隨著全球倡議推動(dòng)減少內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車排放的溫室氣體，原始設(shè)備製造商 (OEM) 亦開(kāi)始將機(jī)械系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)成電力控制系統(tǒng)。高階系統(tǒng)連線和智慧技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自主駕駛車輛，這也提升了對(duì)電子元件與軟體演算法的需求，以求滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 等安全要求。

感測(cè)器必須符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，並且是系統(tǒng)中不可或缺的一角，尤其角度感測(cè)器更是如此，且因?yàn)槠淇蓞f(xié)助進(jìn)行監(jiān)控並提供所需的扭矩和角度資訊，以有效率地驅(qū)動(dòng)或操作各種汽車系統(tǒng)。

設(shè)計(jì) EPS 系統(tǒng)

電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向 (EPS) 系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)向柱、以電子控制的轉(zhuǎn)向馬達(dá)，以及電子感測(cè)與控制機(jī)制。電動(dòng)馬達(dá)通常是無(wú)刷 DC 馬達(dá)，可在駕駛轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)協(xié)助轉(zhuǎn)向，能取代傳統(tǒng)的機(jī)械與液壓系統(tǒng)。

EPS 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括更快和更智慧化的操作、更少的二氧化碳排放量、更高的燃油效率，以及強(qiáng)化的使用者體驗(yàn)。駕駛透過(guò)方向盤介面提供系統(tǒng)輸入。感測(cè)器會(huì)偵測(cè)馬達(dá)軸的位置和方向盤的旋轉(zhuǎn)，並將資料傳送至電動(dòng)控制單元 (ECU)。圖 1 重點(diǎn)呈現(xiàn)了 EPS 系統(tǒng)的基本元件。

設(shè)計(jì) EPS 系統(tǒng)所使用的元件包括微控制器、感測(cè)器、電源供應(yīng)器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和電晶體。這些項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)的高效率通訊和運(yùn)作來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。如圖 2 所示，控制器區(qū)域網(wǎng)路是用於介接車內(nèi) ECU 的匯流排標(biāo)準(zhǔn)。

TMAG6181-Q1 是異向性磁阻 (AMR) 角度感測(cè)器，搭載整合式訊號(hào)調(diào)節(jié)放大器，可提供與作用平面內(nèi)磁場(chǎng)方向相關(guān)的差動(dòng)正弦和餘弦類比輸出。

TMAG6181-Q1 的 <2μs 延遲和 0.4 度角誤差，有助於提升系統(tǒng)性能與效率。感測(cè)器的整合式旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器可以在正常運(yùn)作模式下追蹤馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，最高可達(dá)每分鐘 32,000 轉(zhuǎn)數(shù) (rpm)，而在低功耗模式下，最可則高達(dá) 8,000rpm。此外也支援多種裝置和系統(tǒng)層級(jí)診斷功能，可在裝置運(yùn)作期間偵測(cè)、監(jiān)控和報(bào)告故障。舉例來(lái)說(shuō)，在睡眠或故障模式下，TMAG6181-Q1 AMR 感測(cè)器輸出會(huì)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。建議使用下拉或上拉電阻器，以確保微控制器能夠偵測(cè)故障。

處理 AMR 輸出訊號(hào)與擷取 EPS 馬達(dá)或方向盤的角度位置時(shí)，通常需要外部微控制器。TMAG6181-Q1 中的 AMR 角度感測(cè)器可用於單端或差動(dòng)輸出模式；後者的模式可消除系統(tǒng)中的共模干擾。AMR 感測(cè)器的差動(dòng)輸出正弦及餘弦訊號(hào)，跟作用磁場(chǎng)的角度成比例。AMR 感測(cè)器的輸出電壓與電源電壓成比率關(guān)係，以確保外部 ADC 可以參考電源電壓。

圖 3 顯示典型應(yīng)用圖，其中差動(dòng)輸出訊號(hào) SIN_P、SIN_N、COS_P 和 COS_N 連接至外部微控制器中的四個(gè)單端類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，而該外部微控制器會(huì)與 EPS 系統(tǒng)中的 ECU 通訊。

如果可使用差動(dòng)式 ADC，建議加以運(yùn)用，因?yàn)槿绱四茉黾涌煽啃浴榱藢?shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度，負(fù)載電容器和電阻器必須彼此匹配。TMAG6181-Q1 可直接在 AMR 輸出針腳上驅(qū)動(dòng)高達(dá) 10nF 的電容負(fù)載，並且能以最達(dá) 1mA 的源極和汲極電流驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載。如此可使 EPS 系統(tǒng)順暢可靠地運(yùn)作。

針對(duì) TMAG6181-Q1，提供了最高達(dá)汽車安全完整性等級(jí) B 的 ISO 26262 系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件，以簡(jiǎn)化合規(guī)作業(yè)。

設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車與電動(dòng)機(jī)車系統(tǒng)

電動(dòng)自行車是由五個(gè)關(guān)鍵元件組成的腳踏車：電動(dòng)馬達(dá)、電池、控制項(xiàng)、感測(cè)器和顯示器。馬達(dá)是電動(dòng)自行車不可或缺的一部分，因?yàn)槠淇蓞f(xié)助在踩踏踏板時(shí)提供所需的額外動(dòng)力。若要高效率且可靠地轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá) (可以安裝在前側(cè)、中央或後側(cè))，即需要角度感測(cè)器，如圖 4 中的原理圖所示。

電動(dòng)機(jī)車是已轉(zhuǎn)換為電動(dòng)的燃?xì)鈾C(jī)車。其馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常類似電動(dòng)自行車，但沒(méi)有那麼複雜。電動(dòng)機(jī)車的設(shè)計(jì)只需要在接合節(jié)氣門時(shí)向電動(dòng)馬達(dá)供應(yīng)電力，但是電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)還必須測(cè)量腳踏車騎士踩踏踏板的功率，以判斷需向馬達(dá)輸送多少電力。

不同地區(qū)均要求電動(dòng)自行車與電動(dòng)機(jī)車需符合類似汽車產(chǎn)業(yè)所要求的安全等級(jí)。

圖 4 重點(diǎn)呈現(xiàn)了開(kāi)發(fā)電動(dòng)自行車系統(tǒng)所需的元件。角度感測(cè)器可提供角度回饋，隨後會(huì)由微控制器加以計(jì)算，以有效率且可靠地轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)。AMR 感測(cè)器通常會(huì)限制至 180 度，但在 TMAG6180-Q1 的 X 軸和 Y 軸上增加兩個(gè)獨(dú)立霍爾效應(yīng)感測(cè)器輸出，有助於將感測(cè)器的角度範(fàn)圍延伸至 360 度。

結(jié)論

現(xiàn)今的車輛與電動(dòng)自行車包含多個(gè) ECU，以向進(jìn)階功能供電並進(jìn)行控制。設(shè)計(jì) EPS 系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)自行車或電動(dòng)機(jī)車都要求 ECU 可精確進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率且可靠的運(yùn)作。TMAG6181-Q1 可實(shí)現(xiàn)更快且更準(zhǔn)確的馬達(dá)控制，以協(xié)助改善系統(tǒng)性能。

其他資源

• 德州儀器，TMAG6180-6181 評(píng)估模組工具。
• 德州儀器，汽車功能安全與 TI 如何透過(guò)高精密度位置感測(cè)器為客戶提供協(xié)助技術(shù)白皮書。
• 德州儀器，AMR 感測(cè)中低功耗轉(zhuǎn)數(shù)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用簡(jiǎn)介。