設計具有AMR角度傳感器的位置感應系統(tǒng)

隨著各國政府出臺舉措來推動減少內燃機 (ICE) 汽車排放的溫室氣體，原始設備制造商 (OEM) 紛紛將機械系統(tǒng)重新設計為電子控制系統(tǒng)。高水平的系統(tǒng)連接和智能技術使自動駕駛汽車成為現(xiàn)實，因此市場對電子產(chǎn)品和軟件算法的需求不斷增長，以符合包括國際標準化組織 (ISO) 26262 在內的各項安全要求。

傳感器，尤其是角度傳感器，在需要滿足功能安全標準的系統(tǒng)中不可或缺。它有助于監(jiān)控和提供扭矩和角度信息，而這些信息是高效驅動或運行各種汽車系統(tǒng)所必需的。

設計EPS系統(tǒng)

電動助力轉向系統(tǒng) (EPS) 由轉向柱、電子控制轉向電機以及電子感應與控制機制組成。當駕駛員轉動方向盤時，由電機（通常是無刷直流電機）協(xié)助轉向，這取代了傳統(tǒng)的機械和液壓系統(tǒng)。

EPS 系統(tǒng)的優(yōu)點包括運行更快且更智能、減少二氧化碳排放、提高燃油效率并增強用戶體驗。駕駛員在方向盤界面提供系統(tǒng)輸入。傳感器檢測電機軸的位置和方向盤的旋轉，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子控制單元 (ECU)。圖 1 突出顯示了 EPS 系統(tǒng)的基本元素。

圖1 EPS系統(tǒng)

設計EPS系統(tǒng)所需的組件包括微控制器、傳感器、電源、電機驅動器和晶體管。這些組件對于系統(tǒng)高效通信和運行至關重要。如圖2所示，控制器局域網(wǎng)是用于連接車輛ECU的總線標準。

圖2 EPS系統(tǒng)方框圖

德州儀器 (TI)的TMAG6181-Q1是各向異性磁阻(AMR)角度傳感器。它具有集成信號調節(jié)放大器，能夠提供與所施加平面磁場的方向相關的差分正弦和余弦模擬輸出。

TMAG6181-Q1的延遲低于2μs，角度誤差僅為0.4度，有助于大大提高系統(tǒng)性能和效率。傳感器的集成匝數(shù)計數(shù)器可以跟蹤電機在正常運行模式下最高32,000轉/分(rpm)的轉速和低功耗模式下最高8,000 rpm的轉速。它還能支持多種器件和系統(tǒng)級診斷功能，可檢測、監(jiān)控和報告器件運行期間的故障。例如，在睡眠或故障模式下，TMAG6181-Q1 AMR傳感器的輸出將進入高阻抗狀態(tài)。建議使用下拉或上拉電阻，以確保微控制器能夠檢測故障。

要處理 AMR 輸出信號并提取EPS電機或方向盤的角度位置，通常需要外部微控制器。TMAG6181-Q1中的AMR角度傳感器可用于單端或差分輸出模式；后一種模式可消除系統(tǒng)中的共模干擾。來自AMR傳感器的差分輸出正弦和余弦信號與所施加磁場的角度成正比。AMR傳感器的輸出電壓與電源電壓成比例，以確保外部ADC能夠參考電源電壓。

圖3展示了一個典型應用圖，其中差分輸出信號SIN_P、SIN_N、COS_P和COS_N連接到外部微控制器中的四個單端模數(shù)轉換器，而外部微控制器與EPS系統(tǒng)中的ECU通信。

圖3 單端輸出模式下的TMAG6181-Q1

如果有的話，建議使用差分ADC，因為它能夠提高可靠性。要獲得高精度，負載電容器和電阻必須相互匹配。TMAG6181-Q1可直接在AMR輸出引腳上驅動高達10nF的容性負載，并驅動拉電流和灌電流高達1mA的電阻負載。這可實現(xiàn) EPS 系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運行。

為簡化合規(guī)性，針對TMAG6181-Q1提供了ISO 26262系統(tǒng)設計文檔，其中汽車安全完整性等級高達B級。

設計電動自行車和電動踏板車系統(tǒng)

電動自行車是包含五個關鍵組件的自行車：電機、電池、控制裝置、傳感器和顯示屏。電機是電動自行車不可或缺的一部分，可用于在腳踏期間提供所需的額外電力。如圖 4 中的方框圖所示，若要高效可靠地旋轉電機（可安裝在前部、中央或后部），需要角度傳感器。

電動踏板車是從燃氣驅動轉換為電動的踏板車。它的電機驅動系統(tǒng)設計與電動自行車非常相似，只不過它沒有那么復雜。電動踏板車設計只需在油門踩下時為電機供電即可，但電動自行車設計還必須監(jiān)測騎手的腳踏動力，以確定向電機的供電量。不同地區(qū)要求電動自行車和電動踏板車達到與汽車行業(yè)相似的安全水平。

圖 4 重點介紹了開發(fā)電動自行車系統(tǒng)所需的組件。角度傳感器可提供角度反饋，然后由微控制器計算角度反饋，從而有效可靠地旋轉電機。AMR傳感器通常限制為180度，但TMAG6181-Q1在X和Y軸增加了兩個獨立的霍爾效應傳感器輸出，可將傳感器的角度范圍擴大到360度。

圖4 電動自行車方框圖

結語

當今的汽車和電動自行車包含多個ECU，用于驅動和控制高級功能。設計EPS系統(tǒng)、電動自行車或電動踏板車需要ECU 精確控制，以實現(xiàn)高效可靠的運行。TMAG6181-Q1可實現(xiàn)更快、更精確的電機控制，有助于提高系統(tǒng)性能。

（本文來源于《EEPW》2024.5）