摘要

　　本文就我們?cè)诔胱詣?dòng)駕駛和全自動(dòng)駕駛發(fā)展期間出現(xiàn)的汽車電氣化趨勢(shì)，尤其是，為了讓電子轉(zhuǎn)向助力(EPS)和電子制動(dòng)系統(tǒng)滿足必要的安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保無(wú)人駕駛汽車的安全性和可靠控制時(shí)需要作出的改變提供一些見解。

　　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又匾曁岣哕囕v安全，所以主動(dòng)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)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)行車輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)操作，如此，將駕駛車輛的任務(wù)移交給傳感器、ECU和電子執(zhí)行器。這一趨勢(shì)推動(dòng)我們開始開發(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)能夠滿足汽車安全完整性等級(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（見圖1a）由三個(gè)霍爾開關(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_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，并考慮到依賴或共因故障的可能性。

　　EPS系統(tǒng)拓?fù)?/p>

　　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上的轉(zhuǎn)向扭矩、方向盤的位置和車輛的速度來(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，減少駕駛員操縱方向盤所需的扭矩。

　　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?；镜牡湫虴PS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)人駕駛汽車中的電機(jī)執(zhí)行器施加到方向盤上的扭矩。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）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。