当前，汽车产业正朝着半自动驾驶和全自动驾驶的方向迅猛发展，同时结合汽车电气化的大趋势，电子转向助力（EPS）和电子制动系统在汽车中的重要性日益凸显。为确保无人驾驶汽车的安全性和可靠控制，这些系统必须满足必要的安全标准。本文将深入介绍异性磁阻（AMR）位置传感器和基于的电流检测放大器，如何助力 EPS 和电子制动系统中使用的无刷电机实现高性能换相和安全运行，以及 ADI 公司所提供的相关创新解决方案。

汽车电子控制单元需满足 ASIL D 级的高标准

近年来，随着人们对车辆安全的重视程度不断提高，主动驾驶员辅助系统（ADAS）得到了广泛的发展和推广。它作为对传统依赖安全气囊保护驾驶员和乘客安全的被动系统的重要补充，初旨在帮助驾驶员在安全危急情况下做出正确决策，从长远来看，更是朝着替代驾驶员决策的方向发展，引领着汽车向半自动和全自动驾驶转变。

通过让电子控制单元（ECU）代替驾驶员做出决策，执行器负责车辆的转向和制动操作，驾驶任务逐渐交由传感器、ECU 和电子执行器承担。然而，由于涉及到人命安全，这些解决方案必须符合 ISO 26262 功能安全标准。这是一项基于风险的安全标准，它对危险操作情况的风险进行定性评估，并在组件和系统设计中融入安全措施，以避免或管控系统故障，检测或控制随机出现的硬件故障并减轻其影响。

这些执行器系统通常采用无刷直流（BLDC）电机驱动。鉴于这些系统对安全性的至关重要性，设计人员在设计解决方案的硬件和软件时，必须确保系统能够满足汽车安全完整性等级（ASIL）D 级的高标准。

电机位置传感器确保 BLDC 电机驱动的安全性

在汽车控制系统的执行器中，无刷直流（BLDC）电机被广泛应用。与传统有刷电机不同，无刷直流电机没有电刷，因此需要使用电机位置传感器（MPS）来测量定子与转子之间的相对位置，以确保定子按正确顺序通电。电机位置传感器在电机启动时尤为关键，因为此时微控制器没有可用的反电动势来确定转子和定子的相对位置。

传统上，阻塞换相由三个霍尔组成，用于指示无刷直流电机中转子的位置。但随着人们对 BLDC 电机驱动器（包括 EPS 系统）性能要求的不断提高，特别是降低噪声、振动和不平顺性（NVH）以及提高运行效率的需求，阻塞换相逐渐被正弦换相控制所取代。霍尔开关也可由安装在电机轴末端的双极磁铁前面的 MR 角度传感器代替。在典型应用中，MPS 通常安装在 ECU 总成上，而 ECU 则被集成到电机外壳中，并安装在电机轴的末端。

在典型的 EPS 系统拓扑结构中，EPS ECU 会根据驾驶员施加到方向盘上的转向扭矩、方向盘的位置和车辆的速度来计算所需的辅助功率。EPS 电机通过施加力来转动方向盘，从而减少驾驶员操纵方向盘所需的扭矩。

电机轴位置（MSP）角结合相电流测量信息，用于对 EPS 电机驱动器实施换相和控制。基本的典型 EPS 电机控制所需的扭矩辅助等级会因驾驶条件而异，由车轮速度传感器和扭矩传感器决定。扭矩传感器用于测量驾驶员或无人驾驶汽车中的电机执行器施加到方向盘上的扭矩。然后，微控制器使用 MSP 数据和相电流数据来控制提供给电机（以提供所需的辅助）的电流负载。

MPS 传感器故障可能导致或加重系统故障，例如转向锁止或自动转向，因此 MPS 是 EPS 系统中的关键组件。所以，系统必须具备全面诊断传感器故障和冗余的能力，以确保在 MPS 传感器出错或发生故障时能够继续正常运行，避免发生严重的系统故障，或者在出错时，系统能以安全的方式停止运行。

电流检测放大器通常用于间接测量电机负载，一般应用于三个电机相位中的两个相位，可提供额外的诊断信息，作为整体系统安全保障措施的一部分。

此外，高度准确的电机位置和相电流测量可以从系统层面改善 EPS 电机的控制性能，实现非常高效、安静、平稳的转向，从而提升整个驾驶体验，因此它是系统中的关键组件。

符合 ASIL D 的 EPS 电机控制功能的安全性

在 EPS 或其他安全性关键电机控制应用中，可以采用不同的方法来实现 ASIL D 合规性。例如，将双重各向异性磁阻（AMR）电机位置传感器和 ADI 的电流检测放大器集成到这样的系统中，能够提供所需的性能等级和冗余，从系统级别实现 ISO 26262 ASIL D 合规性。

在 EPS 电机控制中，可使用基于不同技术（例如霍尔、GMR 或 TMR）的另一个传感器对双 AMR 传感器进行完善和补充。双 AMR 传感器用作主（高精度）传感通道，第二个不同传感器技术通道有三个重要用途。首先，可启用 “三选二”（2oo3）比较，以验证当与其他系统输入组合时，其中一个传感器通道是否出现故障。其次，在发生可能性极低的两个 AMR 通道都出故障的情况下，提供位置反馈。，在电机极数为奇数的情况下，为微控制器提供 360?象限信息，用于电机换相。

其中准确的角度测量将继续由双 AMR 传感器的两个通道提供。额外的系统诊断，例如电机负载和轴的位置，则可以从准确相位电流检测放大器的动态状态（反电动势）间接推断得出。

在所有可能的传感器故障模式中，应该始终有两个位置传感器输入可用于进行可靠性检查。即使在两个 AMR 通道都由于常见的故障原因导致同时故障这种极不可能的极端情况下，仍然可以使用来自辅助传感器信道的降级位置检测信息，以及电流传感器在动态状态下提供的反电动势信息进行交叉比对，以确保系统的基本功能继续正常运行。

满足高汽车安全性的双 AMR 传感器

随着用于提高汽车安全性的 ADAS 的推出，以及全自动和半自动驾驶车辆的出现，人们对更可靠、更智能、性能更高的冗余电子执行器解决方案的需求日益增长，并且要求该方案符合 ISO 26262 功能安全标准。ADI 公司提供的电机轴位置和相电流检查产品不仅能满足提高性能、实现更顺畅、更高效的电机控制的要求，还提供了在 EPS 或制动系统等安全性至关重要的应用中实现高 ASIL 要求所需的冗余。

ADI 推出的 ADA4571 - 2 双 AMR 传感器专为需要冗余和独立检测通道的这类安全性至关重要的应用而设计。它是一款双通道 AMR 传感器，集成了信号调理放大器和 ADC 驱动器。该产品包括两个 AMR（Sensitec AA745）传感器和两个放大器信号调理 ASIC。该传感器提供非常低的角度误差信号，通常在 0.1 度范围内，具备可忽略的迟滞、高带宽、低延迟和良好的线性度。这些特性能够帮助减少转矩波动和可听到的噪声，有助于实现顺畅、高效的 BLDC 电机控制。此外，AMR 传感器在饱和 > 30 mT 条件下工作，没有磁场窗口上限，而且传感器在高磁场条件下运行，因此解决方案能够经受严苛环境下的杂散磁场。

ADA4571 - 2 可产生模拟输出，指示周围磁场的角位置，并在每个通道在一个封装内集成两个芯片：一个 AMR 传感器和一个可变增益仪表放大器。ADA4571 - 2 提供与旋转磁场角度相关的干净且放大的每通道余弦和正弦输出信号。输出电压范围与电源电压成比例。每个检测通道含有两个单独的且互成 45° 角的惠斯登电桥。与 IC 封装平面平行的旋转磁场提供两路正弦输出信号，且传感器与磁场方向的角度 α 频率翻倍。在与 IC 封装平面平行的均质场内，输出信号与传感器和磁体之间的气隙无关。ADA4571 - 2 采用 16 引脚 SOIC 封装。

可进行双向电流测量的电流检测放大器

另一方面，ADI 推出的 AD8410 电流检测放大器则能够在 EPS 和其他 BLDC 电机控制系统中的分流电阻上进行双向电流测量。这是一个高电压、高分辨率和高带宽的分流放大器，用于在严苛环境下提供所需的准确测量，在安全性至关重要的应用中提供诊断，帮助减少转矩波动和可听到的噪声，实现顺畅、高效的 BLDC 电机控制（例如 EPS 或制动），并改善整个驾驶体验。

AD8410 是一款高压、高分辨率和高带宽分流放大器。其初始增益为 20 V/V，具有 2.0 MHz 带宽，在整个温度范围内的增益误差为 ±0.3%。缓冲输出电压可以直接与任何典型转换器连接。AD8410 在输入共模电压处于?2 V 至 + 70 V 范围时，具有出色的输入共模抑制性能，它能够在分流电阻上进行双向电流的测量，适合各种汽车和工业应用，包括电机控制、电源管理和电磁阀控制等。

在?40℃至 + 150℃的整个温度范围内，AD8410 都能提供的性能。它采用封装调整内核，在整个工作温度范围和共模电压范围内，失调漂移典型值为 1.0 μV/℃。AD8410 通过汽车应用，该器件集成电路，在脉冲宽度调制（PWM）类输入共模电压下具有高输出精度。输入失调电压的典型值为 ±200 μV。AD8410 提供 8 引脚 MSOP 或 SOIC 两种封装。