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MPS mCar電動汽車帶你玩轉角度傳感器 MPS 實力挑戰光電編碼器,與之一決高下


作者:    時間:2019/3/21 19:00:15  來源:   
2019年慕尼黑上海電子展上,MPS 演示的mCar電動汽車向業界高調展示了其超炫酷的角度傳感器和運動控制系統。


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獨特、并不以汽車為中心的展品——專門設計用于演示運動控制和角度傳感器的電動車輛。 


顯然,當聊及電動汽車時,浮現在大家腦海中的第一個公司并不一定是 MPS,尤其當你遨游在真實的電子展海洋中時,眼前到處充斥著琳瑯滿目的電動汽車公告和汽車相關產品。然而不可否認的是,當 MPS 的電動演示汽車mCar轉動著車輪,緩緩穿過陳列室的地板時,幾乎所有的目光都被它奇特的設計和造型所吸引。 

 


MPS's
演示視頻mCar自由馳騁在草地上

 

MPS 機械工程師兼mCar主設計師 Aaron Quitugua-Flores 解釋說,mCar其實算是MPS CEO Michael Hsing的創意。據報道,Hsing 酷愛汽車,并斷言一款極具特色的定制電動汽車必定會把 MPS 推向科技潮流的風口浪尖,即使MPS 并沒有機械車間來開發此種項目。


于是,便雇來大名鼎鼎的 Quitugua-Flores 親自操刀。


在過去的一年半里,這個團隊在圣何塞建造了一間機械車間,協同負責電機控制方面的中國團隊一起設計、制造并為mCar研發集成電路系統。


總而言之,mCar全然代表了一種對科技的勃勃野心——它只為演示產品而開發電動汽車,根本無需被電動汽車本身所束縛。

 

 

MPS 視頻mCar使用內向旋轉的輪胎畫圈圈

 

既然 MPS 并不是電動汽車領域的首選,那么mCar又是如何將電子元器件融合到電動汽車產品中呢?在功率相關組件、影音娛樂系統和汽車照明方面,MPS是不陌生,但對于 Quitugua-Flores 所稱的“宏觀規模”,卻一無所知。


“有幾個人過來問我,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來搭訕。”


MPS 并不打算賣汽車,但mCar卻展示了一些他們在應用中可能需要的功能。除了展示 MPS 的核心部件(功率調節器、電壓調節器、電壓變換器等)之外,mCar還希望能演示它的另外兩個主要功能:

·電機控制模塊

·角度傳感器

 

智能電機控制模塊

mCar展示了幾個智能電機模塊,包含了直流無刷電機以及集成在電機內部的控制模塊。“在這個集成模塊中,我們有一顆集成了位置檢測和磁場定向控制的芯片”Quitugua-Flores 補充道。其他相關電路板,也可以安裝在電機上,包括電機驅動器及板上微控制器。我們力求能打造出精簡可靠的集成解決方案。

 

mCar中的電機控制模塊

 

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


雖然智能電機還尚未完全準備好進入汽車領域,但直流無刷電機在許多其他領域的主導地位已經變得越來越明顯,例如機器人技術。

 

非接觸式磁角度傳感功能

除了智能電機,MPS 還希望mCar能展示給人們的另一種技術——角度傳感,因為它們的適用范圍更加廣泛。


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


在下面的圖像中,MPS 角度傳感器(由右側藍色 LED 顯示)被直接安裝到儀表盤另一側的轉向柱上,在駕駛員轉動車輪時進行傳感。 

 

 


從左到右,依次為方向盤、儀表盤和用來測量轉向柱角度的角度傳感器。

 

在這種情況下,傳感器信息由無線信號傳送至汽車其它部件,以指示車輪轉動等。Quitugua-Flores 說,mCar還需要開發的地方是遠程遙控功能。 

安裝在轉向柱上的角度傳感器,連同電路板和天線一起向車輪發送無線信號。

 

在油門和制動踏板上也同樣使用了相同的旋轉磁角傳感器,可通過無線或有線信號發送數據。類似于方向盤,在制動和加速踏板的樞軸點上也直接安裝有角度傳感器,以測量踏板被壓下的角度。

 

角度傳感器安裝在踏板旋轉軸的正對位置

 

“每個人都會設想,在未來的某一天,一切都可以通過有線或無線的方式進行操作。”這也是對未來的一種期許。


當然,mCar并不打算徹底改變電動汽車領域。因為這只是一項研發,我們不必立即考慮 NHTSA(國家公路交通安全管理局)這類的安全法規。 

 

懸掛控制:角度傳感器和電機控制

作為mCar的另一個特性,它不太會出現在傳統汽車環境中,但是 Quitugua-Flores 認為,正是因為它才使得演示變得如此炫酷。汽車的駕駛艙/駕駛員座椅可自由轉動,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置的,當駕駛員轉彎時,它們會傾斜到轉彎處,基本可以像飛機或摩托車一樣傾斜。“[司機]被推到座位上,而不是被側向地推開座位。” 

 

從mCar的下方可以看到:駕駛員座椅在轉彎處發生的傾斜。圖片由MPS提供

 

這是傳感器和電機控制系統協同工作的演示。

Quitugua-Flores 這樣解釋道: “我們可以安裝一個角度傳感器,檢測旋轉位置。然后把這些信息發送到我們的懸掛控制系統中。對于減震裝置我們也進行了設計,為其集成了直流無刷電機和智能電機,用來改變每次減震彈簧的長度,從而改變車體傾斜角度,即每個車輪的垂直傾斜角度。理想的情況是,當車拐彎,車架傾斜時,懸架就會隨之改變,這樣輪胎也會朝同一個方向傾斜。...從本質上說,它相當于一輛四輪摩托車。"

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

 

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

 

精度之戰: 磁角度傳感器對戰光電編碼器

雖然mCar演示的一些傳感功能和運動控制能有效地驅動電動汽車,但電動汽車終究不屬于高精度應用。Quitugua-Flores說,當前的競爭目標是光電編碼器,因為它和磁角度傳感器的功能相同。


“光電編碼器需要光盤和光源,光盤可安裝在任何旋轉元件上。常見的例子如電機軸。光穿過縫隙照射到安裝在轉子軸上的光盤上,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。”


相比之下,MPS 的磁角度傳感器則簡單的多。“我們所需的僅僅是一個簡單直徑磁化的圓盤,它可以連接到任何旋轉元件上,然后加上一個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,所以我們根本接觸不到旋轉元件。”從這個角度來看,它是一種由繁入簡的創新,“簡單的IC”對抗“一整套光學裝置,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優劣的一個難點。“某種程度上說,成本和其復雜性可能會成為實現光電編碼器的障礙”他說道。利用 MPS 專業的集成電路背景和知識,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出高精度的位置感測產品。Quitugua-Flores 說,實現更精確的解決方案與數據處理和濾波技術息息相關。從本質上講,它歸結為軟件開發的能力。


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

 

mCar中所展示的一些概念在汽車工業中將具有深遠的影響。它所展示的系統與當今科技界正在研發的應用程序息息相關——只是其演示方式比較獨特霸氣罷了。 

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