CarlosVelásquez，邁來(lái)芯底盤(pán)系統(tǒng)專(zhuān)家

長(zhǎng)久以來(lái)，汽車(chē)行業(yè)一直以機(jī)械和液壓工程為主導(dǎo)。從懸架、冷卻系統(tǒng)到發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)，絕大多數(shù)車(chē)輛系統(tǒng)都采用機(jī)械和液壓控制與操作。盡管自20世紀(jì)30年代起，電子元件就已被引入汽車(chē)，但主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器、照明以及可選裝的收音機(jī)等方面，汽車(chē)的整體機(jī)械特性并未改變。

然而，近幾十年來(lái)，電子系統(tǒng)在汽車(chē)中的應(yīng)用范圍持續(xù)拓展。眾多機(jī)械泵和真空控制系統(tǒng)已被電磁閥、固態(tài)繼電器和壓電陶瓷所取代。同樣，電子傳感器和顯示屏也早已取代了機(jī)械反饋系統(tǒng)，如機(jī)械儀表。盡管如此，在轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等核心功能方面，機(jī)械和液壓仍占據(jù)主導(dǎo)地位，電子元件僅發(fā)揮輔助作用。

這一局面如今正迎來(lái)轉(zhuǎn)變：在汽車(chē)智能化、電動(dòng)化趨勢(shì)以及排放法規(guī)的共同推動(dòng)下，汽車(chē)設(shè)計(jì)師們正通過(guò)將機(jī)械液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)領(lǐng)域的革命性變革。這一轉(zhuǎn)變旨在增強(qiáng)功能性和安全性、提升精度、簡(jiǎn)化集成、降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性，并減少排放與能源消耗。因此，汽車(chē)行業(yè)愈發(fā)重視下一代“線控”（X-by-Wire）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，這類(lèi)系統(tǒng)能夠?yàn)樾屡d汽車(chē)功能提供比傳統(tǒng)機(jī)械液壓系統(tǒng)更卓越的支持。

線控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變

本質(zhì)上，線控系統(tǒng)采用電子控制機(jī)制取代了傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置。這標(biāo)志著汽車(chē)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式的重大變革，其中，油門(mén)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等基本功能不再依賴(lài)轉(zhuǎn)向柱、拉索或液壓管路等物理連接。取而代之的是，傳感器、電動(dòng)執(zhí)行器和控制單元對(duì)這些功能進(jìn)行管理。

以線控油門(mén)為例，它采用位置傳感器測(cè)量加速踏板位置，并將信號(hào)傳輸至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）以進(jìn)行電子功率調(diào)節(jié)，從而取代了加速踏板與節(jié)氣門(mén)之間的機(jī)械連接。盡管缺乏機(jī)械連接可能會(huì)引發(fā)部分人的擔(dān)憂(yōu)，但這一概念已得到成功驗(yàn)證。1969年推出的協(xié)和式飛機(jī)在諸多方面都是開(kāi)創(chuàng)性的，但它也是第一架采用電傳飛行控制技術(shù)的商用客機(jī)1。20世紀(jì)80年代中期，寶馬7系車(chē)型率先在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用了線控油門(mén)
技術(shù)2。自那時(shí)起，該技術(shù)已成為幾乎所有現(xiàn)代車(chē)輛的標(biāo)配。

線控系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括更精細(xì)的控制、更高的效率、增強(qiáng)的安全功能以及與自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的兼容性。然而，它們也面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)，如確?？煽啃砸约皾M(mǎn)足先進(jìn)的集成和冗余要求。

線控制動(dòng)與線控轉(zhuǎn)向

盡管線控操作在汽車(chē)中已屢見(jiàn)不鮮，如節(jié)氣門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)和部分變速箱均采用電子控制，但有兩個(gè)主要車(chē)輛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變較為緩慢，即制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。然而，這一狀況正在迅速改變。

線控制動(dòng)系統(tǒng)

線控制動(dòng)系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測(cè)制動(dòng)踏板位置或壓力，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電液或機(jī)電制動(dòng)執(zhí)行器（制動(dòng)卡鉗）來(lái)控制制動(dòng)力。線控制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛功能的無(wú)縫集成[4]，同時(shí)促進(jìn)了電動(dòng)汽車(chē)（EV）的再生制動(dòng)。這一功能允許車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力，使電流方向反轉(zhuǎn)，從而在制動(dòng)過(guò)程中為電池組充電。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則完全摒棄了將方向盤(pán)與車(chē)輪直接相連的機(jī)械轉(zhuǎn)向柱。相反，該系統(tǒng)依靠電子傳感器識(shí)別轉(zhuǎn)向輸入，并將其傳達(dá)給驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的執(zhí)行器。與傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)。它簡(jiǎn)化了先進(jìn)功能（如車(chē)道保持輔助、碰撞避免、可調(diào)轉(zhuǎn)向比和自動(dòng)駕駛能力）的集成，同時(shí)緩解了某些封裝限制，并使得輪轂電機(jī)的應(yīng)用成為可能（而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向齒條則難以實(shí)現(xiàn)）。此外，通過(guò)消除物理轉(zhuǎn)向柱的
需求，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為創(chuàng)新車(chē)輛設(shè)計(jì)開(kāi)辟了道路，拓展了內(nèi)部空間和設(shè)計(jì)可能性。

由于涉及復(fù)雜性和成本問(wèn)題，這些系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)一直采用機(jī)械控制。然而，隨著汽車(chē)自動(dòng)化、電動(dòng)化的推進(jìn)以及新型傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的應(yīng)用，許多長(zhǎng)期存在的障礙已被消除，線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)系統(tǒng)正成為下一代電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵要素。

減少排放

液壓系統(tǒng)易受流體污染和泄漏的影響，需要定期維護(hù)和更換流體以確保安全運(yùn)行。而線控制動(dòng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)合純機(jī)電執(zhí)行器的應(yīng)用，則可完全摒棄液壓輔助。這代表了汽車(chē)行業(yè)的新范式，實(shí)現(xiàn)了“干式”制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，減少了車(chē)輛中的流體量，從而消除了相關(guān)排放和維護(hù)需求。

隨著排放法規(guī)的實(shí)施和電動(dòng)汽車(chē)的引入，過(guò)去二十年來(lái)，細(xì)顆粒物PM10和PM2.5（分別小于10微米和2.5微米）的尾氣排放已顯著下降。

然而，由于制動(dòng)和輪胎磨損產(chǎn)生的排放卻在緩慢但持續(xù)地增加，并已成為車(chē)輛顆粒物排放的主要來(lái)源。圖1展示了英國(guó)空氣質(zhì)量專(zhuān)家小組對(duì)2000年至2030年細(xì)粉塵排放（PM10）演變的估算3。

圖1–英國(guó)道路運(yùn)輸PM10排放量（來(lái)源：英國(guó)空氣質(zhì)量專(zhuān)家組）

這一問(wèn)題亟待改善：歐7法規(guī)已專(zhuān)門(mén)對(duì)制動(dòng)顆粒物排放設(shè)定了限制，并計(jì)劃確定輪胎磨損的限制4。

線控制動(dòng)技術(shù)能夠更快地施加和釋放制動(dòng)扭矩，結(jié)合精確的速度傳感器和汽車(chē)智能系統(tǒng)，可通過(guò)多種方式最大限度地減少制動(dòng)和輪胎磨損排放：最大化利用再生制動(dòng)，優(yōu)化制動(dòng)扭矩以最小化輪胎磨損，以及完全避免同時(shí)施加油門(mén)和制動(dòng)。

傳感器要求

在安全關(guān)鍵系統(tǒng)中，電子元件必須滿(mǎn)足多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)要求。這些元件需具備固有精度、可靠性，并能夠承受車(chē)輛中的惡劣條件，如振動(dòng)、溫度波動(dòng)和電磁干擾（EMI）。傳感器還必須易于集成，并能夠與其他類(lèi)型的傳感器協(xié)同工作，因?yàn)楫悩?gòu)冗余已成為線控系統(tǒng)功能安全架構(gòu)的核心要素，以確保故障安全操作。

與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)相比，線控制動(dòng)系統(tǒng)需要在更多區(qū)域進(jìn)行感知，并在系統(tǒng)各點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更高的冗余度，因?yàn)樗狈C(jī)械備份（圖2）。

圖2–從機(jī)械液壓制動(dòng)系統(tǒng)到線控制動(dòng)系統(tǒng)的演變（來(lái)源：邁來(lái)芯）

為確保安全運(yùn)行，通常會(huì)部署多個(gè)傳感通道，這使得傳感器集成和靈活性成為工程師設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量。系統(tǒng)控制和反饋通過(guò)制動(dòng)踏板位置和力傳感器以及安裝在卡鉗和制動(dòng)液回路上的額外傳感器來(lái)收集。鑒于車(chē)輛這些區(qū)域面臨的溫度范圍、振動(dòng)和噪聲（EMI）問(wèn)題，系統(tǒng)各點(diǎn)的傳感器準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要，因此需要部署冗余的高質(zhì)量傳感器。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，需要額外的傳感器來(lái)跟蹤齒條位置，并驗(yàn)證其移動(dòng)是否與轉(zhuǎn)向角傳感器指示的需求一致（圖4）。

圖4–從機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的演變（來(lái)源：邁來(lái)芯）

同樣，可靠性至關(guān)重要，因此會(huì)部署多種傳感技術(shù)以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)冗余系統(tǒng)操作。

邁來(lái)芯線控系統(tǒng)傳感器

邁來(lái)芯與汽車(chē)行業(yè)有著長(zhǎng)期的合作關(guān)系，長(zhǎng)期以來(lái)一直提供各種傳感技術(shù)。其產(chǎn)品線包括專(zhuān)為下一代線控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的尖端磁性和電感式傳感器。

磁傳感器

邁來(lái)芯的磁傳感器，如MLX90423、MLX90424和MLX90427，利用邁來(lái)芯專(zhuān)有的Triaxis?技術(shù)，專(zhuān)為先進(jìn)的汽車(chē)線控制動(dòng)和線控轉(zhuǎn)向應(yīng)用而設(shè)計(jì)。與僅檢測(cè)垂直于霍爾元件表面的磁通密度的傳統(tǒng)霍爾傳感器不同，Triaxis?傳感器由于集成了集磁點(diǎn)（IMC），能夠檢測(cè)XYZ三個(gè)磁通分量。這項(xiàng)技術(shù)使傳感器能夠準(zhǔn)確解碼任何移動(dòng)磁鐵的絕對(duì)位置，無(wú)論是旋轉(zhuǎn)還是線性位移（圖3）。

圖3–Triaxis?解決方案可用于檢測(cè)線性、旋轉(zhuǎn)或“操縱桿”運(yùn)動(dòng)（來(lái)源：邁來(lái)芯）

Triaxis?傳感器，如MLX90423和MLX90427，符合ISO26262ASIL-C標(biāo)準(zhǔn)，并能夠承受高達(dá)5mT的雜散磁場(chǎng)，因此成為電動(dòng)汽車(chē)或與其他磁性傳感器距離較近的系統(tǒng)的絕佳選擇。它們還提供TSSOP-16雙芯片封裝，提供額外的內(nèi)置冗余，并支持ASIL-D系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。MLX90424等產(chǎn)品在單一封裝中集成了兩個(gè)Triaxis?MLX90423傳感器和一個(gè)MLX92292低功耗鎖存和開(kāi)關(guān)喚醒傳感器，為線控制動(dòng)應(yīng)用提供了終極
傳感解決方案。

除了傳感元件外，Triaxis?傳感器還提供了一系列關(guān)鍵特性，旨在進(jìn)一步簡(jiǎn)化先進(jìn)線控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。多種輸出模式（模擬、SPI、PWM和SENT，包括MLX90377和MLX90376等芯片中的SPC功能）支持多傳感器總線架構(gòu)的應(yīng)用，并確保與不同系統(tǒng)配置的兼容性，從而能夠順利集成到各種汽車(chē)平臺(tái)中。

此外，通過(guò)在MLX90372等芯片中包含一個(gè)網(wǎng)關(guān)（輸入引腳），傳感器可以整合來(lái)自壓力傳感器、力敏電阻或NTC溫度傳感器等外部源的信號(hào)。這一特性增強(qiáng)了集成可能性，減少了線束數(shù)量，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電感式傳感器

邁來(lái)芯電感傳感芯片（如MLX90513）對(duì)磁雜散場(chǎng)具有免疫性（ISO11452-8），因此可在高電磁干擾（EMI）環(huán)境中部署，并與MLX90423或MLX90427等磁性傳感器結(jié)合使用。這使得它們成為安全關(guān)鍵線控系統(tǒng)所需異構(gòu)設(shè)置的理想選擇。

MLX90513專(zhuān)為汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，依托邁來(lái)芯在電感式傳感器領(lǐng)域超過(guò)15年的經(jīng)驗(yàn)，是一款強(qiáng)大的接口，能夠感知旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位置（圖5）。電感式傳感器通過(guò)發(fā)射線圈、目標(biāo)塊和三個(gè)接收線圈之間的電感耦合來(lái)工作。當(dāng)片上LC振蕩器通過(guò)發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)時(shí)，該電磁場(chǎng)會(huì)在三個(gè)接收線圈中感應(yīng)出與目標(biāo)塊（轉(zhuǎn)子）角度相關(guān)的電壓。

圖5–MLX90513三種運(yùn)動(dòng)類(lèi)型（中）、線控制動(dòng)踏板（左）和方向盤(pán)位置應(yīng)用（右）（來(lái)源：邁來(lái)

芯）

MLX90513的內(nèi)部信號(hào)處理單元捕獲并處理這三個(gè)信號(hào)，從而提供精確的位置信息，最大誤差為滿(mǎn)量程的0.1%。接收信號(hào)的線圈根據(jù)其上方金屬目標(biāo)塊（轉(zhuǎn)子）的極數(shù)相對(duì)布置。通常，這些線圈是印刷電路板上的軌道，便于簡(jiǎn)單定制設(shè)計(jì)，并優(yōu)雅地集成到線控制動(dòng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。

與磁傳感器類(lèi)似，MLX90513也符合ISO26262ASIL-C標(biāo)準(zhǔn)[3]，并提供四種輸出模式（SENT/SPC、PWM和模擬），以適應(yīng)多傳感器總線設(shè)置，并促進(jìn)與汽車(chē)平臺(tái)的無(wú)縫集成。

結(jié)論

汽車(chē)行業(yè)正經(jīng)歷著深刻的變革，線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)技術(shù)正成為下一代車(chē)輛的基石。這些安全關(guān)鍵系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓設(shè)置具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)的功能性、卓越的控制性，并為實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)、清潔和智能的出行未來(lái)邁出重要步伐。

然而，這些先進(jìn)系統(tǒng)的成功實(shí)施依賴(lài)于高度精確、可靠且智能集成的傳感解決方案。這正是邁來(lái)芯的專(zhuān)長(zhǎng)所在，其擁有尖端的Triaxis?磁性傳感器以及抗雜散場(chǎng)電感式傳感器，這些傳感器專(zhuān)為滿(mǎn)足汽車(chē)線控應(yīng)用的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)。

邁來(lái)芯的傳感器具有無(wú)與倫比的精度、寬工作溫度范圍（-40°C至160°C）以及出色的抗電磁干擾和雜散磁場(chǎng)能力，確保在最?lèi)毫拥钠?chē)環(huán)境中也能表現(xiàn)出色。除了技術(shù)實(shí)力外，邁來(lái)芯的解決方案還通過(guò)內(nèi)置冗余（如TSSOP-16雙芯片封裝，用于ASIL-D系統(tǒng)）、多種輸出模式（模擬、SPI、PWM、SENT、SPC）以及通過(guò)輸入引腳集成外部信號(hào)的能力等特性，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種整體方法使汽車(chē)原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商能夠簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)周期，并降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

隨著行業(yè)迅速向電動(dòng)化和更高水平的自動(dòng)駕駛邁進(jìn)，先進(jìn)線控系統(tǒng)所提供的功能性和安全性將成為贏得消費(fèi)者青睞的關(guān)鍵。高質(zhì)量的位置傳感器不僅僅是組件，更是確保未來(lái)車(chē)輛安全性、性能和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

參考文獻(xiàn)

1:https://www.heritageconcorde.com/fly-by-wire

2:https://www.pistonheads.com/news/ph-features/ph-origins-electronicthrottle-control/38098

3:https://ukair.defra.gov.uk/assets/documents/reports/cat09/1907101151_20190709_Non_

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4:https://www.consilium.europa.eu/en/press/press-releases/2024/04/12/euro7-council-adopts-new-rules-on-emission-limits-for-cars-vans-and-trucks