实现汽车线控系统的核心关键技术

Carlos Velásquez，迈来芯底盘系统专家

An illustration of a by-wire vehicle without mechanical linkages for the brakes or steering

长久以来，汽车行业一直以机械和液压工程为主导。从悬架、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。尽管自20世纪30年代起，电子元件就已被引入汽车，但主要应用于发动机启动器、照明以及可选装的收音机等方面，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持续拓展。众多机械泵和真空控制系统已被电磁阀、固态继电器和压电陶瓷所取代。同样，电子传感器和显示屏也早已取代了机械反馈系统，如机械仪表。尽管如此，在转向、制动等核心功能方面，机械和液压仍占据主导地位，电子元件仅发挥辅助作用。

这一局面如今正迎来转变：在汽车智能化、电动化趋势以及排放法规的共同推动下，汽车设计师们正通过将机械液压系统转变为机电系统，以实现汽车领域的革命性变革。这一转变旨在增强功能性和安全性、提升精度、简化集成、降低整体系统复杂性，并减少排放与能源消耗。因此，汽车行业愈发重视下一代“线控”（X-by-Wire）系统开发，这类系统能够为新兴汽车功能提供比传统机械液压系统更卓越的支持。

线控系统的转变

本质上，线控系统采用电子控制机制取代了传统的机械联动装置。这标志着汽车设计和运行方式的重大变革，其中，油门、制动和转向等基本功能不再依赖转向柱、拉索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对这些功能进行管理。

以线控油门为例，它采用位置传感器测量加速踏板位置，并将信号传输至发动机控制单元（ECU）以进行电子功率调节，从而取代了加速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部分人的担忧，但这一概念已得到成功验证。1969年推出的协和式飞机在诸多方面都是开创性的，但它也是第一架采用电传飞行控制技术的商用客机1。20世纪80年代中期，宝马7系车型率先在汽车行业应用了线控油门技术2。自那时起，该技术已成为几乎所有现代车辆的标配。

线控系统具有诸多优势，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，它们也面临着一系列独特的挑战，如确保可靠性以及满足先进的集成和冗余要求。

线控制动与线控转向

尽管线控操作在汽车中已屡见不鲜，如节气门、发动机和部分变速箱均采用电子控制，但有两个主要车辆系统的转变较为缓慢，即制动和转向系统。然而，这一状况正在迅速改变。

线控制动系统

线控制动系统利用传感器监测制动踏板位置或压力，并通过驱动电液或机电制动执行器（制动卡钳）来控制制动力。线控制动系统实现了自动驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶功能的无缝集成[4]，同时促进了电动汽车（EV）的再生制动。这一功能允许车辆的动力传动系统电机产生制动力，使电流方向反转，从而在制动过程中为电池组充电。

线控转向系统

线控转向系统则完全摒弃了将方向盘与车轮直接相连的机械转向柱。相反，该系统依靠电子传感器识别转向输入，并将其传达给驱动车轮的执行器。与传统机械转向系统相比，线控转向系统具有诸多优势。它简化了先进功能（如车道保持辅助、碰撞避免、可调转向比和自动驾驶能力）的集成，同时缓解了某些封装限制，并使得轮毂电机的应用成为可能（而传统转向齿条则难以实现）。此外，通过消除物理转向柱的需求，线控转向系统为创新车辆设计开辟了道路，拓展了内部空间和设计可能性。

由于涉及复杂性和成本问题，这些系统长期以来一直采用机械控制。然而，随着汽车自动化、电动化的推进以及新型传感器和执行器技术的应用，许多长期存在的障碍已被消除，线控转向和线控制动系统正成为下一代电动汽车的关键要素。

减少排放

液压系统易受流体污染和泄漏的影响，需要定期维护和更换流体以确保安全运行。而线控制动和线控转向系统结合纯机电执行器的应用，则可完全摒弃液压辅助。这代表了汽车行业的新范式，实现了“干式”制动和转向系统，减少了车辆中的流体量，从而消除了相关排放和维护需求。

随着排放法规的实施和电动汽车的引入，过去二十年来，细颗粒物PM10和PM2.5（分别小于10微米和2.5微米）的尾气排放已显著下降。

然而，由于制动和轮胎磨损产生的排放却在缓慢但持续地增加，并已成为车辆颗粒物排放的主要来源。图1展示了英国空气质量专家小组对2000年至2030年细粉尘排放（PM10）演变的估算3。

UK emissions of PM10 from road transport (Source: Air Quality Expert Group UK [2])
图 1 – 英国道路运输 PM10 排放量（来源：英国空气质量专家组）

这一问题亟待改善：欧7法规已专门对制动颗粒物排放设定了限制，并计划确定轮胎磨损的限制4。

线控制动技术能够更快地施加和释放制动扭矩，结合精确的速度传感器和汽车智能系统，可通过多种方式最大限度地减少制动和轮胎磨损排放：最大化利用再生制动，优化制动扭矩以最小化轮胎磨损，以及完全避免同时施加油门和制动。

传感器要求

在安全关键系统中，电子元件必须满足多项关键技术要求。这些元件需具备固有精度、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，因为异构冗余已成为线控系统功能安全架构的核心要素，以确保故障安全操作。

与传统的制动系统相比，线控制动系统需要在更多区域进行感知，并在系统各点实现更高的冗余度，因为它缺乏机械备份（图2）。

A comparison of an electrically assisted brake system vs a brake-by-wire system
图 2 – 从机械液压制动系统到线控制动系统的演变（来源：迈来芯）

为确保安全运行，通常会部署多个传感通道，这使得传感器集成和灵活性成为工程师设计的关键考量。系统控制和反馈通过制动踏板位置和力传感器以及安装在卡钳和制动液回路上的额外传感器来收集。鉴于车辆这些区域面临的温度范围、振动和噪声（EMI）问题，系统各点的传感器准确性和可靠性至关重要，因此需要部署冗余的高质量传感器。

在线控转向系统中，需要额外的传感器来跟踪齿条位置，并验证其移动是否与转向角传感器指示的需求一致（图4）。

A comparison of an electric power steering system vs a steer-by-wire system
图 4 – 从机械转向系统到线控转向系统的演变（来源：迈来芯）

同样，可靠性至关重要，因此会部署多种传感技术以实现异构冗余系统操作。

迈来芯线控系统传感器

迈来芯与汽车行业有着长期的合作关系，长期以来一直提供各种传感技术。其产品线包括专为下一代线控系统设计的尖端磁性和电感式传感器。

磁传感器

迈来芯的磁传感器，如 MLX90423、MLX90424 和 MLX90427，利用迈来芯专有的Triaxis®技术，专为先进的汽车线控制动和线控转向应用而设计。与仅检测垂直于霍尔元件表面的磁通密度的传统霍尔传感器不同，Triaxis®传感器由于集成了集磁点（IMC），能够检测XYZ三个磁通分量。这项技术使传感器能够准确解码任何移动磁铁的绝对位置，无论是旋转还是线性位移（图3）。

Melexis Triaxis solutions can be used to detect rotational, linear or “joystick” movement
图 3 – Triaxis® 解决方案可用于检测线性、旋转或“操纵杆”运动（来源：迈来芯）

Triaxis® 传感器，如 MLX90423 和 MLX90427，符合ISO 26262 ASIL-C标准，并能够承受高达5mT的杂散磁场，因此成为电动汽车或与其他磁性传感器距离较近的系统的绝佳选择。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。MLX90424等产品在单一封装中集成了两个Triaxis® MLX90423传感器和一个MLX92292低功耗锁存和开关唤醒传感器，为线控制动应用提供了终极传感解决方案。

除了传感元件外，Triaxis®传感器还提供了一系列关键特性，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MLX90377和MLX90376等芯片中的SPC功能）支持多传感器总线架构的应用，并确保与不同系统配置的兼容性，从而能够顺利集成到各种汽车平台中。

此外，通过在MLX90372等芯片中包含一个网关（输入引脚），传感器可以整合来自压力传感器、力敏电阻或NTC温度传感器等外部源的信号。这一特性增强了集成可能性，减少了线束数量，并简化了系统设计。

电感式传感器

迈来芯电感传感芯片（如 MLX90513）对磁杂散场具有免疫性（ISO 11452-8 ），因此可在高电磁干扰（EMI）环境中部署，并与MLX90423或MLX90427等磁性传感器结合使用。这使得它们成为安全关键线控系统所需异构设置的理想选择。

MLX90513专为汽车和工业应用而设计，依托迈来芯在电感式传感器领域超过15年的经验，是一款强大的接口，能够感知旋转和线性运动的绝对位置（图5）。电感式传感器通过发射线圈、目标块和三个接收线圈之间的电感耦合来工作。当片上LC振荡器通过发射线圈产生电磁场时，该电磁场会在三个接收线圈中感应出与目标块（转子）角度相关的电压。

The three movement types of the MLX90377 (central) accompanied by a brake-by-wire (left) and a steering wheel position (right) application
图 5 – MLX90513 三种运动类型（中）、线控制动踏板（左）和方向盘位置应用（右）（来源：迈来芯）

MLX90513的内部信号处理单元捕获并处理这三个信号，从而提供精确的位置信息，最大误差为满量程的0.1%。接收信号的线圈根据其上方金属目标块（转子）的极数相对布置。通常，这些线圈是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。

与磁传感器类似，MLX90513也符合ISO 26262 ASIL-C标准[3]，并提供四种输出模式（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。

结论

汽车行业正经历着深刻的变革，线控转向和线控制动技术正成为下一代车辆的基石。这些安全关键系统相较于传统的机械和液压设置具有显著优势，能够实现增强的功能性、卓越的控制性，并为实现更可持续、清洁和智能的出行未来迈出重要步伐。

然而，这些先进系统的成功实施依赖于高度精确、可靠且智能集成的传感解决方案。这正是迈来芯的专长所在，其拥有尖端的Triaxis®磁性传感器以及抗杂散场电感式传感器，这些传感器专为满足汽车线控应用的严格要求而设计。

迈来芯的传感器具有无与伦比的精度、宽工作温度范围（-40°C至160°C）以及出色的抗电磁干扰和杂散磁场能力，确保在最恶劣的汽车环境中也能表现出色。除了技术实力外，迈来芯的解决方案还通过内置冗余（如TSSOP-16双芯片封装，用于ASIL-D系统）、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等特性，简化了复杂的系统设计。这种整体方法使汽车原始设备制造商和一级供应商能够简化开发周期，并降低整体系统复杂性和成本。

随着行业迅速向电动化和更高水平的自动驾驶迈进，先进线控系统所提供的功能性和安全性将成为赢得消费者青睐的关键。高质量的位置传感器不仅仅是组件，更是确保未来车辆安全性、性能和创新设计的关键推动因素。

参考文献

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