مستشعر موضع المحرك هو جهاز يكتشف موضع الدوار (الجزء الدوار) في المحرك بالنسبة للجزء الثابت (الجزء الثابت). فهو يحول الوضع الميكانيكي إلى إشارة كهربائية لتستخدمها وحدة التحكم في المحرك لتحديد متى يتم تبديل الاتجاه الحالي للمحرك وقوته، وبالتالي التحكم في سرعة دوران المحرك وعزم الدوران.
في مركبات الطاقة الجديدة، يرتبط التحكم الدقيق في المحرك ارتباطًا مباشرًا بسلامة قيادة السيارة واستقرارها، والعمل الدقيق للوضعية. يمكن لمحلل المستشعر ضمان الاستجابة الصحيحة للمحرك في اللحظات الحرجة مثل فرامل الطوارئ أو التسارع أو التوجيه. يعد هذا مهمًا بشكل خاص للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM)، التي لا تحتوي على مبدلات اتصال مادية وبالتالي تعتمد على معلومات الموقع التي يوفرها المستشعر لتحديد وقت تبديل اتجاه التيار وضمان التشغيل السلس للمحرك.
في الوقت الحاضر، هناك نوعان من أجهزة استشعار موضع المحرك شائعة الاستخدام في مركبات الطاقة الجديدة، وأجهزة استشعار التيار الدوامي والمحولات الدوارة (أجهزة الاستشعار الدوارة).
01.
الفرق بين التيارات الدوامية والتيارات الدوامية ينبع من مبدأهما الأساسي
على الرغم من أن أجهزة استشعار التيار الدوامي والمحولات الدوارة يمكن أن تلبي متطلبات الكشف عن موضع المحرك بشكل جيد، نظرًا لاختلاف آلات توليد الإشارة وطرق معالجة الإشارات، ستكون هناك اختلافات في تطبيقات المنتج المحددة وفقًا للمتطلبات المختلفة.
يحتاج اختيار نوع مستشعر موضع المحرك أيضًا إلى مراعاة عوامل أخرى، مثل التكلفة ومتطلبات الدقة والقدرة على التكيف البيئي والموثوقية وتعقيد تكامل النظام، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بآلية توليد الإشارة الأساسية ومعالجتها.
لنأخذ على سبيل المثال المستشعر الدوار الأكثر استخدامًا، حيث يعتمد مبدأ عمله على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. مبدأ توليد الإشارة هو أن وحدة التحكم في المحرك توفر إشارة إثارة تيار متردد ثابتة التردد إلى ملف الإثارة (الملف A)، وتولد إشارة الإثارة هذه مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا داخل المستشعر الدوار. عندما يدور الدوار، يتم قطع المجال المغناطيسي الناتج عن ملف الإثارة، مما يؤدي إلى تحريض جهد التيار المتردد في الملف الجيبي B وملف جيب التمام C. من خلال قياس فرق الطور وسعة هاتين الإشارتين، يمكن حساب الموقع المطلق واتجاه دوران دوار المحرك بدقة.
◎ في معالجة الإشارات، تستقبل وحدة التحكم في المحرك إشارات الجيب وجيب التمام للمستشعر الدوار وتحللها، وتحسب معلومات الزاوية الدقيقة من خلال خوارزمية برمجية (عادةً خوارزمية تحليل التشفير الدوار). من أجل تحقيق معالجة أفضل للإشارات، عادةً ما يكون من الضروري تطبيق شريحة فك تشفير خاصة مثبتة في وحدة التحكم في المحرك، وبالطبع يمكن تحقيق ذلك أيضًا عن طريق فك تشفير البرنامج.
لذلك، في الشكل المحدد لمستشعر الدوران، يتكون عادة من ملف مثير (الملف الأساسي، الملف A)، ملفين للإخراج (ملف جيبي B وملف جيب التمام C) ودوار معدني غير منتظم الشكل. الدوار متحد المحور مع دوار المحرك ويدور مع دوران المحرك.
يستخدم مستشعر التيار الدوامي مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لإرسال واستقبال إشارة التيار المتردد المستحثة مع الملف المقابل في طرف الإرسال وطرف الاستقبال، وذلك لحساب موضع العجلة المستهدفة. يتم تثبيت العجلة المستهدفة على العمود الدوار وتدور مع الدوار. يمكن قياس الموضع النسبي لدوار المحرك والجزء الثابت من خلال اكتشاف موضع العجلة المستهدفة.
◎ فيما يتعلق بمعالجة الإشارات، عندما يتم تشغيل مستشعر التيار الدوامي، يولد ملف إرسال المستشعر مجالًا مغناطيسيًا مثيرًا، وتتبع اللوحة المستهدفة المحرك لتدوير المجال المغناطيسي المثير وقطعه، بحيث يولد ملف الاستقبال جهد الملف، ويتم إزالة تشكيل وحدة المستشعر ومعالجة جهد الملف للحصول على إشارة الجهد للموضع المقابل. بشكل مختلف عن المستشعر الدوار، تم دمج شريحة معالجة الإشارة الخاصة بمستشعر التيار الدوامي مع المستشعر، ويمكن إخراج الإشارة الرقمية مباشرة.
ولذلك، فإن حساس التيار الدوامي يتكون عادة من عدد من الفصوص المستهدفة التي تطابق عدد أزواج أقطاب المحرك. تتكون مجموعة الملف من ملف نقل وملف استقبال، يتم تثبيتهما على الجزء الثابت للمحرك، وعادة ما يتم ترتيب مستشعر التيار الدوامي مباشرة في PCB، ويتم دمج شريحة معالجة الإشارة.
02.
تؤدي المبادئ المختلفة إلى تركيز فني مختلف
يمكن ملاحظة أن الاختلافات الرئيسية بين مستشعر الدوران ومستشعر التيار الدوامي تكمن من حيث المبدأ في وضع الإثارة وآلية توليد الإشارة وتعقيد معالجة الإشارة. تتمثل مزايا المستشعر الدوار بشكل أساسي في استقرار إشارة الإثارة والتسامح مع بيئة العمل، ولكن العيوب هي أن تأثير تغيير مخطط المحرك أكبر، وتوافق المنصة ضعيف. تتمثل ميزة مستشعر التيار الدوامي في درجة عالية من الإلكترون، وسهولة تلبية احتياجات المنصة، وقدرة قوية على مقاومة EMC. العيب هو أنه أضعف قليلاً من الحساس الدوار من حيث التحمل البيئي، كما أن تكلفته أعلى من الحساس الدوار في بعض المشاهد.
ينعكس توافق النظام الأساسي أولاً في مستوى السرعة، أشارت 'خريطة الطريق 2.0 لتوفير الطاقة وتكنولوجيا مركبات الطاقة الجديدة' التي أعدتها الجمعية الصينية لهندسة السيارات إلى أنه بحلول عام 2025، ستكون سرعة العمل القصوى لمستشعر الموضع 20,000 دورة/دقيقة، وعرض النطاق الترددي لجهاز فك التشفير أكبر من 2.5 كيلو هرتز. بحلول عام 2030، ستكون سرعة العمل القصوى لمستشعر الموضع 25000 دورة/دقيقة، وسيكون عرض النطاق الترددي لجهاز فك التشفير أكبر من 3.0 كيلو هرتز. يمكن ملاحظة أن هناك تحديات معينة في المستشعر الدوار بسرعة عالية.
وذلك لأن تردد الإثارة للمستشعر الدوار يرتبط ارتباطًا وثيقًا بحالة السرعة التي تم أخذها في الاعتبار عند تصميمه، وعادةً ما يتطابق مع حالة السرعة الحالية. مع زيادة السرعة، مطلوب تردد أعلى من الإثارة لقياس دقيق، الأمر الذي يتطلب تغييرا في تصميم أجهزة الاستشعار الدوارة.
أجهزة استشعار التيار الدوامي لا تواجه هذه المشكلة. صرحت شركة Effie Automotive لـ NE Time أن تصميم مستشعر التيار الدوامي يمكن أن يتكيف بشكل أفضل مع اتجاه التطوير لهذه السرعة العالية. إن نطاق الدعم الواسع والاستجابة السريعة والأداء الأفضل في معالجة الإشارات عالية التردد يعني أن مستشعرات التيار الدوامي يمكن أن تكون 'متوافقة بشكل تصاعدي' للتطبيقات المستقبلية بسرعات أعلى. لذلك، يمكن تحقيق حل المنصة بشكل أفضل في منتجات المحركات ذات السرعات المختلفة. في الواقع، يعد هذا أحد العوامل التي تجعل عملاء المحركات الحاليين يختارون حلول التيار الدوامي،
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لتنوع أجهزة استشعار التيار الدوامي، مثل نوع العمود، فإن نهاية العمود متشابهة، ويمكن تقسيم العمود إلى نوع O ونوع C (يُطلق على بعضها أيضًا دائرة كاملة وشبه دائرة). ولذلك، فهي أكثر مرونة نسبيًا في تكييف مخططات تصميم المحركات للعملاء.
03.
تؤدي المبادئ المختلفة إلى تحديات مختلفة لخفض التكاليف
تأتي تكلفة أجهزة الاستشعار الدوارة بشكل أساسي من المواد والأجهزة، بما في ذلك المواد المغناطيسية (مثل صفائح الفولاذ السيليكونية)، والملفات، وما إلى ذلك. لذلك، يتم تحديد التكلفة الإجمالية وفقًا لحجمها، وعادةً كلما زاد الحجم، زادت التكلفة.
تكمن التكلفة الأساسية لمستشعر التيار الدوامي بشكل أساسي في مكوناته الإلكترونية ورقائق المعالجة وما إلى ذلك، وتكلفة الأجزاء الإلكترونية ثابتة نسبيًا، وبالتالي فإن التكلفة الأساسية لمستشعر التيار الدوامي لا تزيد خطيًا مع الحجم.
ولذلك، فإن تكلفة أجهزة استشعار التيار الدوامي أقل من تكلفة أجهزة الاستشعار الدوارة للتطبيقات واسعة النطاق. ومع ذلك، في مخططات المحركات الصغيرة الحجم، تتمتع أجهزة الاستشعار الدوارة بمزايا معينة من حيث التكلفة. بالطبع، عندما يتعلق الأمر بمخطط التطبيق المحدد، نظرًا لأن شريحة معالجة الإشارات الخاصة بالمستشعر الدوار لا يتم تضمينها غالبًا في حساب التكلفة، فإن مقارنة التكلفة المحددة لها أيضًا بعض الاختلافات.
بالإضافة إلى مقارنة التكلفة الحالية، من الضروري أيضًا الانتباه إلى مساحة خفض التكلفة المستقبلية. في الوقت الحاضر، نظرًا لأن معظم شرائح مستشعر التيار الدوامي تأتي من شركات أجنبية، فيمكن تقليل التكلفة بشكل أكبر مع توسيع نطاق ونضج شركات الرقائق المحلية في مرحلة لاحقة. ومع ذلك، فإن المساحة التنازلية للمستشعر الدوار محدودة نسبيًا.
ولذلك، عند مواجهة متطلبات التكلفة المستقبلية، من الواضح أن أجهزة استشعار التيار الدوامي تكون أكثر فائدة. في السنوات الأخيرة، ارتفعت حصة السوق من أجهزة استشعار التيار الدوامي بشكل كبير، وفي السوق المحلية، اختارت شركات السيارات، بما في ذلك جيلي وعدد من القوى الجديدة، نظام استشعار التيار الدوامي.
04.
لا تزال صناعة أجهزة الاستشعار الحالية الدوامة بحاجة إلى النمو
على الرغم من تزايد شعبية تطبيقات مستشعرات التيار الدوامي، إلا أن المستشعرات الأكثر شيوعًا لا تزال هي المستشعرات الدوارة، بما في ذلك شركتا BYD وTesla الرائدتين في المبيعات. والسبب في ذلك هو أنه، من ناحية، تم تطبيق أجهزة استشعار التيار الدوامي في وقت متأخر في مجال السيارات، ومن ناحية أخرى، لا يوجد العديد من الموردين الذين يمكنهم توفير أجهزة استشعار التيار الدوامي، ويمكن لعدد قليل من الشركات مثل Effie وSensata توريدها في الصناعة.
بالنسبة لأجهزة استشعار التيار الدوامي، هناك ثلاثة تحديات رئيسية:
في الواقع، تم تطبيق أجهزة استشعار التيار الدوامي في المجال الصناعي، ولكن في مجال السيارات، أول ما يجب الوفاء به هو متطلبات مستوى مقياس السيارة، وخاصة متطلبات السلامة الوظيفية. خذ Effie Automobile كمثال، من أجل ضمان التطبيق المستقر لمستشعر التيار الدوامي، فإن عملية التطوير تتوافق بشكل صارم مع عملية ISO26262 لضمان متطلبات مستوى السلامة الوظيفية.
◎ التحدي المتمثل في الشريحة، يجب ألا تفي الشريحة بالمتطلبات الوظيفية فحسب، بل يجب أيضًا أن تلبي مستوى قياس السيارة. باعتبارنا مؤسسة استشعار للتيار الدوامي، من الضروري وضع معيار للتحقق من الرقاقة لتقييم مدى توفر الرقاقة، وهو أمر بالغ الأهمية أيضًا للتطبيق اللاحق للرقائق المحلية. من خلال سنوات من التعاون مع الشركات المصنعة للرقائق العالمية لإنشاء عملية تحقق كاملة، كشفت شركة Effie Automotive أنه تم التخطيط لإدخال الرقائق المحلية، بالطبع، الفرضية هي تلبية المعايير.
تحديات الموثوقية، ومستشعر التيار الدوامي بسبب موضع التثبيت، وعملية العمل عرضة للصدمة الحرارية في المحرك، وتناثر زيت التبريد وغيرها من التحديات، وهو أمر أكبر بشكل خاص بالنسبة للرقاقة. الحل الذي تقدمه شركة Effie Automotive هو تطبيق معالجة لاصقة على موقع الشريحة، مع زيادة متطلبات درجة الحرارة للرقاقة نفسها. لتحسين القدرة على التكيف مع البيئة وتحسين الموثوقية.
في المستقبل، ما إذا كان التيار الدوامي يمكن أن يحل محل المستشعر الدوار بالكامل لا يزال غير معروف. تتمتع المستشعرات الدوارة أيضًا بمسار ترقية المنتج الخاص بها للتعامل مع الاحتياجات الجديدة للمحرك. ومع ذلك، فإن زخم نمو أجهزة استشعار التيار الدوامي أسرع من أجهزة الاستشعار الدوارة، وبالطبع فإن قاعدة أجهزة استشعار التيار الدوامي منخفضة.
