摘要

本文就我們?cè)诔?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/自動(dòng)駕駛" target="_blank">自動(dòng)駕駛和全自動(dòng)駕駛發(fā)展期間出現(xiàn)的汽車(chē)電氣化趨勢(shì),，尤其是,，為了讓電子轉(zhuǎn)向助力(EPS)和電子制動(dòng)系統(tǒng)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(cè)放大器產(chǎn)品,，它們可使 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,。

簡(jiǎn)介

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,。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,，將駕駛車(chē)輛的任務(wù)移交給傳感器,、ECU 和電子執(zhí)行器,。這一趨勢(shì)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(zhí)行器解決方案,，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),。

BLDC 電機(jī)換相和控制

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（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(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?；魻栭_(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（見(jiàn)圖 1b）,。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,。

圖 1.(a) BLDC 阻塞換相控制和(b) BLDC 正弦換相控制。

圖 2.ISO 26262 ASIL 評(píng)級(jí)矩陣,。

安全關(guān)鍵應(yīng)用的功能安全（示例 EPS）

ISO 26262 于 2011 年引入,，作為一種安全標(biāo)準(zhǔn)，用于解決與電氣安全相關(guān)的系統(tǒng)故障可能造成的危害,，之后被 2018 年版取代,。

必須對(duì)系統(tǒng)實(shí)施安全和風(fēng)險(xiǎn)分析，以確定系統(tǒng)的 ASIL 等級(jí)。ASIL 等級(jí)是通過(guò)審查系統(tǒng)在運(yùn)行期間潛在危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度,、暴露程度和可控性來(lái)確定的（見(jiàn)圖 2）,。

例如，如果我們對(duì) EPS 系統(tǒng)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)和危害分析,，可能會(huì)得出以下結(jié)論：基于這些事件（例如轉(zhuǎn)向卡滯和自動(dòng)轉(zhuǎn)向等）的嚴(yán)重程度,、可控性和暴露性，將這些嚴(yán)重事件評(píng)定為 ASIL D 等級(jí),。同樣,，對(duì)于即將推出的電子制動(dòng)系統(tǒng)，可以采用同樣的邏輯確定不可控事件的嚴(yán)重程度,，如制動(dòng)卡滯或自動(dòng)制動(dòng),。

根據(jù) EPS 或制動(dòng)系統(tǒng)示例，ASIL D 系統(tǒng)的評(píng)級(jí)可以通過(guò)分解子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),，如圖 3a,、圖 3b 和圖 3c 所示。

圖 3. 針對(duì) ASIL D 系統(tǒng)的 ASIL 分解方案,。

并不要求每個(gè)系統(tǒng)組件都按照 ASIL D 標(biāo)準(zhǔn)和流程進(jìn)行開(kāi)發(fā),，以使 ASIL D 系統(tǒng)合規(guī)；但是,，在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的審核時(shí),，要求整個(gè)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足要求，并且可以集成 QM,、ASIL A,、B、C,、D 級(jí)別的子組件作為系統(tǒng)的組成部分,。

系統(tǒng)分解還應(yīng)該確保充分的獨(dú)立性，并考慮到依賴(lài)或共因故障的可能性,。

EPS 系統(tǒng)拓?fù)?/strong>

典型的 EPS 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 4 所示,。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。

圖 4. 典型的 EPS 拓?fù)洹?/p>

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,。基本的典型 EPS 電機(jī)控制環(huán)路如圖 5 所示,。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,。

圖 5. 典型的 EPS 電機(jī)控制環(huán)路。

EPS 電機(jī)位置和相電流傳感器

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。

EPS 電機(jī)控制的功能安全

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,。以下示例說(shuō)明：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(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：

·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。

·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(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,。

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,，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,。

圖 6. 適用于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用的電機(jī)位置和相電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)示例。

如果我們查看這個(gè)傳感器架構(gòu)示例中所有可能的傳感器故障模式,，可以看出,，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)自輔助傳感器通道的降級(jí)位置檢測(cè)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(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。

這種系統(tǒng)級(jí)別的診斷功能將確保不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的故障模式,，并且保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) ISO 26262 ASIL D 合規(guī)性,。之后，可以安全關(guān)閉系統(tǒng)的電源,，或者轉(zhuǎn)入跛行回家模式,，以返回經(jīng)銷(xiāo)商處進(jìn)行維修。

總結(jié)

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 提供的 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),。

 ADI 提供的 AD8410 電流檢測(cè)放大器能夠在 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),。

參考資料

ISO 26262-1:2018。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織,，2018年12月,。

Isshi Koyata?！癑ARI活動(dòng)中,，解決EPS系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行故障的方法?！比毡酒?chē)研究所(JARI),，2019年,。

作者簡(jiǎn)介

Enda Nicholl是ADI公司位于愛(ài)爾蘭利默里克的ERDC（歐洲研發(fā)中心）汽車(chē)電氣化部的戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理,。Enda擁有中等教育證書(shū)、英國(guó)高等教育文憑,、阿爾伯塔大學(xué)機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位,，擁有25年的汽車(chē)傳感器工作經(jīng)驗(yàn)，從事應(yīng)用工程,、戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)工作,。在此期間，他在ADI公司的汽車(chē)業(yè)務(wù)部工作13年之久,。