半導體供應商如亞德諾半導體(ADI)便提供磁阻(MR)位置感測器產品和基於分流器的電流感測放大器產品，可使EPS和電子煞車系統中使用的無刷馬達實現高性能換相和安全運作。
自駕趨勢使安全更被重視
近年來隨著人們對於車輛安全性的要求越來越高，先進駕駛輔助系統(ADAS)也相應獲得進一步發展及推廣，其依賴安全氣囊保護駕駛及乘客安全之傳統被動系統輔助。這些新出現的系統，最初是為輔助駕駛在安全危急情況下作出正確決策，長期而言，則能替代駕駛作出決策。這些技術的進步亦引領汽車朝向半自動和全自動駕駛遞進，使電子控制單元(ECU)代替駕駛作出決策，以及讓執行器負責進行車輛轉向和煞車操控，皆為將駕駛車輛的任務移交給感測器、ECU和電力傳動裝置。此趨勢促使廠商開發更可靠、更智慧、性能更高的額外的電力傳動裝置解決方案，而這些解決方案皆須符合ISO 26262功能安全標準。考量風險的安全標準，其需對危險操作情況的風險進行定性評估，並在元件和系統設計中融入安全措施以避免或管控系統故障、並檢測或控制隨機出現的硬體故障或減輕影響。
這些執行器系統通常使用無刷直流(BLDC)馬達驅動，由於這些系統對安全性相當重要，因此設計人員在設計解決方案的硬體和軟體時，須保證系統能滿足汽車安全完整性等級(ASIL)D級的高標準。
MPS確保馬達控制
無刷直流馬達無電刷觸點，因此需使用馬達位置感測器(MPS)測量定子與轉子間的相對位置，以確保定子線圈按正確順序通電。馬達位置感測器在啟動時扮演重要角色，因為此時微控制器無可用的反電動勢確定轉子和定子的相對位置。
傳統上阻塞換相(見圖1a)由三個霍爾開關組成，其用於指示無刷直流馬達中轉子的位置。由於人們要求提高BLDC馬達驅動器(包括EPS系統)的性能，尤其是降低其噪音、振動和聲振粗糙度等級(NVH)，以及提高其運作效率，因此阻塞換相逐步被正弦換相控制所取代。霍爾開關則可由安裝在馬達軸末端的雙極磁鐵前面的MR角度感測器代替(見圖1b)。在典型的應用中，MPS也被安裝在ECU組合上，而ECU則被整合到馬達外殼，且安裝於馬達軸末端。
ASIL等級反映系統安全性
ISO 26262於2011年導入，其作為一種安全標準，以解決與電氣安全相關系統故障可能造成的危害，之後由2018年版所取代。
針對系統建置安全和風險分析，以確定系統的ASIL等級為必要的過程。而ASIL等級則透過審查系統於運作期間潛在危險的嚴重程度、暴露程度和可控性確定(圖2)，例如若人們對EPS系統實施風險和危害分析，可能會得出以下結論：基於這些事件(如轉向鎖止和自動轉向等)的嚴重程度、可控性和暴露性，將這些嚴重事件評定為ASIL D等級；同樣地，對於即將推出的電子煞車系統，則可採用相同邏輯確定不可控事件的嚴重程度，如煞車鎖止或自動煞車。
根據EPS或煞車系統示例，ASIL D系統評鑑可透過分解子系統實現，如圖3a、圖3b及圖3c所示。
每個系統元件不須皆按照ASIL D標準和流程開發，以使ASIL D系統符合規格；但在進行系統等級的審核時，要求整個系統必須滿足要求，且可整合QM、ASIL A、B、C、D等級的子元件組成系統，且系統分解還應確保獨立性，並考量依賴或共因故障的可能性。
傳統EPS系統拓撲架構及潛在問題
典型的EPS系統拓撲結構如圖4所示。EPS ECU根據駕駛施加到方向盤上的轉向扭矩、方向盤位置及車輛速度計算所需的輔助功率。EPS馬達透過施力轉動方向盤，以減少駕駛操縱方向盤所需的扭矩。
馬達軸位置(MSP)角結合相位電流測量資訊，用於對EPS馬達驅動器進行換相和控制。典型EPS馬達控制迴路如圖5所示，所需的扭矩輔助等級因駕駛條件而異，由車輪速度感測器和扭矩感測器決定；扭矩感測器測量駕駛或無人駕駛汽車中的馬達執行器施加至方向盤的扭矩；微控制器隨後使用MSP資料和相位電流資料控制提供馬達所需輔助的電流負載。
MPS感測器故障可能導致或加重系統故障，如轉向鎖止或自動轉向，因此MPS為EPS系統中的重要元件，其中關鍵在系統需能綜合全面診斷感測器故障，以確保在MPS感測器出錯或發生故障時能夠繼續正常運作，而不會發生嚴重的系統故障，或者在出錯時系統能以安全方式停止運作。
電流感測放大器通常用於間接精確測量馬達負載，一般應用於三個馬達相位中的兩個相位，提供額外診斷資訊(可作為整體系統安全保障措施的一環)。
此外，高度準確的馬達位置和相位電流測量可以從系統層面改善EPS馬達的控制性能，實現高效、安靜、平穩的轉向，進而提升駕駛體驗，因此是系統中的關鍵元件。
雙AMR感測器 確保穩定操作
在EPS或其他安全性關鍵馬達控制應用中，可採用不同的方法來使ASIL D符合規格。以下示例便將雙重各向異性磁阻(AMR)馬達位置感測器和像是ADI的電流感測放大器整合到此系統中，以提供所需的性能等級和額外需要，從系統等級實現ISO 26262 ASIL D合規性。
在圖6中，用不同技術(如霍爾、GMR或TMR)的另一個感測器對雙AMR感測器進行完善和補充。雙AMR感測器作為主(高精度)感測通道，第二個不同感測器技術通道有三個用途：
．啟用「三選二」(2oo3)比較，以驗證當與其他系統輸入組合時，其中一個感測器通道是否出現故障。
．在發生可能性極低的兩個AMR通道都故障的情況下，提供位置回饋。
．在馬達極數為奇數的情況下，為微控制器提供360o象限資訊，用於馬達換相。
準確的角度測量將繼續由雙AMR感測器的兩個通道提供。額外的系統診斷，如馬達負載和軸的位置，可以從準確相位電流檢測放大器的動態狀態(反電動勢)間接推斷得出。
若查看此感測器架構示例中所有可能的感測器故障模式，可以看出應始終有兩個位置感測器輸入可用於可靠性檢查。即使在兩個AMR通道都因常見故障原因以致同時故障，這種極不可能的極端示例中，仍然可以使用來自輔助感測器通道的降級位置感測資訊，以及電流感測器在動態狀態下提供之反電動勢資訊進行交叉比對，以確保系統基本功能繼續正常運作。
這種系統等級的診斷功能將確保不會發生嚴重的故障模式，並且確保系統實現ISO 26262 ASIL D合規性，之後便可以安全關閉系統的電源，或者轉入跛行回家模式(Limp Home Mode)，以返回經銷商進行維修。
感測器設計改善乘車體驗
隨著用於提高汽車安全性的ADAS推出，以及全自動和半自動駕駛車輛的出現，人們開始要求更可靠、更智慧、性能更高的額外電力傳動裝置解決方案，同時要求需符合ISO 26262功能安全標準。供應商如ADI提供的馬達軸位置和相位電流感測產品，不僅能提高性能，實現更順暢、更高效的馬達控制要求，同時提供在EPS或煞車系統等安全性至關重要的應用中，能夠實現所需的額外高ASIL要求。而ADI提供的ADA4571-2雙AMR感測器為需要額外和獨立感測通道等安全性的重要應用設計，其為一雙通道AMR感測器，整合訊號處理放大器和ADC驅動器。
該產品含兩個AMR(Sensitec AA745)
感測器和兩個放大器訊號處理ASIC；該感測器提供低角度誤差訊號，通常在0.1度範圍內，具備可忽略的遲滯現象、高頻寬、低延遲和良好的線性度。
這些特性能夠協助減少轉矩波動和可聽見的雜訊，幫助實現順暢、高效的BLDC馬達控制。此外，AMR感測器可在飽和大於30Mt的條件下運作，並沒有磁場視窗上限，而且感測器能在高磁場條件下運作，因此解決方案能承受嚴苛環境的雜散磁場。
至於ADI的AD8410電流感測放大器能夠在EPS和其他BLDC馬達控制系統中的分流電阻上測量雙向電流，為高電壓、高解析度和高頻寬的分流放大器，其用於嚴苛環境中提供所需的準確測量、診斷安全性的應用，幫助減少轉矩波動和可聽到的雜訊，實現順暢、高效的BLDC馬達控制(如EPS或煞車)，並改善駕駛體驗。
(本文作者為ADI汽車電氣化部策略行銷經理)
