本文將深入探討汽車電氣化的趨勢，隨著我們向部分和完全自動駕駛邁進，特別是使電動助力轉向（EPS）和電動制動系統符合必要的安全標準以確保無人駕駛車輛安全可靠控制所需的變化。

ADI公司（ADI）是磁阻（MR）位置傳感器產品和基于分流器的電流檢測放大器產品的供應商，可為EPS和電氣制動系統中使用的無刷電機提供高性能換向和安全運行。

介紹

近年來，人們越來越重視提高車輛安全性，這導致了主動高級駕駛輔助系統（ADAS）的可喜進步和引入，以補充依賴安全氣囊展開以確保駕駛員和乘客安全的傳統被動系統。這些新興系統旨在最初幫助（但長期取代）駕駛員在安全危急情況下的車輛機動決策。這些技術進步也引領著向半自動駕駛和全自動駕駛的過渡。用電子控制單元（ECU）取代駕駛員的決策，用執行器取代車輛的轉向和制動操縱，正在將責任從駕駛員轉移到傳感器、ECU和電動執行器。這一趨勢正在導致開發更可靠、更智能、更高性能和冗余的電動執行器解決方案，這些解決方案需要符合 ISO 26262 功能安全標準。這是一個基于風險的安全標準，其中對危險操作情況的風險進行定性評估，并在組件和系統中設計安全措施，以避免或控制系統故障，并檢測或控制隨機硬件故障或減輕其影響。這些執行器系統通常使用無刷直流 （BLDC） 電機驅動器，由于這些系統對安全至關重要，設計人員必須設計解決方案硬件和軟件，使系統符合最高的汽車安全完整性等級 （ASIL） D。

無刷直流電機換向和控制

顧名思義，無刷直流電機沒有電刷觸點，需要電機位置傳感器（MPS）來測量定子和轉子之間的相對位置，以確保定子線圈正確的通電順序。當沒有反電動勢可用且微控制器無法確定相對轉子和定子位置時，這一點在啟動時尤其重要。

傳統上，由三個霍爾開關組成的塊換向（見圖 1a）用于指示 BLDC 電機中的轉子位置。提高性能，特別是降低噪聲、振動和聲振粗糙度 （NVH） 以及提高 BLDC 電機驅動器（包括 EPS 系統）運行效率的需求正在導致從塊換向轉向正弦換向控制。霍爾開關可以用位于安裝在電機軸末端的雙極磁鐵前面的 MR 角度傳感器代替（參見圖 1b）。通常，MPS 安裝在 ECU 組件上，ECU 集成到電機外殼中并定位在電機軸的末端。

圖1.（a） BLDC 塊換向控制和 （b） BLDC 正弦換向控制。

安全關鍵應用的功能安全（示例 EPS）

ISO 26262于2011年推出，作為解決電氣安全相關系統故障可能造成的危險的安全標準，隨后被2018年版取代。

必須對系統進行安全和風險分析，以確定系統的ASIL。ASIL等級是通過審查系統在運行過程中的嚴重性、暴露和可控性方面的潛在危險來確定的（見圖2）。

圖2.ISO 26262 ASIL 評級矩陣。

例如，如果我們對EPS系統進行風險和危害分析，則可以得出結論，由于ASIL D類別的嚴重性，可控性和暴露性，諸如轉向阻塞和自動轉向之類的嚴重事件落在ASIL D類別中。同樣，對于即將推出的電氣制動系統，相同的邏輯也適用于制動阻塞或自制動等不可控事件的嚴重程度。

繼EPS或制動系統示例之后，ASIL D系統評級可以通過子系統分解來實現，如下圖3a、圖3b和圖3c所示。

圖3.ASIL D 系統的 ASIL 分解方案。

不需要按照ASIL D標準和流程開發每個系統組件，以實現ASIL D系統合規性;但是，從系統級別來看，整個系統必須滿足要求，并且可以將 QM、ASIL A、B、C 或 D 級子組件作為系統的一部分。

系統分解還應確保足夠的獨立性，并考慮到相關或常見原因故障的可能性。

EPS 系統拓撲

典型的EPS系統拓撲如圖4所示。EPS ECU根據駕駛員施加到方向盤上的轉向扭矩、方向盤位置和車輛速度計算所需的輔助功率。EPS電機通過施加的力旋轉舵機，從而降低駕駛員操縱方向盤所需的扭矩。

圖4.典型的 EPS 拓撲。

電機軸位置（MSP）角度與相電流測量信息相結合，用于EPS電機驅動器的換向和控制。基本的典型EPS電機控制回路如圖5所示。所需的扭矩輔助水平因駕駛條件而異，由輪速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行器施加到方向盤上的扭矩。然后，微控制器將MSP數據與相電流數據結合使用，以控制提供給電機的電流負載，以提供所需的幫助。

圖5.典型的EPS電機控制回路。

EPS 電機位置和相電流傳感器

MPS 傳感器故障或故障可能會導致或導致嚴重的系統故障，例如轉向鎖或自動轉向，因此 MPS 是 EPS 系統中的關鍵組件。因此，系統必須具有全面的傳感器故障診斷覆蓋范圍和內置冗余，以確保在發生MPS傳感器錯誤或故障時繼續運行，并確保不會發生嚴重的系統故障，或者在發生錯誤時，系統以安全的方式發生故障。

電流檢測放大器通常用于電機負載的間接精密測量，通常應用于三個電機相位中的兩個，從而提供額外的診斷信息，可用作整個系統安全案例的一部分。

此外，高精度電機位置和相電流測量可以提高EPS電機控制性能，從而在系統級別上產生非常高效、安靜和平穩的轉向感覺，改善整體駕駛員體驗，因此是系統中的關鍵組件。

EPS 電機控制中的功能安全

可以采用不同的方法在EPS或其他安全關鍵型電機控制應用中實現ASIL D合規性。以下示例說明雙通道各向異性磁阻（AMR）電機位置傳感器與ADI公司的電流檢測放大器相結合，可以集成到此類系統中，并提供在系統級實現ISO 26262 ASIL D合規性所需的性能和冗余水平。

在圖 6 中概述的框圖中，雙 AMR 傳感器與基于替代技術（例如霍爾、GMR 或 TMR）的附加傳感器相輔相成。雙AMR傳感器用作主要（高精度）傳感通道，輔助備用傳感器技術通道用于三個目的：

啟用 2/3 （2oo3） 比較，以驗證與其他系統輸入結合使用時其中一個傳感器通道是否存在故障。

在兩個 AMR 通道發生故障時提供位置反饋。

在電機極數不均勻的情況下，向電機換向所需的微控制器提供 360° 象限信息。

精密角度測量將繼續由雙AMR傳感器的兩個通道提供。電機負載和軸位置等其他系統診斷可以從精確的相電流檢測放大器間接推斷為動態狀態（反電動勢）。

圖6.用于安全關鍵應用的電機位置和相電流檢測架構示例。

如果我們查看此傳感器架構示例中所有可能的傳感器故障模式，則始終應有兩個位置傳感器輸入可用于合理性檢查。即使在兩個AMR通道由于常見原因故障而同時發生故障的不太可能和極端的情況下，仍然可以使用來自輔助傳感器通道的降級位置檢測信息，并將其與來自動態狀態下電流傳感器的反電動勢信息進行交叉檢查，并確保持續的基本系統功能。

然后，這種系統級診斷功能將確保不會發生嚴重故障模式，并且系統符合ISO 26262 ASIL D標準。然后可以安全地關閉系統電源，或移至跛行回家模式，并返回經銷商進行維修。

總結

為提高汽車安全性而引入ADAS，加上全自動駕駛汽車和半自動駕駛汽車的出現，推動了對符合ISO 26262功能安全標準的更可靠、智能、更高性能和冗余的電動執行器解決方案的需求。ADI公司的電機軸位置和相電流檢測產品不僅可以滿足平滑高效電機控制的改進性能要求，還可以提供滿足EPS或制動系統等安全關鍵型應用中高ASIL要求所需的冗余。

ADI公司的ADA4571-2雙通道AMR傳感器專為需要冗余和獨立檢測通道的安全關鍵型應用而設計。這是一款集成信號調理放大器和ADC驅動器的2通道AMR傳感器。該產品集成了兩個AMR（Sensitec AA745）傳感器和兩個放大器信號調理ASIC。該傳感器提供非常低的角度誤差信號，通常在0.1°范圍內，遲滯可以忽略不計，帶寬高，延遲低，線性度良好。這些屬性可以減少轉矩脈動和可聽噪聲，從而實現 BLDC 電機的平穩高效控制。此外，AMR傳感器在飽和>30 mT下工作，因此沒有磁窗上限限制，并且在高磁場下操作傳感器使該解決方案對惡劣環境中存在的雜散磁場非常可靠。

ADI公司的電流檢測放大器AD8410在EPS和其他BLDC電機控制系統中通過分流電阻執行雙向電流測量。這是一款高電壓、高分辨率和高帶寬分流放大器，設計用于在惡劣環境中工作，在這些環境中需要精確測量以在安全關鍵應用中提供所需的診斷，并能夠減少轉矩紋波和可聽噪聲，從而平穩有效地控制 BLDC 電機，例如 EPS 或制動， 并改善整體駕駛員體驗。

審核編輯：郭婷