摘要

　　本文就我們在朝著半自動駕駛和全自動駕駛發(fā)展期間出現(xiàn)的汽車電氣化趨勢，尤其是，為了讓電子轉(zhuǎn)向助力(EPS)和電子制動系統(tǒng)滿足必要的安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保無人駕駛汽車的安全性和可靠控制時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放大器產(chǎn)品，它們可使EPS和電子制動系統(tǒng)中使用的無刷電機實現(xiàn)高性能換相和安全運行。

　　簡介

　　近年來，因為人們更加重視提高車輛安全，所以主動駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)不斷得到發(fā)展和推廣，它是對依賴安全氣囊來保護駕駛員和乘客安全的傳統(tǒng)被動系統(tǒng)的一種補充。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，從長期而言，則是替代駕駛員做出決策。這些技術(shù)進步也引領(lǐng)著汽車朝向半自動和全自動駕駛轉(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)進行車輛轉(zhuǎn)向和制動操作，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。這一趨勢推動我們開始開發(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)。這是一項基于風(fēng)險的安全標(biāo)準(zhǔn)，對危險操作情況的風(fēng)險進行定性評估，并在組件和系統(tǒng)設(shè)計中融入安全措施，以避免或管控系統(tǒng)故障，以及檢測或控制隨機出現(xiàn)的硬件故障或減輕其影響。這些執(zhí)行器系統(tǒng)通常使用無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動，由于這些系統(tǒng)對安全性至關(guān)重要，設(shè)計人員在設(shè)計解決方案的硬件和軟件時，必須保證系統(tǒng)能夠滿足汽車安全完整性等級(ASIL) D級的高標(biāo)準(zhǔn)。

　　BLDC電機換相和控制

　　顧名思義，無刷直流電機沒有電刷觸點，需要使用電機位置傳感器(MPS)來測量定子與轉(zhuǎn)子之間的相對位置，以確保定子線圈按正確順序通電。電機位置傳感器在啟動時至關(guān)重要，因為此時微控制器沒有可用的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子和定子的相對位置。

　　傳統(tǒng)上，阻塞換相（見圖1a）由三個霍爾開關(guān)組成，用于指示無刷直流電機中轉(zhuǎn)子的位置。由于人們要求提高BLDC電機驅(qū)動器（包括EPS系統(tǒng)）的性能，尤其是降低其噪聲、振動和不平順性(NVH)，以及提高其運行效率，所以阻塞換相逐步被正弦換相控制取代。霍爾開關(guān)則可由安裝在電機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則被集成到電機外殼中，并且安裝在電機軸的末端。

　　圖1.(a) BLDC阻塞換相控制和(b) BLDC正弦換相控制。

　　圖2.ISO 26262 ASIL評級矩陣。

　　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。

　　必須對系統(tǒng)實施安全和風(fēng)險分析，以確定系統(tǒng)的ASIL等級。ASIL等級是通過審查系統(tǒng)在運行期間潛在危險的嚴(yán)重程度、暴露程度和可控性來確定的（見圖2）。

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

　　根據(jù)EPS或制動系統(tǒng)示例，ASIL D系統(tǒng)的評級可以通過分解子系統(tǒng)來實現(xiàn)，如圖3a、圖3b和圖3c所示。

　　圖3.針對ASIL D系統(tǒng)的ASIL分解方案。

　　并不要求每個系統(tǒng)組件都按照ASIL D標(biāo)準(zhǔn)和流程進行開發(fā)，以使ASIL D系統(tǒng)合規(guī)；但是，在進行系統(tǒng)級別的審核時，要求整個系統(tǒng)必須滿足要求，并且可以集成QM、ASIL A、B、C、D級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計算所需的輔助功率。EPS電機通過施加力來轉(zhuǎn)動方向盤，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>

　　電機軸位置(MSP)角結(jié)合相電流測量信息，用于對EPS電機驅(qū)動器實施換相和控制?；镜牡湫虴PS電機控制環(huán)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(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)來控制提供給電機（提供所需的輔助）的電流負(fù)載。

　　圖5.典型的EPS電機控制環(huán)路。

　　EPS電機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傳感器出錯或發(fā)生故障時能夠確保繼續(xù)正常運行，確保不會發(fā)生嚴(yán)重的系統(tǒng)故障，或者在出錯時，系統(tǒng)能以安全地方式停止運行。

　　電流檢測放大器通常用于間接測量電機負(fù)載，一般應(yīng)用于三個電機相位中的兩個相位，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)確的電機位置和相電流測量可以從系統(tǒng)層面改善EPS電機的控制性能，實現(xiàn)非常高效、安靜、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，從而改善整個駕駛體驗，因此它是系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

　　EPS電機控制的功能安全

　　在EPS或其他安全性關(guān)鍵電機控制應(yīng)用中，我們可以采用不同的方法來實現(xiàn)ASIL D合規(guī)性。以下示例說明：可以將雙重各向異性磁阻(AMR)電機位置傳感器和ADI的電流檢測放大器集成到這樣的系統(tǒng)中，提供所需的性能等級和冗余，從系統(tǒng)級別實現(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）的另一個傳感器對雙AMR傳感器進行了完善和補充。雙AMR傳感器用作主（高）傳感通道，第二個不同傳感器技術(shù)通道有三個用途：

　　  啟用“三選二”(2oo3)比較，以驗證當(dāng)與其他系統(tǒng)輸入組合時，其中一個傳感器通道是否出現(xiàn)故障。

　　  在發(fā)生可能性極低的兩個AMR通道都出故障情況下，提供位置反饋。

　　  在電機極數(shù)為奇數(shù)的情況下，為微控制器提供360象限信息，用于電機換相。

　　準(zhǔn)確的角度測量將繼續(xù)由雙AMR傳感器的兩個通道提供。額外的系統(tǒng)診斷，例如電機負(fù)載和軸的位置，可以從準(zhǔn)確相位電流檢測放大器的動態(tài)狀態(tài)（反電動勢）間接推斷得出。