Snímač polohy motoru je zařízení, které snímá polohu rotoru (rotující části) v motoru vzhledem ke statoru (pevná část). Převádí mechanickou polohu na elektrický signál pro použití ovladačem motoru k rozhodnutí, kdy přepnout směr a sílu proudu motoru, a tím ovládat rychlost otáčení a točivý moment motoru.
U nových energetických vozidel přesné ovládání motoru přímo souvisí s bezpečností jízdy a stabilitou vozidla a přesnou polohou senzorový resolver dokáže zajistit správnou reakci motoru v kritických okamžicích, jako je nouzové brzdění, akcelerace nebo řízení. To je důležité zejména u synchronních motorů s permanentními magnety (PMSM), které nemají komutátory s fyzickým kontaktem, a proto se při rozhodování, kdy přepnout směr proudu a zajistit hladký chod motoru, spoléhají na informace o poloze poskytnuté snímačem.
V současné době existují dva druhy snímačů polohy motoru běžně používané v nových energetických vozidlech, snímače vířivých proudů a rotační transformátory (rotační snímače).
01.
Rozdíl mezi vířivými a vířivými proudy vyplývá z jejich základního principu
Ačkoli snímače vířivých proudů a rotační transformátory mohou dobře splňovat požadavky detekce polohy motoru, vzhledem k jejich různým strojům pro generování signálu a metodám zpracování signálů budou existovat rozdíly ve specifických aplikacích produktů podle různých požadavků.
Při volbě typu snímače polohy motoru je také třeba vzít v úvahu další faktory, jako jsou náklady, požadavky na přesnost, přizpůsobivost prostředí, spolehlivost a složitost systémové integrace, které úzce souvisejí se základním mechanismem generování a zpracování signálu.
Vezměme si jako příklad nejpoužívanější rotační snímač, jehož pracovní princip je založen na principu elektromagnetické indukce. Princip generování signálu spočívá v tom, že řadič motoru poskytuje budicí signál střídavého proudu konstantní frekvence do budicí cívky (cívka A) a tento budicí signál generuje střídavé magnetické pole uvnitř rotačního snímače. Při otáčení rotoru se přeruší magnetické pole generované budicí cívkou, což má za následek indukci střídavého napětí v sinusové cívce B a kosinusové cívce C. Změřením fázového rozdílu a amplitudy těchto dvou signálů lze přesně vypočítat absolutní polohu a směr otáčení rotoru motoru.
◎ Při zpracování signálu ovladač motoru přijímá a analyzuje sinusové a kosinusové signály rotačního senzoru a vypočítává přesné informace o úhlu pomocí softwarového algoritmu (obvykle algoritmus analýzy rotačního kodéru). Pro dosažení lepšího zpracování signálu je většinou nutné aplikovat speciální dekódovací čip, který se instaluje do ovladače motoru a samozřejmě toho lze dosáhnout i softwarovým dekódováním.
Proto je ve specifickém tvaru snímače rotace obvykle složen z budicí cívky (primární cívka, cívka A), dvou výstupních cívek (sinusová cívka B a kosinusová cívka C) a nepravidelně tvarovaného kovového rotoru. Rotor je souosý s rotorem motoru a otáčí se s otáčením motoru.
Snímač vířivých proudů využívá princip elektromagnetické indukce k přenosu a příjmu indukovaného střídavého signálu s odpovídající cívkou na vysílacím a přijímacím konci, aby se vypočítala poloha cílového kola. Cílové kolo je upevněno na otočné hřídeli a otáčí se společně s rotorem. Vzájemná poloha rotoru motoru a statoru může být měřena detekcí polohy cílového kola.
◎ Pokud jde o zpracování signálu, když je senzor vířivých proudů zapnutý, vysílací cívka senzoru generuje budící magnetické pole a cílová deska sleduje motor, aby otáčela a přerušovala budicí magnetické pole, takže přijímací cívka generuje napětí cívky a modul senzoru demoduluje a zpracovává napětí cívky, aby získal napěťový signál odpovídající polohy. Na rozdíl od rotačního senzoru je čip pro zpracování signálu senzoru vířivých proudů integrován se senzorem a digitální signál může být vysílán přímo.
Proto se snímač vířivých proudů obvykle skládá z několika cílových laloků odpovídajících počtu pólových párů motoru. Skupina cívek se skládá z vysílací cívky a přijímací cívky, které jsou upevněny na statoru motoru a snímač vířivých proudů je obvykle uspořádán přímo v desce plošných spojů a je integrován čip pro zpracování signálu.
02.
Různé principy vedou k různému technickému zaměření
Je vidět, že hlavní rozdíly mezi snímačem rotace a snímačem vířivých proudů v principu spočívají v režimu buzení, mechanismu generování signálu a složitosti zpracování signálu. Výhody rotačního snímače jsou především ve stabilitě budícího signálu a toleranci pracovního prostředí, nevýhodou je však větší vliv změny schématu motoru a špatná kompatibilita platformy. Výhodou senzoru vířivých proudů je jeho vysoký stupeň elektronizace, snadné splnění potřeb platformy a silná anti-EMC schopnost. Nevýhodou je, že je o něco slabší než rotační senzor z hlediska tolerance prostředí a cena je v některých scénách vyšší než u rotačního senzoru.
Kompatibilita platformy se nejprve odráží v úrovni rychlosti, 'úspora energie a nová technologie energetických vozidel Roadmap 2.0' připravená Čínskou společností automobilového inženýrství poukázala na to, že do roku 2025 bude maximální pracovní rychlost snímače polohy 20 000 ot/min a šířka pásma dekodéru je > 2,5 kHz. Do roku 2030 bude maximální pracovní rychlost snímače polohy 25 000 ot/min a šířka pásma dekodéru > 3,0 kHz. Je vidět, že u rotačního snímače při vysoké rychlosti existují určité problémy.
Je to proto, že frekvence buzení rotačního snímače úzce souvisí se stavem otáček uvažovaným při jeho návrhu a obvykle odpovídá aktuálnímu stavu otáček. S rostoucími otáčkami je pro přesné měření potřeba vyšší frekvence buzení, což vyžaduje změnu konstrukce rotačního snímače.
Senzory vířivých proudů tento problém nemají. Effie Automotive řekl NE Time, že design senzoru vířivých proudů se může lépe přizpůsobit vývojovému trendu této vysoké rychlosti. Jeho široký rozsah podpory, rychlá odezva a lepší výkon při zpracování vysokofrekvenčního signálu znamenají, že senzory vířivých proudů mohou být 'nahoru kompatibilní' pro budoucí aplikace při vyšších rychlostech. Proto lze platformové řešení lépe realizovat v motorových produktech s různými rychlostmi. Ve skutečnosti je to jeden z faktorů, proč současní zákazníci motorů volí řešení vířivých proudů,
Kromě toho, vzhledem k rozmanitosti snímačů vířivých proudů, jako je typ hřídele, je konec hřídele podobný a hřídel lze rozdělit na typ O a typ C (některé se také nazývají plný kruh a půlkruh). Proto je relativně flexibilnější při přizpůsobování zákaznických návrhových schémat motoru.
03.
Různé principy vedou k různým problémům se snižováním nákladů
Náklady na rotační senzory pocházejí hlavně z materiálů a hardwaru, včetně magnetických materiálů (jako jsou plechy z křemíkové oceli), cívek a tak dále. Proto se celkové náklady určují podle jeho velikosti, obvykle čím větší velikost, tím vyšší náklady.
Základní cena senzoru vířivých proudů spočívá hlavně v jeho elektronických součástkách, zpracovatelských čipech atd., náklady na elektronické součástky jsou relativně fixní, takže základní cena senzoru vířivých proudů neroste lineárně s velikostí.
Proto jsou náklady na snímače vířivých proudů nižší než náklady na rotační snímače pro aplikace ve velkém měřítku. Avšak v malých schématech motorů mají rotační snímače určité nákladové výhody. Samozřejmě, pokud jde o konkrétní aplikační schéma, protože čip pro zpracování signálu rotačního snímače často není zahrnut do kalkulace nákladů, má konkrétní srovnání nákladů také určité rozdíly.
Kromě současného srovnání nákladů je třeba věnovat pozornost i budoucímu prostoru snižování nákladů. V současné době, protože většina čipů se senzory vířivých proudů pochází od zahraničních podniků, lze náklady dále snížit s rozšířením rozsahu a vyspělostí domácích čipových podniků v pozdější fázi. Sestupný prostor otočného snímače je však poměrně omezený.
Proto při budoucích požadavcích na náklady jsou senzory vířivých proudů samozřejmě výhodnější. V posledních letech tržní podíl senzorů na bázi vířivých proudů výrazně vzrostl a na domácím trhu automobilové společnosti, včetně Geely a řady nových sil, zvolily schéma senzorů vířivých proudů.
04.
Odvětví senzorů vířivých proudů stále potřebuje růst
Přestože obliba aplikací senzorů vířivých proudů roste, nejběžnějšími senzory jsou stále rotační senzory, včetně prodejních lídrů BYD a Tesla. Důvodem je to, že na jedné straně se senzory vířivých proudů v automobilovém průmyslu uplatňují pozdě a na druhé straně není mnoho dodavatelů, kteří mohou senzory vířivých proudů poskytnout, a několik společností, jako je Effie a Sensata, je může dodat v průmyslu.
Pro senzory vířivých proudů existují tři hlavní výzvy:
Ve skutečnosti byly senzory vířivých proudů aplikovány v průmyslové oblasti, ale v oblasti automobilového průmyslu je třeba jako první splnit požadavky na úroveň rozchodu vozidel, zejména požadavky na funkční bezpečnost. Vezměte si Effie Automobile jako příklad, aby byla zajištěna stabilní aplikace senzoru vířivých proudů, proces vývoje je přísně v souladu s procesem ISO26262, aby byly zajištěny požadavky na úroveň funkční bezpečnosti.
◎ Výzva čipu, čip musí nejen splňovat funkční požadavky, ale také splňovat úroveň rozchodu automobilu. Jako podnik zabývající se senzory na bázi vířivých proudů je nutné zavést standard ověřování čipů pro hodnocení dostupnosti čipu, což je také klíčové pro následnou aplikaci domácích čipů. Během let spolupráce s globálními výrobci čipů na zavedení kompletního ověřovacího procesu Effie Automotive odhalila, že zavedení domácích čipů bylo plánováno, samozřejmě, předpokladem je splnění standardů.
Problémy se spolehlivostí, senzor vířivých proudů kvůli montážní poloze, pracovní proces je náchylný k tepelným šokům v motoru, rozstřikování chladicího oleje a další problémy, což je zvláště větší pro čip. Řešením společnosti Effie Automotive je nanesení adhezivní úpravy na místo čipu a zároveň zvýšení teplotních požadavků samotného čipu. Zlepšit přizpůsobivost prostředí a zlepšit spolehlivost.
Zda může vířivý proud v budoucnu zcela nahradit rotační senzor, se zatím neví. Rotační senzory mají také vlastní cestu upgradu produktu, aby se vyrovnaly s novými potřebami motoru. Růstová hybnost senzorů na bázi vířivých proudů je však rychlejší než u rotačních senzorů a samozřejmě základna senzorů na bázi vířivých proudů je nízká.
