MPS 實(shí)力挑戰(zhàn)光電編碼器,與之一決高下

2019年慕尼黑上海電子展上，MPS 演示的mCar電動(dòng)汽車向業(yè)界高調(diào)展示了其超炫酷的角度傳感器和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

在今年的電子展中，不乏以汽車為中心的演示攤位。然而，更讓人眼前一亮的卻是一項(xiàng)獨(dú)特、并不以汽車為中心的展品——專門設(shè)計(jì)用于演示運(yùn)動(dòng)控制和角度傳感器的電動(dòng)車輛。

顯然，當(dāng)聊及電動(dòng)汽車時(shí)，浮現(xiàn)在大家腦海中的第一個(gè)公司并不一定是 MPS，尤其當(dāng)你遨游在真實(shí)的電子展海洋中時(shí)，眼前到處充斥著琳瑯滿目的電動(dòng)汽車公告和汽車相關(guān)產(chǎn)品。然而不可否認(rèn)的是，當(dāng) MPS 的電動(dòng)演示汽車mCar轉(zhuǎn)動(dòng)著車輪，緩緩穿過陳列室的地板時(shí)，幾乎所有的目光都被它奇特的設(shè)計(jì)和造型所吸引。

MPS's演示視頻mCar自由馳騁在草地上

MPS 機(jī)械工程師兼mCar主設(shè)計(jì)師 Aaron Quitugua-Flores 解釋說，mCar其實(shí)算是MPS CEO Michael Hsing的創(chuàng)意。據(jù)報(bào)道，Hsing 酷愛汽車，并斷言一款極具特色的定制電動(dòng)汽車必定會(huì)把 MPS 推向科技潮流的風(fēng)口浪尖，即使MPS 并沒有機(jī)械車間來開發(fā)此種項(xiàng)目。

于是，便雇來大名鼎鼎的 Quitugua-Flores 親自操刀。

在過去的一年半里，這個(gè)團(tuán)隊(duì)在圣何塞建造了一間機(jī)械車間，協(xié)同負(fù)責(zé)電機(jī)控制方面的中國(guó)團(tuán)隊(duì)一起設(shè)計(jì)、制造并為mCar研發(fā)集成電路系統(tǒng)。

總而言之，mCar全然代表了一種對(duì)科技的勃勃野心——它只為演示產(chǎn)品而開發(fā)電動(dòng)汽車，根本無(wú)需被電動(dòng)汽車本身所束縛。

MPS 視頻mCar使用內(nèi)向旋轉(zhuǎn)的輪胎畫圈圈

既然 MPS 并不是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的首選，那么mCar又是如何將電子元器件融合到電動(dòng)汽車產(chǎn)品中呢?在功率相關(guān)組件、影音娛樂系統(tǒng)和汽車照明方面，MPS是不陌生，但對(duì)于 Quitugua-Flores 所稱的“宏觀規(guī)模”，卻一無(wú)所知。

“有幾個(gè)人過來問我，我猜他們也是半開玩笑的，“我們能買這輛車嗎?”他說。“這也是我們打造這輛車的部分原因。我們希望那些并不一定知道 MPS 是做什么的人能夠進(jìn)來搭訕。”

MPS 并不打算賣汽車，但mCar卻展示了一些他們?cè)趹?yīng)用中可能需要的功能。除了展示 MPS 的核心部件(功率調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、電壓變換器等)之外，mCar還希望能演示它的另外兩個(gè)主要功能：

·電機(jī)控制模塊

·角度傳感器

智能電機(jī)控制模塊

mCar展示了幾個(gè)智能電機(jī)模塊，包含了直流無(wú)刷電機(jī)以及集成在電機(jī)內(nèi)部的控制模塊。“在這個(gè)集成模塊中，我們有一顆集成了位置檢測(cè)和磁場(chǎng)定向控制的芯片”Quitugua-Flores 補(bǔ)充道。其他相關(guān)電路板，也可以安裝在電機(jī)上，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及板上微控制器。我們力求能打造出精簡(jiǎn)可靠的集成解決方案。

mCar中的電機(jī)控制模塊

mCar的最初版本僅包含了磁角度傳感功能，而當(dāng)前的版本已更新迭代并集成了磁角度傳感功能和直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)控制系統(tǒng)，相當(dāng)于使用單個(gè)封裝來“控制一切”。

雖然智能電機(jī)還尚未完全準(zhǔn)備好進(jìn)入汽車領(lǐng)域，但直流無(wú)刷電機(jī)在許多其他領(lǐng)域的主導(dǎo)地位已經(jīng)變得越來越明顯，例如機(jī)器人技術(shù)。

非接觸式磁角度傳感功能

除了智能電機(jī)，MPS 還希望mCar能展示給人們的另一種技術(shù)——角度傳感，因?yàn)樗鼈兊倪m用范圍更加廣泛。

mCar擁有全電控特性。Quitugua-Flores說，“我們的方向盤完全由電子控制。還有一個(gè)磁角度傳感器，可以檢測(cè)到方向盤的角度，并將其轉(zhuǎn)換為各種轉(zhuǎn)向模式所需的輪胎角度。”

在下面的圖像中，MPS 角度傳感器(由右側(cè)藍(lán)色 LED 顯示)被直接安裝到儀表盤另一側(cè)的轉(zhuǎn)向柱上，在駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)車輪時(shí)進(jìn)行傳感。

從左到右，依次為方向盤、儀表盤和用來測(cè)量轉(zhuǎn)向柱角度的角度傳感器。

在這種情況下，傳感器信息由無(wú)線信號(hào)傳送至汽車其它部件，以指示車輪轉(zhuǎn)動(dòng)等。Quitugua-Flores 說，mCar還需要開發(fā)的地方是遠(yuǎn)程遙控功能。

安裝在轉(zhuǎn)向柱上的角度傳感器，連同電路板和天線一起向車輪發(fā)送無(wú)線信號(hào)。

在油門和制動(dòng)踏板上也同樣使用了相同的旋轉(zhuǎn)磁角傳感器，可通過無(wú)線或有線信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)。類似于方向盤，在制動(dòng)和加速踏板的樞軸點(diǎn)上也直接安裝有角度傳感器，以測(cè)量踏板被壓下的角度。

角度傳感器安裝在踏板旋轉(zhuǎn)軸的正對(duì)位置

“每個(gè)人都會(huì)設(shè)想，在未來的某一天，一切都可以通過有線或無(wú)線的方式進(jìn)行操作。”這也是對(duì)未來的一種期許。

當(dāng)然，mCar并不打算徹底改變電動(dòng)汽車領(lǐng)域。因?yàn)檫@只是一項(xiàng)研發(fā)，我們不必立即考慮 NHTSA(國(guó)家公路交通安全管理局)這類的安全法規(guī)。

懸掛控制：角度傳感器和電機(jī)控制

作為mCar的另一個(gè)特性，它不太會(huì)出現(xiàn)在傳統(tǒng)汽車環(huán)境中，但是 Quitugua-Flores 認(rèn)為，正是因?yàn)樗攀沟醚菔咀兊萌绱遂趴?。汽車的駕駛艙/駕駛員座椅可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從前后懸架模塊懸掛而下。正如 Quitugua-Flores 解釋的那樣，汽車的重心便是如此設(shè)置的，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)彎時(shí)，它們會(huì)傾斜到轉(zhuǎn)彎處，基本可以像飛機(jī)或摩托車一樣傾斜。“[司機(jī)]被推到座位上，而不是被側(cè)向地推開座位。”

從mCar的下方可以看到：駕駛員座椅在轉(zhuǎn)彎處發(fā)生的傾斜。圖片由MPS提供

這是傳感器和電機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)同工作的演示。

Quitugua-Flores 這樣解釋道: “我們可以安裝一個(gè)角度傳感器，檢測(cè)旋轉(zhuǎn)位置。然后把這些信息發(fā)送到我們的懸掛控制系統(tǒng)中。對(duì)于減震裝置我們也進(jìn)行了設(shè)計(jì),為其集成了直流無(wú)刷電機(jī)和智能電機(jī)，用來改變每次減震彈簧的長(zhǎng)度，從而改變車體傾斜角度，即每個(gè)車輪的垂直傾斜角度。理想的情況是，當(dāng)車拐彎，車架傾斜時(shí)，懸架就會(huì)隨之改變，這樣輪胎也會(huì)朝同一個(gè)方向傾斜。...從本質(zhì)上說，它相當(dāng)于一輛四輪摩托車。"

上面的角度傳感器直接連接到懸掛駕駛艙的軸上，這個(gè)傳感器指引懸架如何工作,以使駕駛員平穩(wěn)行駛。

這顯然不是典型車輛的一部分，但大多數(shù)概念城市公共電動(dòng)汽車中，甚至在一些全地形車輛中，都有它的身影。

精度之戰(zhàn): 磁角度傳感器對(duì)戰(zhàn)光電編碼器

雖然mCar演示的一些傳感功能和運(yùn)動(dòng)控制能有效地驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，但電動(dòng)汽車終究不屬于高精度應(yīng)用。Quitugua-Flores說，當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)是光電編碼器，因?yàn)樗痛沤嵌葌鞲衅鞯墓δ芟嗤?/p>

“光電編碼器需要光盤和光源，光盤可安裝在任何旋轉(zhuǎn)元件上。常見的例子如電機(jī)軸。光穿過縫隙照射到安裝在轉(zhuǎn)子軸上的光盤上，通過不同的切割方法在光盤上切割不斷縫隙，從而得到超高精度的位置感測(cè)。”

相比之下，MPS 的磁角度傳感器則簡(jiǎn)單的多。“我們所需的僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單直徑磁化的圓盤，它可以連接到任何旋轉(zhuǎn)元件上，然后加上一個(gè)3mm×3mm的IC用于角度傳感器，此 IC 要么直接放在圓盤前面，要么安裝在磁盤的一側(cè)，所以我們根本接觸不到旋轉(zhuǎn)元件。”從這個(gè)角度來看，它是一種由繁入簡(jiǎn)的創(chuàng)新，“簡(jiǎn)單的IC”對(duì)抗“一整套光學(xué)裝置，包括光源、解釋光、濾光，以及制作光盤所需的部件，而這些部件又取決于所需的精度水平。”

他還說道，MPS 制造集成電路的能力“也能夠大大降低成本”，這也許是比較這兩種技術(shù)優(yōu)劣的一個(gè)難點(diǎn)。“某種程度上說，成本和其復(fù)雜性可能會(huì)成為實(shí)現(xiàn)光電編碼器的障礙”他說道。利用 MPS 專業(yè)的集成電路背景和知識(shí)，我覺得我們可以有所作為。”

通向更精確的磁編方案之路

為說服客戶采用磁角度解決方案替代光電編碼器，MPS需要證明它有能力生產(chǎn)出高精度的位置感測(cè)產(chǎn)品。Quitugua-Flores 說，實(shí)現(xiàn)更精確的解決方案與數(shù)據(jù)處理和濾波技術(shù)息息相關(guān)。從本質(zhì)上講，它歸結(jié)為軟件開發(fā)的能力。

“關(guān)于磁學(xué)，”他說，“我們遇到的一些問題可能是磁體不完全對(duì)稱或者磁體相對(duì)于傳感器的安裝還不夠理想。而磁場(chǎng)的非線性是我們用來檢測(cè)位置的主要影響。因此，通過我們的軟件開發(fā)，我們可以克服不同組件在安裝和生產(chǎn)過程中的諸多缺陷。這也是我們的團(tuán)隊(duì)正在攻克的難題之一：如何研制出可靠而有效的工藝技術(shù)，以獲得更高的精度。”

mCar中所展示的一些概念在汽車工業(yè)中將具有深遠(yuǎn)的影響。它所展示的系統(tǒng)與當(dāng)今科技界正在研發(fā)的應(yīng)用程序息息相關(guān)——只是其演示方式比較獨(dú)特霸氣罷了。

那么，您對(duì)mCar的印象如何?對(duì)于光電編碼器和磁角度傳感器的比較，您有什么獨(dú)道見解嗎?歡迎在評(píng)論區(qū)分享您的觀點(diǎn)!