CarlosVelásquez，邁來芯底盤系統(tǒng)專家

長久以來，汽車行業(yè)一直以機械和液壓工程為主導(dǎo)。從懸架、冷卻系統(tǒng)到發(fā)動機和控制系統(tǒng)，絕大多數(shù)車輛系統(tǒng)都采用機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，但主要應(yīng)用于發(fā)動機啟動器、照明以及可選裝的收音機等方面，汽車的整體機械特性并未改變。

然而，近幾十年來，電子系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用范圍持續(xù)拓展。眾多機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械反饋系統(tǒng)，如機械儀表。盡管如此，在轉(zhuǎn)向、制動等核心功能方面，機械和液壓仍占據(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轉(zhuǎn)變：在汽車智能化、電動化趨勢以及排放法規(guī)的共同推動下，汽車設(shè)計師們正通過將機械液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C電系統(tǒng)，以實現(xiàn)汽車領(lǐng)域的革命性變革。這一轉(zhuǎn)變旨在增強功能性和安全性、提升精度、簡化集成、降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性，并減少排放與能源消耗。因此，汽車行業(yè)愈發(fā)重視下一代“線控”（X-by-Wire）系統(tǒng)開發(fā)，這類系統(tǒng)能夠為新興汽車功能提供比傳統(tǒng)機械液壓系統(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)采用電子控制機制取代了傳統(tǒng)的機械聯(lián)動裝置。這標(biāo)志著汽車設(shè)計和運行方式的重大變革，其中，油門、制動和轉(zhuǎn)向等基本功能不再依賴轉(zhuǎn)向柱、拉索或液壓管路等物理連接。取而代之的是，傳感器、電動執(zhí)行器和控制單元對這些功能進行管理。

以線控油門為例，它采用位置傳感器測量加速踏板位置，并將信號傳輸至發(fā)動機控制單元（ECU）以進行電子功率調(diào)節(jié)，從而取代了加速踏板與節(jié)氣門之間的機械連接。盡管缺乏機械連接可能會引發(fā)部分人的擔(dān)憂，但這一概念已得到成功驗證。1969年推出的協(xié)和式飛機在諸多方面都是開創(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1。20世紀(jì)80年代中期，寶馬7系車型率先在汽車行業(yè)應(yīng)用了線控油門
技術(shù)2。自那時起，該技術(shù)已成為幾乎所有現(xiàn)代車輛的標(biāo)配。

線控系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，包括更精細的控制、更高的效率、增強的安全功能以及與自動駕駛等新興技術(shù)的兼容性。然而，它們也面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)，如確保可靠性以及滿足先進的集成和冗余要求。

線控制動與線控轉(zhuǎn)向

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

線控制動系統(tǒng)

線控制動系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測制動踏板位置或壓力，并通過驅(qū)動電液或機電制動執(zhí)行器（制動卡鉗）來控制制動力。線控制動系統(tǒng)實現(xiàn)了自動駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛功能的無縫集成[4]，同時促進了電動汽車（EV）的再生制動。這一功能允許車輛的動力傳動系統(tǒng)電機產(chǎn)生制動力，使電流方向反轉(zhuǎn)，從而在制動過程中為電池組充電。

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與車輪直接相連的機械轉(zhuǎn)向柱。相反，該系統(tǒng)依靠電子傳感器識別轉(zhuǎn)向輸入，并將其傳達給驅(qū)動車輪的執(zhí)行器。與傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢。它簡化了先進功能（如車道保持輔助、碰撞避免、可調(diào)轉(zhuǎn)向比和自動駕駛能力）的集成，同時緩解了某些封裝限制，并使得輪轂電機的應(yīng)用成為可能（而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向齒條則難以實現(xiàn)）。此外，通過消除物理轉(zhuǎn)向柱的
需求，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為創(chuàng)新車輛設(shè)計開辟了道路，拓展了內(nèi)部空間和設(shè)計可能性。

由于涉及復(fù)雜性和成本問題，這些系統(tǒng)長期以來一直采用機械控制。然而，隨著汽車自動化、電動化的推進以及新型傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的應(yīng)用，許多長期存在的障礙已被消除，線控轉(zhuǎn)向和線控制動系統(tǒng)正成為下一代電動汽車的關(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，需要定期維護和更換流體以確保安全運行。而線控制動和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)合純機電執(zhí)行器的應(yīng)用，則可完全摒棄液壓輔助。這代表了汽車行業(yè)的新范式，實現(xiàn)了“干式”制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，減少了車輛中的流體量，從而消除了相關(guān)排放和維護需求。

隨著排放法規(guī)的實施和電動汽車的引入，過去二十年來，細顆粒物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，并已成為車輛顆粒物排放的主要來源。圖1展示了英國空氣質(zhì)量專家小組對2000年至2030年細粉塵排放（PM10）演變的估算3。

圖1–英國道路運輸PM10排放量（來源：英國空氣質(zhì)量專家組）

這一問題亟待改善：歐7法規(guī)已專門對制動顆粒物排放設(shè)定了限制，并計劃確定輪胎磨損的限制4。

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

傳感器要求

在安全關(guān)鍵系統(tǒng)中，電子元件必須滿足多項關(guān)鍵技術(shù)要求。這些元件需具備固有精度、可靠性，并能夠承受車輛中的惡劣條件，如振動、溫度波動和電磁干擾（EMI）。傳感器還必須易于集成，并能夠與其他類型的傳感器協(xié)同工作，因為異構(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)的制動系統(tǒng)相比，線控制動系統(tǒng)需要在更多區(qū)域進行感知，并在系統(tǒng)各點實現(xiàn)更高的冗余度，因為它缺乏機械備份（圖2）。

圖2–從機械液壓制動系統(tǒng)到線控制動系統(tǒng)的演變（來源：邁來芯）

為確保安全運行，通常會部署多個傳感通道，這使得傳感器集成和靈活性成為工程師設(shè)計的關(guān)鍵考量。系統(tǒng)控制和反饋通過制動踏板位置和力傳感器以及安裝在卡鉗和制動液回路上的額外傳感器來收集。鑒于車輛這些區(qū)域面臨的溫度范圍、振動和噪聲（EMI）問題，系統(tǒng)各點的傳感器準(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跟蹤齒條位置，并驗證其移動是否與轉(zhuǎn)向角傳感器指示的需求一致（圖4）。

圖4–從機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的演變（來源：邁來芯）

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

邁來芯線控系統(tǒng)傳感器

邁來芯與汽車行業(yè)有著長期的合作關(guān)系，長期以來一直提供各種傳感技術(shù)。其產(chǎn)品線包括專為下一代線控系統(tǒng)設(shè)計的尖端磁性和電感式傳感器。

磁傳感器

邁來芯的磁傳感器，如MLX90423、MLX90424和MLX90427，利用邁來芯專有的Triaxis?技術(shù)，專為先進的汽車線控制動和線控轉(zhuǎn)向應(yīng)用而設(shè)計。與僅檢測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（IMC），能夠檢測XYZ三個磁通分量。這項技術(shù)使傳感器能夠準(zhǔn)確解碼任何移動磁鐵的絕對位置，無論是旋轉(zhuǎn)還是線性位移（圖3）。

圖3–Triaxis?解決方案可用于檢測線性、旋轉(zhuǎn)或“操縱桿”運動（來源：邁來芯）

Triaxis?傳感器，如MLX90423和MLX90427，符合ISO26262ASIL-C標(biāo)準(zhǔn)，并能夠承受高達5mT的雜散磁場，因此成為電動汽車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)的實現(xiàn)。MLX90424等產(chǎn)品在單一封裝中集成了兩個Triaxis?MLX90423傳感器和一個MLX92292低功耗鎖存和開關(guān)喚醒傳感器，為線控制動應(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，旨在進一步簡化先進線控系統(tǒng)的開發(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平臺中。

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

電感式傳感器

邁來芯電感傳感芯片（如MLX90513）對磁雜散場具有免疫性（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專為汽車和工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計，依托邁來芯在電感式傳感器領(lǐng)域超過15年的經(jīng)驗，是一款強大的接口，能夠感知旋轉(zhuǎn)和線性運動的絕對位置（圖5）。電感式傳感器通過發(fā)射線圈、目標(biāo)塊和三個接收線圈之間的電感耦合來工作。當(dāng)片上LC振蕩器通過發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場時，該電磁場會在三個接收線圈中感應(yīng)出與目標(biāo)塊（轉(zhuǎn)子）角度相關(guān)的電壓。

圖5–MLX90513三種運動類型（中）、線控制動踏板（左）和方向盤位置應(yīng)用（右）（來源：邁來

芯）

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

與磁傳感器類似，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，并促進與汽車平臺的無縫集成。

結(jié)論

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

然而，這些先進系統(tǒng)的成功實施依賴于高度精確、可靠且智能集成的傳感解決方案。這正是邁來芯的專長所在，其擁有尖端的Triaxis?磁性傳感器以及抗雜散場電感式傳感器，這些傳感器專為滿足汽車線控應(yīng)用的嚴格要求而設(shè)計。

邁來芯的傳感器具有無與倫比的精度、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能力，確保在最惡劣的汽車環(huán)境中也能表現(xiàn)出色。除了技術(shù)實力外，邁來芯的解決方案還通過內(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）以及通過輸入引腳集成外部信號的能力等特性，簡化了復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計。這種整體方法使汽車原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商能夠簡化開發(fā)周期，并降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

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

參考文獻

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_

Exhaust_Emissions_typeset_Final.pdf

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