MPS mCar电动汽车带你玩转角度传感器

MPS 实力挑战光电编码器,与之一决高下

2019年慕尼黑上海电子展上，MPS 演示的mCar电动汽车向业界高调展示了其超炫酷的角度传感器和运动控制系统。

在今年的电子展中，不乏以汽车为中心的演示摊位。然而，更让人眼前一亮的却是一项独特、并不以汽车为中心的展品——专门设计用于演示运动控制和角度传感器的电动车辆。 

显然，当聊及电动汽车时，浮现在大家脑海中的第一个公司并不一定是 MPS，尤其当你遨游在真实的电子展海洋中时，眼前到处充斥着琳琅满目的电动汽车公告和汽车相关产品。然而不可否认的是，当 MPS 的电动演示汽车mCar转动着车轮，缓缓穿过陈列室的地板时，几乎所有的目光都被它奇特的设计和造型所吸引。 

MPS’s演示视频mCar自由驰骋在草地上

MPS 机械工程师兼mCar主设计师 Aaron Quitugua-Flores 解释说，mCar其实算是MPS CEO Michael Hsing的创意。据报道，Hsing 酷爱汽车，并断言一款极具特色的定制电动汽车必定会把 MPS 推向科技潮流的风口浪尖，即使MPS 并没有机械车间来开发此种项目。

于是，便雇来大名鼎鼎的 Quitugua-Flores 亲自操刀。

在过去的一年半里，这个团队在圣何塞建造了一间机械车间，协同负责电机控制方面的中国团队一起设计、制造并为mCar研发集成电路系统。

总而言之，mCar全然代表了一种对科技的勃勃野心——它只为演示产品而开发电动汽车，根本无需被电动汽车本身所束缚。

MPS 视频mCar使用内向旋转的轮胎画圈圈

既然 MPS 并不是电动汽车领域的首选，那么mCar又是如何将电子元器件融合到电动汽车产品中呢？在功率相关组件、影音娱乐系统和汽车照明方面，MPS是不陌生，但对于 Quitugua-Flores 所称的“宏观规模”，却一无所知。

“有几个人过来问我，我猜他们也是半开玩笑的，“我们能买这辆车吗？”他说。“这也是我们打造这辆车的部分原因。我们希望那些并不一定知道 MPS 是做什么的人能够进来搭讪。”

MPS 并不打算卖汽车，但mCar却展示了一些他们在应用中可能需要的功能。除了展示 MPS 的核心部件（功率调节器、电压调节器、电压变换器等）之外，mCar还希望能演示它的另外两个主要功能：

• 电机控制模块

• 角度传感器

智能电机控制模块

mCar展示了几个智能电机模块，包含了直流无刷电机以及集成在电机内部的控制模块。“在这个集成模块中，我们有一颗集成了位置检测和磁场定向控制的芯片”Quitugua-Flores 补充道。其他相关电路板，也可以安装在电机上，包括电机驱动器及板上微控制器。我们力求能打造出精简可靠的集成解决方案。

mCar中的电机控制模块

mCar的最初版本仅包含了磁角度传感功能，而当前的版本已更新迭代并集成了磁角度传感功能和直流无刷电机（BLDC）控制系统，相当于使用单个封装来“控制一切”。

虽然智能电机还尚未完全准备好进入汽车领域，但直流无刷电机在许多其他领域的主导地位已经变得越来越明显，例如机器人技术。
 
非接触式磁角度传感功能

除了智能电机，MPS 还希望mCar能展示给人们的另一种技术——角度传感，因为它们的适用范围更加广泛。

mCar拥有全电控特性。Quitugua-Flores说，“我们的方向盘完全由电子控制。还有一个磁角度传感器，可以检测到方向盘的角度，并将其转换为各种转向模式所需的轮胎角度。”

在下面的图像中，MPS 角度传感器（由右侧蓝色 LED 显示）被直接安装到仪表盘另一侧的转向柱上，在驾驶员转动车轮时进行传感。 

从左到右，依次为方向盘、仪表盘和用来测量转向柱角度的角度传感器。

在这种情况下，传感器信息由无线信号传送至汽车其它部件，以指示车轮转动等。Quitugua-Flores 说，mCar还需要开发的地方是远程遥控功能。 

安装在转向柱上的角度传感器，连同电路板和天线一起向车轮发送无线信号。

在油门和制动踏板上也同样使用了相同的旋转磁角传感器，可通过无线或有线信号发送数据。类似于方向盘，在制动和加速踏板的枢轴点上也直接安装有角度传感器，以测量踏板被压下的角度。

角度传感器安装在踏板旋转轴的正对位置

“每个人都会设想，在未来的某一天，一切都可以通过有线或无线的方式进行操作。”这也是对未来的一种期许。

当然，mCar并不打算彻底改变电动汽车领域。因为这只是一项研发，我们不必立即考虑 NHTSA（国家公路交通安全管理局）这类的安全法规。 

悬挂控制：角度传感器和电机控制

作为mCar的另一个特性，它不太会出现在传统汽车环境中，但是 Quitugua-Flores 认为，正是因为它才使得演示变得如此炫酷。汽车的驾驶舱/驾驶员座椅可自由转动，从前后悬架模块悬挂而下。正如 Quitugua-Flores 解释的那样，汽车的重心便是如此设置的，当驾驶员转弯时，它们会倾斜到转弯处，基本可以像飞机或摩托车一样倾斜。“[司机]被推到座位上，而不是被侧向地推开座位。” 

从mCar的下方可以看到：驾驶员座椅在转弯处发生的倾斜。图片由MPS提供

这是传感器和电机控制系统协同工作的演示。

Quitugua-Flores 这样解释道: “我们可以安装一个角度传感器，检测旋转位置。然后把这些信息发送到我们的悬挂控制系统中。对于减震装置我们也进行了设计,为其集成了直流无刷电机和智能电机，用来改变每次减震弹簧的长度，从而改变车体倾斜角度，即每个车轮的垂直倾斜角度。理想的情况是，当车拐弯，车架倾斜时，悬架就会随之改变，这样轮胎也会朝同一个方向倾斜。...从本质上说，它相当于一辆四轮摩托车。"

上面的角度传感器直接连接到悬挂驾驶舱的轴上，
这个传感器指引悬架如何工作,以使驾驶员平稳行驶。

这显然不是典型车辆的一部分，但大多数概念城市公共电动汽车中，甚至在一些全地形车辆中，都有它的身影。

精度之战: 磁角度传感器对战光电编码器

虽然mCar演示的一些传感功能和运动控制能有效地驱动电动汽车，但电动汽车终究不属于高精度应用。Quitugua-Flores说，当前的竞争目标是光电编码器，因为它和磁角度传感器的功能相同。

“光电编码器需要光盘和光源，光盘可安装在任何旋转元件上。常见的例子如电机轴。光穿过缝隙照射到安装在转子轴上的光盘上，通过不同的切割方法在光盘上切割不断缝隙，从而得到超高精度的位置感测。”

相比之下，MPS 的磁角度传感器则简单的多。“我们所需的仅仅是一个简单直径磁化的圆盘，它可以连接到任何旋转元件上，然后加上一个3mm×3mm的IC用于角度传感器，此 IC 要么直接放在圆盘前面，要么安装在磁盘的一侧，所以我们根本接触不到旋转元件。”从这个角度来看，它是一种由繁入简的创新，“简单的IC”对抗“一整套光学装置，包括光源、解释光、滤光，以及制作光盘所需的部件，而这些部件又取决于所需的精度水平。”

他还说道，MPS 制造集成电路的能力“也能够大大降低成本”，这也许是比较这两种技术优劣的一个难点。“某种程度上说，成本和其复杂性可能会成为实现光电编码器的障碍”他说道。利用 MPS 专业的集成电路背景和知识，我觉得我们可以有所作为。”

通向更精确的磁编方案之路

为说服客户采用磁角度解决方案替代光电编码器，MPS需要证明它有能力生产出高精度的位置感测产品。Quitugua-Flores 说，实现更精确的解决方案与数据处理和滤波技术息息相关。从本质上讲，它归结为软件开发的能力。

“关于磁学，”他说，“我们遇到的一些问题可能是磁体不完全对称或者磁体相对于传感器的安装还不够理想。而磁场的非线性是我们用来检测位置的主要影响。因此，通过我们的软件开发，我们可以克服不同组件在安装和生产过程中的诸多缺陷。这也是我们的团队正在攻克的难题之一：如何研制出可靠而有效的工艺技术，以获得更高的精度。”

mCar中所展示的一些概念在汽车工业中将具有深远的影响。它所展示的系统与当今科技界正在研发的应用程序息息相关——只是其演示方式比较独特霸气罢了。 

那么，您对mCar的印象如何？对于光电编码器和磁角度传感器的比较，您有什么独道见解吗？欢迎在评论区分享您的观点！