ワイヤー制御システムを実装するための主要なコア技術とソリューション

長い間、自動車業界は機械工学と油圧工学によって支配されてきました。サスペンションや冷却システムからエンジンや制御システムに至るまで、車両システムの大部分は機械および油圧による制御と運用を利用しています。しかし、この状況は今変わりつつあります。自動車の知能化、電動化、排出規制のトレンドによって刺激され、自動車設計者は機械油圧システムを電気機械システムに変革し、自動車分野を革命化しています。自動車業界は、従来の機械油圧システムと比較して、新しい自動車機能に優れたサポートを提供できる次世代の「X-by-Wire」システムの開発にますます重点を置いています。この記事では、自動車のバイワイヤシステムの中核となる主要技術と、Melexis によって導入された関連ソリューションを紹介します。

自動車の設計は電動化と知能化に向かっています

自動車設計は伝統的に機械的制御が主流でしたが、自動車の電動化と知能化の開発動向により、電子部品が自動車設計システムに広範に組み込まれるようになっています。電子部品は1930年代から自動車に導入されていますが、主にエンジンのスターターや照明、オプションのラジオに使用されており、自動車の全体的な機械的特性は変わりませんでした。しかし、近数十年で自動車における電子システムの適用範囲は拡大し続けています。数多くの機械式ポンプや真空制御システムがソレノイド、ソリッドステートリレー、ピエゾセラミックスに置き換えられています。   一方、電子センサーやディスプレイは長い間、機械的ゲージのような機械的フィードバックシステムを置き換えてきました。それにもかかわらず、ステアリングやブレーキのような中核機能では、依然として機械および油圧システムが主流であり、電子部品は補助的な役割を担っています。この変革は、機能性と安全性を向上させ、精度を高め、統合を簡素化し、全体的なシステムの複雑さを軽減し、排出量とエネルギー消費を削減することを目的としています。   バイワイヤシステムは、自動車制御システムにおけるもう一つの大きな変化を表しています。バイワイヤシステムは、従来の機械的接続を電子制御メカニズムに置き換えます。これは自動車の設計と操作において重要な変化を示しており、スロットル、ブレーキ、ステアリングなどの基本的な機能が、もはやステアリングコラム、ケーブル、油圧ラインのような物理的接続に頼らなくなったことを示しています。代わりに、センサー、電気アクチュエータ、および制御ユニットがこれらの機能を管理します。   スロットルバイワイヤを例にとると、位置センサーを使用してアクセルペダルの位置を測定し、エンジンコントロールユニット（ECU）に信号を送信して電子的に出力を調整し、アクセルペダルとスロットルバルブの機械的な接続を置き換えます。機械的な接続がないことに懸念を抱く人もいるかもしれませんが、この概念は成功裏に実証されています。

バイワイヤシステムは、制御、効率、安全機能など、多くの利点を提供します。

バイワイヤシステムは、より細かな制御、より高い効率、安全機能の強化、そして自動運転のような新技術との互換性など、多くの利点を提供します。しかし、信頼性の確保や高度な統合と冗長性の要求を満たすことなど、さまざまな独自の課題にも直面しています。バイワイヤの操作は、スロットル、エンジン、一部のトランスミッションシステムで電子制御が用いられる自動車では一般的ですが、2つの主要な車両システム、つまりブレーキとステアリングシステムの変革は比較的遅れています。しかし、この状況は急速に変化しています。   ブレーキバイワイヤシステムは、ブレーキペダルの位置または圧力を監視するセンサーを使用し、電動油圧または電動機械式ブレーキアクチュエーター（ブレーキキャリパー）を駆動して制動力を制御します。ブレーキバイワイヤシステムは、先進運転支援システム（ADAS）や自動運転機能のシームレスな統合を可能にし、電気自動車（EV）の再生ブレーキを促進します。この機能により、車両のパワートレインモーターは制動力を生成し、減速中に電流の流れを逆にしてバッテリーパックを充電します。   ステアバイワイヤシステムは、ステアリングホイールを車輪に直接つなぐ機械的なステアリングコラムを完全に排除します。代わりに、ステアリング入力を識別するために電子センサーに依存し、それを車輪を駆動するアクチュエーターに伝達します。従来の機械的なステアリングシステムと比較して、ステアバイワイヤシステムは多くの利点を提供します。高度な機能（車線維持支援、衝突回避、可変ステアリング比率、自動運転能力など）の統合を簡素化し、特定のパッケージングの制約を軽減し、インホイールモーターの適用を可能にします（従来のステアリングラックでは達成が難しい）。さらに、物理的なステアリングコラムが不要になることにより、ステアバイワイヤシステムは革新的な車両デザインの新しい道を開き、車内空間とデザインの可能性を広げます。

「ドライ」ブレーキおよび操舵システムは、関連する排出物とメンテナンスの必要性を排除します

一方で、油圧システムは流体汚染や漏れに弱いため、安全な動作を確保するためには定期的なメンテナンスと流体の交換が必要です。ブレーキバイワイヤやステアバイワイヤシステムを純粋な電気機械アクチュエータと組み合わせることで、油圧アシストを完全に排除できます。これは自動車業界における新しいパラダイムを表しており、「ドライ」ブレーキおよびステアリングシステムを可能にし、車両内の流体量を削減し、それに関連する排出物とメンテナンスのニーズを排除します。   ブレーキバイワイヤ技術は、制動トルクの適用と解除をより迅速に行うことができます。精密な速度センサーと自動車知能システムと組み合わせることで、回生ブレーキの最大利用、制動トルクの最適化によるタイヤ摩耗の最小化、スロットルとブレーキの同時使用の完全回避など、ブレーキとタイヤ摩耗排出を最小化することができます。   安全が重要なシステムにおいては、電子部品は幾つかの重要な技術的要件を満たす必要があります。これらの部品は、固有の精度、信頼性、車両内の厳しい条件（振動、温度変動、電磁干渉（EMI）など）に耐える能力を備えている必要があります。センサーは統合が容易であり、異種冗長性がバイワイヤシステムの機能安全アーキテクチャの中核要素となっているため、他のタイプのセンサーと協働できる必要があります。   従来の制動システムと比較して、ブレーキバイワイヤシステムはより多くの領域での感知と、システムの各ポイントでの冗長性を高める必要があります。安全な動作を確保するために、複数の感知チャネルが通常採用されており、センサーの統合と柔軟性がエンジニアのデザインにおける重要な考慮事項となっています。システムの制御とフィードバックは、ブレーキペダルの位置と力のセンサー、およびキャリパーとブレーキフルード回路に設置された追加のセンサーを通じて収集されます。これらの車両の領域における温度範囲、振動、ノイズ（EMI）などの課題を考慮すると、センサーの精度と信頼性がシステムのあらゆるポイントで重要であり、高品質の冗長センサーの配備が必要です。   ステアバイワイヤシステムにおいては、ラックの位置を追跡し、その動きがステアリング角度センサーで示される要求と一致していることを確認するための補助センサーが必要です。同様に、信頼性が極めて重要であるため、異種冗長システム運用を達成するために複数の感知技術が採用されています。

バイワイヤシステム用の最先端の磁気および誘導センサー

Melexisは自動車業界と長期的な協力関係を持ち、多様なセンシング技術を長年提供してきました。その製品ラインには、次世代のバイワイヤシステム用に特別に設計された最先端の磁気および誘導センサーが含まれています。Melexisの磁気センサーは、MLX90423、MLX90424、およびMLX90427のような製品に代表されるように、Melexis独自のTriaxis®テクノロジーを利用し、先進的な自動車のブレーキバイワイヤやステアバイワイヤ用途に設計されています。従来のホールセンサーがホール素子の表面に垂直な磁束密度のみを検出するのに対し、Triaxis®センサーは組み込まれた磁気コンセントレーター（IMC）のおかげで、3つの磁束成分（XYZ）を検出することができます。この技術により、センサーは回転または直線移動であれ、任意の動く磁石の絶対位置を正確に解読することが可能になります。   MelexisのTriaxis®センサー、たとえばMLX90423とMLX90427は、ISO 26262 ASIL-C規格に準拠し、最大5mTの外部磁場に耐えることができ、他の磁気センサーに近いシステムや電気自動車に最適です。また、TSSOP-16デュアルダイパッケージで提供されており、追加の内蔵冗長性を提供し、ASIL-Dシステムの実装をサポートします。MLX90424のような製品は、一つのパッケージにTriaxis® MLX90423センサー2つとMLX92292低消費電力ラッチおよびスイッチ起動センサー1つを統合し、ブレーキバイワイヤ用途の究極のセンシングソリューションを提供します。   センシング要素に加えて、Triaxis®センサーは、先進的なバイワイヤシステムの開発をさらに容易にするために設計されたさまざまな主要機能を提供します。複数の出力モード（アナログ、SPI、PWM、SENT、MLX90377やMLX90376のチップに含まれるSPC機能を含む）は、マルチセンサーバスアーキテクチャのアプリケーションをサポートし、さまざまなシステム構成との互換性を確保し、多様な自動車プラットフォームへのスムーズな統合を可能にします。   さらに、MLX90372のようなチップにゲートウェイ（入力ピン）を組み込むことで、センサーは圧力センサー、力感知抵抗器、NTC温度センサーなどの外部ソースの信号を統合できます。この機能により、統合の可能性が強化され、ワイヤ本数が削減され、システム設計が簡素化されます。   さらに、MLX90513のようなMelexisの誘導センシングチップは、磁気外乱に対して免疫性を持ち（ISO 11452-8）、高い電磁干渉（EMI）環境での使用が可能で、MLX90423やMLX90427のような磁気センサーと組み合わせて使用することができます。これは、安全性が重要なバイワイヤシステムに求められる異種セットアップに理想的です。   MLX90513は、自動車および産業用アプリケーション向けに設計されており、Melexisが誘導センサーで培った15年以上の経験を活かしています。これは、回転運動および直線運動の絶対位置を感知する堅牢なインターフェースです。誘導センサーは、送信コイル、ターゲットピース、および3つの受信コイル間の誘導結合を通じて動作します。オンチップLCオシレーターが送信コイルを通じて電磁界を生成すると、この電界はターゲットピース（ローター）の角度に依存して3つの受信コイルに電圧を誘導します。   MLX90513の内部信号処理ユニットは、これら3つの信号をキャプチャし処理し、フルスケールの±0.1％の最大誤差で精密な位置情報を提供します。受信コイルは、それらの上にある金属ターゲットピース（ローター）のポール数に応じて相対配置されています。通常、これらのコイルはプリント基板上のトラックであり、簡単なカスタムデザインとブレーキバイワイヤおよびステアバイワイヤシステムへのエレガントな統合を促進します。   磁気センサーと同様に、MLX90513もISO 26262 ASIL-C規格に準拠し、マルチセンサーバス設定を考慮した4つの出力モード（SENT/SPC、PWM、およびアナログ）を提供し、自動車プラットフォームとのシームレスな統合を促進します。   Melexisのセンサーは、比類のない精度、広い動作温度範囲（-40°Cから160°C）、および電磁干渉や外部磁場に対する優れた耐性を提供し、最も過酷な自動車環境でも優れた性能を保証します。技術面での能力に加えて、Melexisのソリューションは、ASIL-Dシステム用のTSSOP-16デュアルダイパッケージのような内蔵冗長性、複数の出力モード（アナログ、SPI、PWM、SENT、SPC）、および入力ピンを介した外部信号の統合などの特徴により、複雑なシステム設計を簡素化します。このホリスティックなアプローチにより、自動車OEMおよびティア1サプライヤーは開発サイクルを簡素化し、全体のシステムの複雑さとコストを削減できます。

結論

自動車業界は、ステア・バイ・ワイヤやブレーキ・バイ・ワイヤ技術が次世代車両の基盤を形成する中で大きな変革を遂げています。これらの安全性が重要なシステムは、従来の機械的および油圧的な設定に比べて大きな利点を提供し、機能の向上、優れた制御を可能にし、より持続可能でクリーンでスマートなモビリティの未来に向けた重要な一歩を踏み出しています。しかし、これらの先進システムの成功した実装は、非常に精密で信頼性が高く、知的に統合されたセンサーソリューションに依存しています。この記事で紹介されたMelexis Triaxis®磁気センサーと外乱磁場耐性のある誘導センサーは、自動車用バイワイヤアプリケーションの厳格な要件を満たすよう設計されています。これらの高品質な位置センサーは、単なるコンポーネントではなく、未来の車両の安全性、性能、革新的な設計を保証する重要な助け手です。