作者：Enda Nicholl
摘要
本文就我們在朝著(zhù)半自動(dòng)駕駛和全自動(dòng)駕駛發(fā)展期間出現的汽車(chē)電氣化趨勢，尤其是，為了讓電子轉向助力(EPS)和電子制動(dòng)系統滿(mǎn)足必要的安全標準，以確保無(wú)人駕駛汽車(chē)的安全性和可靠控制時(shí)需要作出的改變提供一些見(jiàn)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(dòng)系統中使用的無(wú)刷電機實(shí)現高性能換相和安全運行。
簡(jiǎn)介
近年來(lái)，因為人們更加重視提高車(chē)輛安全，所以主動(dòng)高級駕駛員輔助系統(ADAS)不斷得到發(fā)展和推廣，它是對依賴(lài)安全氣囊來(lái)保護駕駛員和乘客安全的傳統被動(dòng)系統的一種補充。這些新出現的系統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(cháng)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(zhù)汽車(chē)朝向半自動(dòng)和全自動(dòng)駕駛轉變。讓電子控制單元(ECU)代替駕駛員做出決策，讓執行器負責進(jìn)行車(chē)輛轉向和制動(dòng)操作，如此，將駕駛車(chē)輛的任務(wù)移交給傳感器、ECU和電子執行器。這一趨勢推動(dòng)我們開(kāi)始開(kāi)發(fā)更可靠、更智能、性能更高的冗余電子執行器解決方案，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(fēng)險的安全標準，對危險操作情況的風(fēng)險進(jìn)行定性評估，并在組件和系統設計中融入安全措施，以避免或管控系統故障，以及檢測或控制隨機出現的硬件故障或減輕其影響。這些執行器系統通常使用無(wú)刷直流(BLDC)電機驅動(dòng)，由于這些系統對安全性至關(guān)重要，設計人員在設計解決方案的硬件和軟件時(shí)，必須保證系統能夠滿(mǎn)足汽車(chē)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(wú)刷直流電機沒(méi)有電刷觸點(diǎn)，需要使用電機位置傳感器(MPS)來(lái)測量定子與轉子之間的相對位置，以確保定子線(xiàn)圈按正確順序通電。電機位置傳感器在啟動(dòng)時(shí)至關(guān)重要，因為此時(shí)微控制器沒(méi)有可用的反電動(dòng)勢來(lái)確定轉子和定子的相對位置。
傳統上，阻塞換相（見(jiàn)圖1a）由三個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)組成，用于指示無(wú)刷直流電機中轉子的位置。由于人們要求提高BLDC電機驅動(dòng)器（包括EPS系統）的性能，尤其是降低其噪聲、振動(dòng)和不平順性(NVH)，以及提高其運行效率，所以阻塞換相逐步被正弦換相控制取代�；魻栭_(kāi)關(guān)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(jiàn)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。
安全關(guān)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(guān)的系統故障可能造成的危害，之后被2018年版取代。
必須對系統實(shí)施安全和風(fēng)險分析，以確定系統的ASIL等級。ASIL等級是通過(guò)審查系統在運行期間潛在危險的嚴重程度、暴露程度和可控性來(lái)確定的（見(jiàn)圖2）。
圖2. ISO 26262 ASIL評級矩陣。
例如，如果我們對EPS系統實(shí)施風(fēng)險和危害分析，可能會(huì )得出以下結論：基于這些事件（例如轉向卡滯和自動(dòng)轉向等）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(dòng)系統，可以采用同樣的邏輯確定不可控事件的嚴重程度，如制動(dòng)卡滯或自動(dòng)制動(dòng)。
根據EPS或制動(dòng)系統示例，ASIL D系統的評級可以通過(guò)分解子系統來(lái)實(shí)現，如圖3a、圖3b和圖3c所示。
圖3. 針對ASIL D系統的ASIL分解方案。
并不要求每個(gè)系統組件都按照ASIL D標準和流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以使ASIL D系統合規；但是，在進(jìn)行系統級別的審核時(shí)，要求整個(gè)系統必須滿(mǎn)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的組成部分。
系統分解還應該確保充分的獨立性，并考慮到依賴(lài)或共因故障的可能性。
EPS系統拓撲
典型的EPS系統拓撲結構如圖4所示。EPS ECU根據駕駛員施加到方向盤(pán)上的轉向扭矩、方向盤(pán)的位置和車(chē)輛的速度來(lái)計算所需的輔助功率。EPS電機通過(guò)施加力來(lái)轉動(dòng)方向盤(pán)，減少駕駛員操縱方向盤(pán)所需的扭矩。
圖4. 典型的EPS拓撲。
電機軸位置(MSP)角結合相電流測量信息，用于對EPS電機驅動(dòng)器實(shí)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(chē)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(wú)人駕駛汽車(chē)中的電機執行器施加到方向盤(pán)上的扭矩。然后，微控制器使用MSP數 據和相電流數據來(lái)控制提供給電機（提供所需的輔助）的電流負載。
圖5. 典型的EPS電機控制環(huán)路。
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故障，例如轉向鎖止或自動(dòng)轉向，因此MPS是EPS系統中的關(guān)鍵組件。所以，重要的是，系統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(shí)能夠確保繼續正常運行，確保不會(huì )發(fā)生嚴重的系統故障，或者在出錯時(shí)，系統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(gè)電機相位中的兩個(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層面改善EPS電機的控制性能，實(shí)現非常高效、安靜、平穩的轉向，從而改善整個(gè)駕駛體驗，因此它是系統中的關(guān)鍵組件。
EPS電機控制的功能安全
在EPS或其他安全性關(guān)鍵電機控制應用中，我們可以采用不同的方法來(lái)實(shí)現ASIL D合規性。以下示例說(shuō)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中，提供所需的性能等級和冗余，從系統級別實(shí)現ISO 26262 ASIL D合規性。
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)傳感器對雙AMR傳感器進(jìn)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(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，以驗證當與其他系統輸入組合時(shí)，其中一個(gè)傳感器通道是否出現故障。
- 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。
- 在電機極數為奇數的情況下，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由雙AMR傳感器的兩個(gè)通道提供。額外的系統診斷，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(dòng)態(tài)狀態(tài)（反電動(dòng)勢）間接推斷得出。
圖6. 適用于安全性至關(guān)重要的應用的電機位置和相電流檢測結構示例
如果我們查看這個(gè)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(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)的故障原因導致同時(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位置檢測信息和電流傳感器在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下提供 的反電動(dòng)勢信息進(jìn)行交叉比對，以確保系統的基本功能繼續正常運行。
這種系統級別的診斷功能將確保不會(huì )發(fā)生嚴重的故障模式，并且保證系統實(shí)現ISO 26262 ASIL D合規性。之后，可以安全關(guān)閉系統的電源，或者轉入跛行回家模式，以返回經(jīng)銷(xiāo)商處進(jìn)行維修。
總結
隨著(zhù)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，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(mǎn)足提高性能，實(shí)現更順暢、更高效的電機控制的要求，還提 供了在EPS或制動(dòng)系統等安全性至關(guān)重要的應用中實(shí)現高ASIL要求所需的冗余。
ADI提供的ADA4571-2 雙AMR傳感器專(zhuān)為需要冗余和獨立檢測通道 的這類(lèi)安全性至關(guān)重要的應用而設計。它是一款雙通道AMR傳感器，集成了信號調理放大器和ADC驅動(dòng)器。該產(chǎn)品包括兩個(gè)AMR (Sensitec AA745)傳感器和兩個(gè)放大器信號調理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，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矩波動(dòng)和可聽(tīng)到的噪聲，幫助實(shí)現順暢、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(méi)有 磁場(chǎng)窗口上限，而且傳感器在高磁場(chǎng)條件下運行，因此解決方案能夠經(jīng)受?chē)揽镰h(huán)境下的雜散磁場(chǎng)。
ADI提供的 AD8410 電流檢測放大器能夠在EPS和其他BLDC電機控制 系統中的分流電阻上進(jìn)行雙向電流測量。這是一個(gè)高電壓、高分辨率和高帶寬的分流放大器，用于在嚴苛環(huán)境下提供所需的準確測量，在安全性至關(guān)重要的應用中提供診斷，幫助減少轉矩波動(dòng)和可聽(tīng)到的噪聲，實(shí)現順暢、高效的BLDC電機控制（例如EPS或制動(dòng)），并改善整個(gè)駕駛體驗。
