guò)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(chē)輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)操作，如此，便可將駕駛車(chē)輛的任務(wù)移交給傳感器、ECU和電子執(zhí)行器。不過(guò)，由于事關(guān)人命安全，因此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(mǎn)足汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）D級(jí)的高標(biāo)準(zhǔn)。

電機(jī)位置傳感器確保

BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)的安全性

在汽車(chē)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器，大多使用無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。顧名思義，無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)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(xiàn)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(méi)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，阻塞換相由三個(gè)霍爾開(kāi)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。霍爾開(kāi)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。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。

在典型的EPS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，EPS ECU根據(jù)駕駛員施加到方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向扭矩、方向盤(pán)的位置和車(chē)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(pán)，減少駕駛員操縱方向盤(pán)所需的扭矩。

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)控制所需的扭矩輔助等級(jí)因駕駛條件而異，由車(chē)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(chē)中的電機(jī)執(zhí)行器施加到方向盤(pán)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。

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。

符合ASIL D的EPS電機(jī)控制功能的安全性

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。例如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EPS電機(jī)控制中，可使用基于不同技術(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，首先，可啟用“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。其次，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。最后，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。

其中準(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，則可以從準(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。

在所有可能的傳感器故障模式中，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(jiàn)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)自輔助傳感器信道的降級(jí)位置檢測(cè)信息，以及電流傳感器在動(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。

滿(mǎn)足高汽車(chē)安全性的雙AMR傳感器

隨著用于提高汽車(chē)安全性的ADAS推出，以及全自動(dòng)和半自動(dòng)駕駛車(chē)輛的出現(xiàn)，人們開(kāi)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(mǎn)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推出的ADA4571-2雙AMR傳感器專(zhuān)為需要冗余和獨(dú)立檢測(cè)通道的這類(lèi)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(xiàn)性度。這些特性能夠幫助減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和可聽(tīng)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(méi)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?chē)?yán)苛環(huán)境下的雜散磁場(chǎng)。

ADA4571-2可產(chǎn)生模擬輸出，指示周?chē)艌?chǎng)的角位置，并在每個(gè)通道在一個(gè)封裝內(nèi)集成兩個(gè)芯片：一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)可變?cè)鲆?a target="_blank">儀表放大器。ADA4571-2提供與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角度相關(guān)的干凈且放大的每通道余弦和正弦輸出信號(hào)。輸出電壓范圍與電源電壓成比例。每個(gè)檢測(cè)通道含有兩個(gè)單獨(dú)的且互成45°角的惠斯登電橋。與IC封裝平面平行的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)提供兩路正弦輸出信號(hào)，且傳感器與磁場(chǎng)方向的角度α頻率翻倍。在與IC封裝平面平行的的均質(zhì)場(chǎng)內(nèi)，輸出信號(hào)與傳感器和磁體之間的氣隙無(wú)關(guān)。ADA4571-2采用16引腳SOIC封裝。

可進(jìn)行雙向電流測(cè)量的電流檢測(cè)放大器

另一方面，ADI推出的AD8410電流檢測(cè)放大器則能夠在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(tīng)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)。

AD8410是一款高壓、高分辨率和高帶寬分流放大器。其初始增益為20 V/V，具有2.0 MHz帶寬，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為±0.3%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉(zhuǎn)換器連接。AD8410在輸入共模電壓處于?2 V至+70 V范圍時(shí)，具有出色的輸入共模抑制性能，它能夠在分流電阻上進(jìn)行雙向電流的測(cè)量，適合各種汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用，包括電機(jī)控制、電源管理和電磁閥控制等。

在?40℃至+150℃的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，AD8410都能提供極佳的性能。它采用封裝調(diào)整內(nèi)核，在整個(gè)工作溫度范圍和共模電壓范圍內(nèi)，失調(diào)漂移典型值為1.0 μV/℃。AD8410通過(guò)汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證，該器件集成專(zhuān)利電路，在脈沖寬度調(diào)制（PWM）類(lèi)輸入共模電壓下具有高輸出精度。輸入失調(diào)電壓的典型值為±200 μV。AD8410提供8引腳MSOP或SOIC兩種封裝。

結(jié)語(yǔ)

AMR電機(jī)位置傳感器在汽車(chē)安全應(yīng)用中，憑借其高精度、穩(wěn)定性和耐用性，已成為車(chē)輛系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。這些傳感器不僅能提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，確保動(dòng)力輸出與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，還能在復(fù)雜環(huán)境中保持出色的抗干擾能力，使車(chē)輛的安全性能得以提升。本文所介紹的ADI AMR電機(jī)位置傳感器與電流檢測(cè)放大器，將能協(xié)助實(shí)現(xiàn)汽車(chē)控制系統(tǒng)達(dá)到ISO 26262 ASIL D的合規(guī)性，是開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用的理想解決方案。