【技術文章】適用於安全關鍵應用的雙AMR馬達位置感測器

摘要

本文根據目前朝向半自動駕駛和全自動駕駛發展中的汽車電氣化趨勢 --尤其是為了讓電子轉向助力(EPS)和電子制動系統滿足必要的安全標準，以確保無人車的安全性和可靠控制時所需作出的改變提出了相關的見解。

ADI 提供磁阻(MR)位置感測器產品和基於分流器的電流感測放大器產品，它們可使EPS和電子制動系統中使用的無刷馬達實現高性能換相和安全運行。

簡介

近年來，隨著人們對於車輛安全性的要求越來越高，先進駕駛輔助系統(ADAS)也相應獲得了更進一步的發展及推廣，它是對依賴安全氣囊來保護駕駛者和乘客安全之傳統被動系統的一種補充。這些新出現的系統，最初是為了輔助駕駛者在安全危急情況下做出正確的決策，長期而言，則是能替代駕駛者做出決策。這些技術的進步，也引領著汽車朝向半自動和全自動駕駛轉變。讓電子控制單元(ECU)代替駕駛者做出決策，以及讓執行器負責進行車輛轉向和制動操作，都是在將駕駛車輛的任務移交給感測器、ECU和電力傳動裝置。這一個趨勢推動著廠商開發更可靠、更智慧、性能更高的冗餘電力傳動裝置解決方案，而這些解決方案都需要符合ISO 26262功能安全標準。這是一項基於風險的安全標準，其需對危險操作情況的風險進行定性評估，並在元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體故障或減輕其影響。這些執行器系統通常使用無刷直流(BLDC)馬達驅動，由於這些系統對安全性相當重要，因此設計人員在設計解決方案的硬體和軟體時，必須保證系統能夠滿足汽車安全完整性等級(ASIL) D級之高標準。

BLDC馬達換相和控制

顧名思義，無刷直流馬達沒有電刷觸點，因此需要使用馬達位置感測器(MPS)來測量定子與轉子之間的相對位置，以確保定子線圈按正確順序通電。馬達位置感測器在啟動時扮演著相當重要的角色，因為此時微控制器沒有可用的反電動勢來確定轉子和定子的相對位置。

傳統上，阻塞換相（見圖1a）由三個霍爾開關組成，其用於指示無刷直流馬達中轉子的位置。由於人們要求提高BLDC馬達驅動器（包括EPS系統）的性能--尤其是降低其雜訊、振動和不平順性(NVH)，以及提高其運行效率，因此阻塞換相逐步被正弦換相控制所取代。霍爾開關則可由安裝在馬達軸末端的雙極磁鐵前面的MR角度感測器代替（見圖1b）。在典型的應用中，MPS也被安裝在ECU總成上，而ECU則被整合到馬達外殼中，並且安裝在馬達軸的末端。

圖1.(a) BLDC阻塞換相控制和(b) BLDC正弦換相控制。

安全關鍵應用的功能安全（示例EPS）

ISO 26262於2011年導入，其作為一種安全標準，以解決與電氣安全相關系統故障可能造成的危害，之後由2018年版所取代。

對系統建置安全和風險分析，以確定系統的ASIL等級是必須的。而ASIL等級則是透過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確定的（見圖2）。

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上的轉向扭矩、方向盤的位置和車輛的速度來計算所需的輔助功率。EPS馬達透過施加力來轉動方向盤，以減少駕駛者操縱方向盤所需的扭矩。

馬達軸位置(MSP)角結合相位電流測量資訊，用於對EPS馬達驅動器進行換相和控制。基本的典型EPS馬達控制迴路如圖5所示。所需的扭矩輔助等級因駕駛條件而異，由車輪速度感測器和扭矩感測器決定，扭矩感測器測量駕駛員或無人駕駛汽車中的馬達執行器施加到方向盤上的扭矩。之後，微控制器使用MSP資料和相位電流資料來控制提供給馬達（提供所需的輔助）的電流負載。

EPS馬達位置和相位電流感測器

MPS感測器故障可能導致或加重系統故障，例如轉向鎖止或自動轉向，因此MPS是EPS系統中的關鍵元件。所以，重要的是，系統要能夠綜合全面地診斷感測器故障和冗餘，以確保在MPS感測器出錯或發生故障時能夠確保繼續正常運行，確保不會發生嚴重的系統故障，或者在出錯時，系統能以安全地方式停止運行。

電流感測放大器通常用於間接精確測量馬達負載，一般應用於三個馬達相位中的兩個相位，提供額外的診斷資訊（可以作為整體系統安全保障措施的一部分）。

此外，高度準確的馬達位置和相位電流測量可以從系統層面改善EPS馬達的控制性能，實現非常高效、安靜、平穩的轉向，進而提升駕駛體驗，因此它是系統中的關鍵元件。

EPS馬達控制的功能安全

如果我們查看這個感測器架構示例中所有可能的感測器故障模式，可以看出，應該始終有兩個位置感測器輸入可用於進行可靠性檢查。即使在兩個AMR通道都由於常見的故障原因導致同時故障這種極不可能的極端示例中，仍然可以使用來自輔助感測器通道的降級位置感測資訊和電流感測器在動態狀態下提供之反電動勢資訊來進行交叉比對，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發生嚴重的故障模式，並且保證系統實現ISO 26262 ASIL D合規性。之後，便可以安全地關閉系統的電源，或者轉入跛行回家模式(limp home mode)，以返回經銷商處進行維修。

總結

隨著用於提高汽車安全性的ADAS推出，以及全自動和半自動駕駛車輛的出現，人們開始要求更可靠、更智慧、性能更高的冗餘電力傳動裝置解決方案，且要求該方案需符合ISO 26262功能安全標準。ADI提供的馬達軸位置和相位電流感查產品，不僅能滿足提高性能，實現更順暢、更高效的馬達控制的要求，同時還提供了在EPS或制動系統等安全性至關重要的應用中，能夠實現高ASIL要求所需之冗餘。

ADI提供的 ADA4571-2 雙AMR感測器專為需要冗餘和獨立感測通道等安全性至關重要的應用而設計。其為一雙通道AMR感測器，整合了訊號處理放大器和ADC驅動器。該產品包括兩個AMR(Sensitec AA745)感測器和兩個放大器訊號處理ASIC。該感測器提供非常低的角度誤差訊號，通常在0.1度範圍內，具備可忽略的遲滯、高頻寬、低延遲和良好的線性度。這些特性能夠協助減少轉矩波動和可聽見的雜訊，幫助實現順暢、高效的BLDC馬達控制。此外，AMR感測器可在飽和>30 mT條件下工作，並沒有磁場視窗上限，而且感測器能在高磁場條件下運行，因此解決方案能承受嚴苛環境下之雜散磁場。

ADI提供的 AD8410 電流感測放大器能夠在EPS和其他BLDC馬達控制系統中的分流電阻上進行雙向電流測量。這是一個高電壓、高解析度和高頻寬的分流放大器，用於在嚴苛環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，幫助減少轉矩波動和可聽到的雜訊，實現順暢、高效的BLDC馬達控制（例如EPS或制動），並改善整個駕駛體驗。

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