双AMR电机位置传感器,适用于安全性至关重要的应用

作者:Enda Nicholl

本文就咱们在朝着半主动驾驭和全主动驾驭开展期间呈现的轿车电气化趋势,尤其是,为了让电子转向助力和电子制动体系满意必要的安全规范,以确保无人驾驭轿车的安全性和牢靠操控时需求作出的改动供给一些见地。

ADI公司供给磁阻方位传感器产品和依据分流器的电流检测放大器产品,它们可使EPS和电子制动体系中运用的无刷电机完成高功用换相和安全运转。

近年来,因为人们愈加注重进步车辆安全,所以主动高档驾驭员辅佐体系不断得到开展和推行,它是对依靠安全气囊来维护驾驭员和乘客安全的传统被迫体系的一种弥补。这些新呈现的体系开端是为了协助驾驭员在安全危殆状况下做出正确决议计划,从长时间而言,则是替代驾驭员做出决议计划。这些技能进步 也引领着轿车朝向半主动和全主动驾驭改变。让电子操控单元替代驾驭员做出决议计划,让执行器担任进行车辆转向和制动操作,如此,将驾驭车辆的使命移交给传感器、ECU和电子执行器。这一趋势推进咱们开端开发更牢靠、更智能、功用更高的冗余电子执行器处理计划,这些处理计划需求契合ISO 26262功用安全规范。这是一项依据危险的安全规范,对危险操作状况的危险进行定性评价,并在组件和体系规划中融入安全措施,以防止或管控体系毛病,以及检测或操控随机呈现的硬件毛病或减轻其影响。这些执行器体系一般运用无刷直流电机驱动,因为这些体系对安全性至关重要,规划人员在规划处理计划的硬件和软件时,有必要确保体系可以满意轿车安全完整性等级 D级的高规范。

望文生义,无刷直流电机没有电刷触点,需求运用电机方位传感器来丈量定子与转子之间的相对方位,以确保定子线圈按正确次序通电。电机方位传感器在启动时至关重要,因为此刻微操控器没有可用的反电动势来确认转子和定子的相对方位。

传统上,堵塞换相由三个霍尔开关组成,用于指示无刷直流电机中转子的方位。因为人们要求进步BLDC电机驱动器的功用,尤其是下降其噪声、振荡和不平顺性,以及进步其运转功率,所以堵塞换相逐渐被正弦换相操控替代。霍尔开关则可由安装在电机轴结尾的双极磁铁前面 的MR视点传感器替代。在典型的运用中MPS也被安装在ECU总成上,ECU则被集成到电机外壳中,并且安装在电机轴的结尾。

图1. BLDC堵塞换相操控和 BLDC正弦换相操控。

ISO 26262于2011年引进,作为一种安全规范,用于处理与电气安全相关的体系毛病或许形成的损害,之后被2018年版替代。

有必要对体系施行安全和危险剖析,以确认体系的ASIL等级。ASIL等级是经过查看体系在运转期间潜在危险的严峻程度、露出程度和可控性来确认的。

图2. ISO 26262 ASIL评级矩阵。

例如,假如咱们对EPS体系施行危险和损害剖析,或许会得出以下定论:依据这些事情的严峻程度、可控性和露出性,将这些严峻事情评定为ASIL D等级。相同,关于行将推出的电子制动体系,可以选用相同的逻辑确认不可控事情的严峻程度,如制动卡滞或主动制动。

依据EPS或制动体系示例,ASIL D体系的评级可以经过分化子体系来完成,如图3a、图3b和图3c所示。

图3. 针对ASIL D体系的ASIL分化计划。

并不要求每个体系组件都依照ASIL D规范和流程进行开发,以使ASIL D体系合规;可是,在进行体系等级的审阅时,要求整个体系有必要满意要求,并且可以集成QM、ASIL A、B、C、D等级的子组件作为体系的组成部分。

体系分化还应该确保充沛的独立性,并考虑到依靠或共因毛病的或许性。

典型的EPS体系拓扑结构如图4所示。EPS ECU依据驾驭员施加到方向盘上的转向扭矩、方向盘的方位和车辆的速度来核算所需的辅佐功率。EPS电机经过施加力来滚动方向盘,削减驾驭员操作方向盘所需的扭矩。

图4. 典型的EPS拓扑。

电机轴方位角结合相电流丈量信息,用于对EPS电机驱动器施行换相和操控。根本的典型EPS电机操控环路如图5所示。所需的扭矩辅佐等级因驾驭条件而异,由车轮速度传感器和扭矩传感器决议,扭矩传感器丈量驾驭员或无人驾驭轿车中的电机执行器施加到方向盘上的扭矩。然后,微操控器运用MSP数 据和相电流数据来操控供给给电机的电流负载。

图5. 典型的EPS电机操控环路。

MPS传感器毛病或许导致或加剧体系毛病,例如转向锁止或主动转向,因而MPS是EPS体系中的要害组件。所以,重要的是,体系要可以归纳全面地确诊传感器毛病和冗余,以确保在MPS传感器犯错或发作毛病时可以确保持续正常运转,确保不会发作严峻的体系毛病,或许在犯错时,体系能以安全地办法中止 运转。

电流检测放大器一般用于直接精确丈量电机负载,一般运用于三个电机相位中的两个相位,供给额定的确诊信息。

此外,高度精确的电机方位和相电流丈量可以从体系层面改进EPS电机的操控功用,完成十分高效、安静、平稳的转向,然后改进整个驾驭体会,因而它是体系中的要害组件。

在EPS或其他安全性要害电机操控运用中,咱们可以选用不同的办法来完成ASIL D合规性。以下示例阐明:可以将两层各向异性磁阻电机方位传感器和ADI的电流检测放大器集成到这样的体系中,供给所需的功用等级和冗余,从体系等级完成ISO 26262 ASIL D合规性。

在图6所示的框图中,用依据不同技能的另一个传感器对双AMR传感器进行了完善和弥补。双AMR传感器用作主传感通道,第二个不同传感器技能通道有三个用处:

精确的视点丈量将持续由双AMR传感器的两个通道供给。额定的体系确诊,例如电机负载和轴的方位,可以从精确相位电流检测放大器的动态状况直接揣度得出。

图6. 适用于安全性至关重要的运用的电机方位和相电流检测结构示例

假如咱们查看这个传感器架构示例中所有或许的传感器毛病形式,可以看出,应该一直有两个方位传感器输入可用于进行牢靠性查看。即便在两个AMR通道都因为常见的毛病原因导致一起毛病这种极不或许的极点示例中,依然可以运用来自辅佐传感器通道的降级方位检测信息和电流传感器在动态状况下供给 的反电动势信息进行穿插比对,以确保体系的根本功用持续正常运转。

这种体系等级的确诊功用将确保不会发作严峻的毛病形式,并且确保体系完成ISO 26262 ASIL D合规性。之后,可以安全关闭体系的电源,或许转入跛行回家形式,以回来经销商处进行修理。

跟着用于进步轿车安全性的ADAS推出,以及全主动和半主动驾驭车辆的呈现,人们开端要求取得更牢靠、更智能、功用更高的冗余电子执行器处理计划,且要求该计划契合ISO 26262功用安全规范。ADI公司供给的电机轴方位和相电流查看产品不仅能满意进步功用,完成更顺利、更高效的电机操控的要求,还提 供了在EPS或制动体系等安全性至关重要的运用中完成高ASIL要求所需的冗余。

ADI供给的ADA4571-2 双AMR传感器专为需求冗余和独立检测通道 的这类安全性至关重要的运用而规划。它是一款双通道AMR传感器,集成了信号调度放大器和ADC驱动器。该产品包含两个AMR 传感器和两个放大器信号调度ASIC。该传感器供给十分低的视点差错信号,一般在0.1度范围内,具有可疏忽的迟滞、高带宽、低推迟和杰出的线性度。这些特功用够协助削减转矩动摇和可听到的噪声,协助完成顺利、高效的BLDC电机操控。此外,AMR传感器在饱满 30 mT条件下作业,没有 磁场窗口上限,并且传感器在高磁场条件下运转,因而处理计划可以饱尝苛刻环境下的杂散磁场。

ADI供给的 AD8410 电流检测放大器可以在EPS和其他BLDC电机操控 体系中的分流电阻上进行双向电流丈量。这是一个高电压、高分辨率和高带宽的分流放大器,用于在苛刻环境下供给所需的精确丈量,在安全性至关重要的运用中供给确诊,协助削减转矩动摇和可听到的噪声,完成顺利、高效的BLDC电机操控,并改进整个驾驭体会。

ISO 26262-1:2018。世界规范化安排,2018年12月。

Isshi Koyata。“JARI活动中,处理EPS体系未来运转毛病的办法。” 日本轿车研究所,2019年。

Enda Nicholl是ADI公司坐落爱尔兰利默里克的ERDC轿车电气化部的战略营销司理。Enda具有中等教育证书、英国高等教育文凭、阿尔伯塔大学机械工程学士学位,具有25年的轿车传感器作业经验,从事运用工程、战略营销和事务开发作业。在此期间,他在ADI公司的轿车事务部作业13年之久。