AMR電機位置傳感器在汽車安全上的應用

當前的汽車產(chǎn)業(yè)正朝著半自動駕駛和全自動駕駛發(fā)展，并結(jié)合汽車電氣化的趨勢，其中的電子轉(zhuǎn)向助力（EPS）和電子制動系統(tǒng)必須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。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放大器，如何使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，以及由ADI公司所提供的相關解決方案。

汽車電子控制單元需滿足

ASIL D級的高標準

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。

通過讓電子控制單元（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，便可將駕駛車輛的任務移交給傳感器、ECU和電子執(zhí)行器。不過，由于事關人命安全，因此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。

電機位置傳感器確保

BLDC電機驅(qū)動的安全性

在汽車控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器，大多使用無刷直流（BLDC）電機來驅(qū)動。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。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。

在典型的EPS系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中，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。基本的典型EPS電機控制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。

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。

符合ASIL D的EPS電機控制功能的安全性

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

其中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，則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。

在所有可能的傳感器故障模式中，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信道的降級位置檢測信息，以及電流傳感器在動態(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。

滿足高汽車安全性的雙AMR傳感器

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推出的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。

ADA4571-2可產(chǎn)生模擬輸出，指示周圍磁場的角位置，并在每個通道在一個封裝內(nèi)集成兩個芯片：一個AMR傳感器和一個可變增益儀表放大器。ADA4571-2提供與旋轉(zhuǎn)磁場角度相關的干凈且放大的每通道余弦和正弦輸出信號。輸出電壓范圍與電源電壓成比例。每個檢測通道含有兩個單獨的且互成45°角的惠斯登電橋。與IC封裝平面平行的旋轉(zhuǎn)磁場提供兩路正弦輸出信號，且傳感器與磁場方向的角度α頻率翻倍。在與IC封裝平面平行的的均質(zhì)場內(nèi)，輸出信號與傳感器和磁體之間的氣隙無關。ADA4571-2采用16引腳SOIC封裝。

可進行雙向電流測量的電流檢測放大器

另一方面，ADI推出的AD8410電流檢測放大器則能夠在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。

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，具有出色的輸入共模抑制性能，它能夠在分流電阻上進行雙向電流的測量，適合各種汽車和工業(yè)應用，包括電機控制、電源管理和電磁閥控制等。

在?40℃至+150℃的整個溫度范圍內(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通過汽車應用認證，該器件集成專利電路，在脈沖寬度調(diào)制（PWM）類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

AMR電機位置傳感器在汽車安全應用中，憑借其高精度、穩(wěn)定性和耐用性，已成為車輛系統(tǒng)中不可或缺的關鍵技術。這些傳感器不僅能提供準確的實時位置檢測，確保動力輸出與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精準控制，還能在復雜環(huán)境中保持出色的抗干擾能力，使車輛的安全性能得以提升。本文所介紹的ADI AMR電機位置傳感器與電流檢測放大器，將能協(xié)助實現(xiàn)汽車控制系統(tǒng)達到ISO 26262 ASIL D的合規(guī)性，是開發(fā)相關應用的理想解決方案。