汽车线控系统实施的核心关键技术和解决方案

长期以来，汽车行业一直由机械和液压工程主导。从悬架和冷却系统到发动机和控制系统，绝大多数车辆系统都采用机械和液压控制与操作。然而，这一状况正在改变：在汽车智能化、电气化及排放法规的驱动下，汽车设计师通过将机械-液压系统转变为机电系统，正在革新汽车领域。汽车行业越来越重视下一代“X-by-Wire”系统的开发，这些系统相比传统的机械-液压系统能为新兴的汽车功能提供更好的支持。本文介绍了汽车线控系统的核心关键技术以及Melexis推出的相关解决方案。

汽车设计正在向电气化和智能化转变

虽然汽车设计传统上由机械控制主导，但随着汽车电气化和智能化的发展趋势，电子元件正在广泛融入汽车设计系统。自20世纪30年代起，电子元件就已被引入汽车中，但其主要用于发动机起动机、照明和可选收音机，汽车的整体机械特性并未改变。然而，近几十年来，电子系统在汽车中的应用范围不断扩大。许多机械泵和真空控制系统已被电磁线圈、固态继电器和压电陶瓷所取代。   另一方面，电子传感器和显示器早已取代了机械反馈系统，例如机械仪表。然而，在转向和制动等核心功能上，机械和液压系统仍占主导地位，电子元件仅发挥辅助作用。这一转变旨在提升功能和安全性，提高精确度，简化集成，减少整体系统复杂性，并降低排放和能耗。   线控系统代表汽车控制系统的另一个重大变革。线控系统用电子控制机制取代传统的机械连接。这标志着汽车设计和操作的重大变化，基本功能如油门、制动和转向不再依赖于转向柱、电缆或液压管路等物理连接。取而代之的是传感器、电动执行器和控制单元管理这些功能。   以线控油门为例，它使用位置传感器测量油门踏板的位置，并将信号传输到发动机控制单元（ECU）进行电子功率调整，从而取代油门踏板与节气门之间的机械连接。尽管缺乏机械连接可能会引发一些担忧，但这一概念已被成功验证。

线控系统在控制、效率、安全功能等方面提供了许多优势。

线控系统提供了许多优点，包括更精细的控制、更高的效率、增强的安全功能，以及与自动驾驶等新兴技术的兼容性。然而，它们也面临一系列独特的挑战，如确保可靠性以及满足高级集成和冗余要求。尽管线控操作在汽车中已很常见，电子控制已经用于油门、发动机和一些传动系统，但两个主要车辆系统的转型相对较慢：制动和转向系统。然而，这种情况正在迅速改变。   线控制动系统使用传感器监测制动踏板位置或压力，并通过驱动电-液或电动制动执行器（制动卡钳）来控制制动力。线控制动系统能够无缝集成高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶功能，同时促进电动车辆（电动车）中的再生制动。该功能允许车辆的动力传动系统电机产生制动力，反转电流以在减速过程中为电池组充电。   线控转向系统完全移除了直接连接方向盘和车轮的机械转向柱。相反，系统依赖于电子传感器来识别转向输入并将其传递给驱动车轮的执行器。与传统的机械转向系统相比，线控转向系统提供了许多优势。它们简化了高级功能的集成（如车道保持辅助、碰撞避免、可变转向比和自动驾驶功能），同时缓解了一些封装限制，并使轮毂电机的应用成为可能（这对于典型的转向齿条来说很难实现）。此外，通过消除物理转向柱的需要，线控转向系统为创新车辆设计开辟了新途径，扩大了内部空间和设计可能性。

“干式”制动和转向系统消除相关的排放和维护需求

另一方面，由于液压系统容易受到流体污染和泄漏的影响，因此需要定期维护和更换液体以确保安全运行。刹车线控和转向线控系统的应用结合纯电动执行器可以完全消除液压辅助。这在汽车行业中代表一种新的范式，实现“干”制动和转向系统，减少车辆中的液体含量，从而消除相关的排放和维护需求。   刹车线控技术使得制动力矩的应用和释放速度更快。结合精确的速度传感器和汽车智能系统，可以通过多种方式减少刹车和轮胎磨损排放：最大化使用再生制动，优化制动力矩以最小化胎面磨损，并完全避免油门和刹车的同时使用。   在安全关键系统中，电子元件必须满足几个关键技术要求。这些元件需要具备固有的精确性、可靠性，并能够承受车辆中的恶劣条件，如振动、温度波动和电磁干扰（EMI）。传感器还必须易于集成，并能够与其他类型的传感器协同工作，因为异质冗余已成为线控系统功能安全架构的核心要素，以确保安全失效操作。   与传统制动系统相比，刹车线控系统由于缺乏机械后备，在更多区域需要传感，并在系统的每个点上具有更高的冗余。为了确保安全操作，通常部署多个传感通道，使得传感器的集成和灵活性成为工程师设计时的重要考虑因素。系统控制和反馈通过刹车踏板位置和力度传感器收集，以及安装在卡钳和刹车流体回路上的其他传感器。鉴于这些车辆区域中的温度范围、振动和噪声（EMI）挑战，传感器精确性和可靠性在系统的每个点上至关重要，需部署冗余的高质量传感器。   在转向线控系统中，需要额外的传感器来跟踪齿条位置，并验证其运动与转向角传感器指示的需求是否一致。同样，可靠性至关重要，因此部署了多种传感技术以实现异质冗余系统操作。

用于线控系统的尖端磁感应传感器

Melexis与汽车行业建立了长期合作关系，长期以来提供各种传感技术。其产品线包括专为下一代线控系统设计的尖端磁传感器和感应传感器。Melexis的磁传感器，如MLX90423、MLX90424和MLX90427，采用Melexis的Triaxis®专利技术，专为先进的汽车线控制动和线控转向应用而设计。不同于只检测Hall元件表面垂直磁通密度的传统霍尔传感器，Triaxis®传感器由于集成了磁通集中器（IMC），能够检测三个磁通分量（XYZ）。这一技术使传感器能够准确解码旋转或直线位移的任意移动磁体的绝对位置。   Melexis的Triaxis®传感器，如MLX90423和MLX90427，符合ISO 26262 ASIL-C标准，并能承受高达5 mT的杂散磁场，非常适合用于电动车或靠近其他磁传感器的系统。它们还提供TSSOP-16双芯片封装，提供额外的内置冗余，并支持ASIL-D系统的实现。像MLX90424这样的产品集成了两个Triaxis® MLX90423传感器和一个MLX92292低功耗锁存和开关唤醒传感器于一个封装内，为线控制动应用提供了终极传感解决方案。   除了传感元件，Triaxis®传感器还提供了一系列关键功能，旨在进一步简化先进线控系统的开发。多种输出模式（模拟、SPI、PWM和SENT，包括芯片如MLX90377和MLX90376中的SPC功能）支持多传感器总线架构的应用，确保与不同系统配置的兼容性，使其能够顺利集成到各类汽车平台中。   此外，通过在芯片如MLX90372中包含一个网关（输入引脚），传感器可以集成来自外部源的信号，如压力传感器、力感应电阻或NTC温度传感器。此功能增强了集成可能性，减少了导线数量，并简化了系统设计。   此外，Melexis的感应传感芯片（例如MLX90513）不受磁杂散场（ISO 11452-8）的影响，可以部署在高电磁干扰（EMI）环境中，并可与诸如MLX90423或MLX90427的磁传感器结合使用。这使其理想地适用于安全关键线控系统所需的异构设置。   MLX90513专为汽车和工业应用设计，充分利用Melexis在感应传感器领域超过15年的经验，是一种能够感知旋转和线性运动绝对位置的坚固接口。感应传感器通过发射线圈、目标件和三个接收线圈之间的感应耦合工作。当芯片上的LC振荡器通过发射线圈产生电磁场时，此电磁场在三个接收线圈中感应出一个电压，该电压取决于目标件（转子）的角度。   MLX90513的内部信号处理单元捕捉并处理这三个信号，提供精确的位置信息，最大误差为满量程的±0.1%。接收线圈相对于其上方的金属目标件（转子）的极数进行定位。通常，这些线圈是在印刷电路板上的轨道，便于简单定制设计，并优雅地集成到线控制动和线控转向系统中。   类似于磁传感器，MLX90513也符合ISO 26262 ASIL-C标准，提供四种输出模式（SENT/SPC、PWM和模拟），以适应多传感器总线设置，并促进与汽车平台的无缝集成。   Melexis的传感器提供无与伦比的精度、宽广的工作温度范围（-40°C至160°C），以及优秀的电磁干扰和杂散磁场免疫能力，确保即使在最苛刻的汽车环境中也能表现出色。除了技术能力之外，Melexis的解决方案通过内置冗余（如用于ASIL-D系统的TSSOP-16双芯片封装）、多种输出模式（模拟、SPI、PWM、SENT、SPC），以及通过输入引脚集成外部信号的能力，简化了复杂的系统设计。这种整体方法使汽车OEM和一级供应商能够简化开发周期，降低整体系统复杂性和成本。

结论

汽车行业正在经历深刻变革，其中线控转向和线控制动技术成为下一代车辆的基石。这些安全关键系统相比传统的机械和液压装置提供了显著优势，实现了增强的功能、卓越的控制，并为实现更可持续、更清洁、更智能的移动未来迈出了重要一步。然而，这些先进系统的成功实施依赖于高精度、可靠且智能集成的传感解决方案。本文介绍的Melexis Triaxis®磁传感器和抗杂场感应传感器旨在满足汽车线控应用的严格要求。这些高质量的位置传感器不仅仅是组件；它们是确保未来车辆安全、性能和创新设计的关键驱动因素。