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，但對于 Quitugua-Flores 所稱的“宏觀規(guī)?！?，卻一無所知。

　　“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?！?/p>

　　MPS 并不打算賣汽車，但mCar卻展示了一些他們在應(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和磁場定向控制的芯片”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?！?/p>

　　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線的方式進(jìn)行操作。”這也是對未來的一種期許。

　　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帷Ｆ嚨鸟{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?！埃鬯緳C(jī)］被推到座位上，而不是被側(cè)向地推開座位?！?/p>

　　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。對于減震裝置我們也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為其集成了直流無刷電機(jī)和智能電機(jī)，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(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)前的競爭目標(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。”

　　相比之下，MPS 的磁角度傳感器則簡單的多?！拔覀兯璧膬H僅是一個(gè)簡單直徑磁化的圓盤，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，它是一種由繁入簡的創(chuàng)新，“簡單的IC”對抗“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)?！澳撤N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?！?/p>

　　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(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?！?/p>

　　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mCar的印象如何？對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)！