Motorpositionssensoren er en enhed, der registrerer rotorens position (roterende del) i motoren i forhold til statoren (fast del). Den konverterer den mekaniske position til et elektrisk signal til brug for motorstyringen til at bestemme, hvornår motorens strømretning og styrke skal skiftes, og derved styre motorens omdrejningstal og drejningsmoment.
I nye energikøretøjer er den præcise kontrol af motoren direkte relateret til køretøjets køresikkerhed og stabilitet og det nøjagtige arbejde med positionen sensor resolver kan sikre den korrekte reaktion af motoren på kritiske tidspunkter såsom nødbremsning, acceleration eller styring. Dette er især vigtigt for permanent magnet synkronmotorer (PMSM), som ikke har fysiske kontakt kommutatorer og derfor er afhængige af positionsinformationen fra sensoren for at beslutte, hvornår strømretningen skal skiftes og sikre jævn drift af motoren.
På nuværende tidspunkt er der to slags motorpositionssensorer, der almindeligvis anvendes i nye energikøretøjer, hvirvelstrømssensorer og roterende transformatorer (roterende sensorer).
01.
Forskellen mellem hvirvlende og hvirvelstrømme stammer fra deres grundlæggende princip
Selvom hvirvelstrømssensorer og roterende transformatorer godt kan opfylde kravene til motorpositionsdetektion, vil der på grund af deres forskellige signalgenereringsmaskiner og signalbehandlingsmetoder være forskelle i specifikke produktapplikationer i henhold til forskellige krav.
Valget af typen af motorpositionssensor skal også tage hensyn til andre faktorer, såsom omkostninger, nøjagtighedskrav, miljøtilpasningsevne, pålidelighed og systemintegrationskompleksitet, som er tæt forbundet med den grundlæggende signalgenererings- og behandlingsmekanisme.
Tag den mest almindeligt anvendte roterende sensor som et eksempel, dens arbejdsprincip er baseret på princippet om elektromagnetisk induktion. Princippet for signalgenerering er, at motorstyringen leverer et konstant frekvens AC excitationssignal til excitationsspolen (spole A), og dette excitationssignal genererer et vekslende magnetfelt inde i rotationssensoren. Efterhånden som rotoren roterer, afskæres det magnetiske felt, der genereres af excitationsspolen, hvilket resulterer i induktion af vekselspænding i den sinusformede spolen B og cosinusspolen C. Ved at måle faseforskellen og amplituden af disse to signaler kan motorrotorens absolutte position og rotationsretning beregnes nøjagtigt.
◎ Ved signalbehandling modtager og analyserer motorstyringen sinus- og cosinussignalerne fra rotationssensoren og beregner den præcise vinkelinformation gennem en softwarealgoritme (normalt den roterende encoder-analysealgoritme). For at opnå en bedre signalbehandling er det normalt nødvendigt at anvende en speciel dekodningschip, som er installeret i motorstyringen, og det kan selvfølgelig også opnås ved softwareafkodning.
Derfor er den i den specifikke form af rotationssensoren normalt sammensat af en exciteringsspole (primær spole, spole A), to udgangsspoler (sinusspole B og cosinusspole C) og en uregelmæssigt formet metalrotor. Rotoren er koaksial med motorens rotor og roterer med motorens rotation.
Hvirvelstrømssensoren bruger det elektromagnetiske induktionsprincip til at transmittere og modtage det inducerede AC-signal med den tilsvarende spole i den sendeende og den modtagende ende for at beregne positionen af målhjulet. Målhjulet er fastgjort på den roterende aksel og roterer sammen med rotoren. Den relative position af motorrotoren og statoren kan måles ved at detektere positionen af målhjulet.
◎ Med hensyn til signalbehandling, når hvirvelstrømssensoren er tændt, genererer sensorsenderspolen et spændende magnetfelt, og målpladen følger motoren for at rotere og skære det exciterende magnetiske felt, således at modtagespolen genererer spolespænding, og sensormodulet demoduleres og behandles spolespænding for at opnå positionsspændingssignalet for det tilsvarende. Forskellig fra rotationssensoren er hvirvelstrømssensorens signalbehandlingschip integreret med sensoren, og det digitale signal kan udsendes direkte.
Derfor består hvirvelstrømssensoren normalt af et antal mållapper, der matcher antallet af polpar på motoren. Spolegruppen består af en transmissionsspole og en modtagespole, som er fastgjort på motorstatoren, og hvirvelstrømssensoren er normalt anbragt direkte i printkortet, og signalbehandlingschippen er integreret.
02.
Forskellige principper fører til forskelligt teknisk fokus
Det kan ses, at hovedforskellene mellem rotationssensoren og hvirvelstrømssensoren i princippet ligger i excitationstilstanden, signalgenereringsmekanismen og kompleksiteten af signalbehandlingen. Fordelene ved den roterende sensor er hovedsageligt i stabiliteten af excitationssignalet og tolerancen af arbejdsmiljøet, men ulemperne er, at indflydelsen af ændringen af motorskemaet er større, og platformens kompatibilitet er dårlig. Fordelen ved hvirvelstrømssensoren er dens høje grad af elektronisering, let at opfylde platformens behov og stærke anti-EMC-evne. Ulempen er, at den er lidt svagere end den roterende sensor med hensyn til miljøtolerance, og prisen er højere end den roterende sensor i nogle scener.
Platformens kompatibilitet afspejles først i hastighedsniveauet, 'energibesparende og ny energikøretøjsteknologi Roadmap 2.0' udarbejdet af China Society of Automotive Engineering påpegede, at i 2025 er den maksimale arbejdshastighed for positionssensoren 20.000 r/min, og dekoderens båndbredde er >2,5 kHz. I 2030 er positionssensorens maksimale arbejdshastighed 25.000 r/min, og dekoderens båndbredde er >3,0 kHz. Det kan ses, at der er visse udfordringer i rotationssensoren ved høj hastighed.
Dette skyldes, at den roterende sensors excitationsfrekvens er tæt forbundet med den hastighedstilstand, der tages i betragtning, når den er designet, og normalt matcher den aktuelle hastighedstilstand. Efterhånden som hastigheden stiger, kræves en højere excitationsfrekvens for nøjagtig måling, hvilket kræver en ændring i design af rotationssensoren.
Hvirvelstrømssensorer har ikke dette problem. Effie Automotive fortalte NE Time, at designet af hvirvelstrømssensoren bedre kan tilpasse sig udviklingstendensen for denne høje hastighed. Dens brede vifte af support, hurtige respons og bedre ydeevne i højfrekvent signalbehandling betyder, at hvirvelstrømssensorer kan være 'opadkompatible' til fremtidige applikationer ved højere hastigheder. Derfor kan platformsløsningen bedre realiseres i motorprodukterne med forskellige hastigheder. Faktisk er dette en af de faktorer, som nuværende motorkunder vælger hvirvelstrømsløsninger,
Derudover, på grund af de mange forskellige hvirvelstrømssensorer, såsom akseltypen, er akselenden ens, og akslen kan opdeles i O-type og C-type (nogle kaldes også fuld cirkel og halvcirkel). Derfor er det relativt mere fleksibelt til at tilpasse kundernes motordesignordninger.
03.
Forskellige principper fører til forskellige omkostningsreduktionsudfordringer
Omkostningerne ved roterende sensorer kommer hovedsageligt fra materialer og hardware, herunder magnetiske materialer (såsom siliciumstålplader), spoler og så videre. Derfor bestemmes de samlede omkostninger i henhold til dens størrelse, normalt jo større størrelse, desto højere omkostninger.
Kerneomkostningerne ved hvirvelstrømssensor ligger hovedsageligt i dens elektroniske komponenter, behandlingschips osv., omkostningerne ved elektroniske dele er relativt faste, så kerneomkostningerne ved hvirvelstrømssensoren stiger ikke lineært med størrelsen.
Derfor er prisen på hvirvelstrømssensorer lavere end for rotationssensorer til store applikationer. Men i små motorsystemer har roterende sensorer visse omkostningsfordele. Når det kommer til den specifikke applikationsordning, fordi rotationssensorens signalbehandlingschip ofte ikke er inkluderet i omkostningsberegningen, har den specifikke omkostningssammenligning også nogle forskelle.
Ud over den nuværende omkostningssammenligning er det også nødvendigt at være opmærksom på det fremtidige omkostningsreduktionsrum. På nuværende tidspunkt, fordi de fleste af hvirvelstrømssensorchipsene kommer fra udenlandske virksomheder, kan omkostningerne reduceres yderligere med udvidelsen af skalaen og modenheden af indenlandske chipvirksomheder i det senere stadium. Den nedadgående plads af rotationssensoren er dog relativt begrænset.
Derfor, når man står over for fremtidige omkostningskrav, er hvirvelstrømssensorer naturligvis mere fordelagtige. I de senere år er markedsandelen for hvirvelstrømssensorer steget markant, og på hjemmemarkedet har køretøjsvirksomheder, herunder Geely og en række nye kræfter, valgt hvirvelstrømssensorordningen.
04.
Hvirvelstrømssensorindustrien mangler stadig at vokse
Selvom populariteten af hvirvelstrømssensorapplikationer er stigende, er de mest almindelige sensorer stadig roterende sensorer, inklusive salgslederne BYD og Tesla. Årsagen til dette er, at der på den ene side anvendes hvirvelstrømssensorer sent i bilbranchen, og på den anden side er der ikke mange leverandører, der kan levere hvirvelstrømssensorer, og nogle få virksomheder som Effie og Sensata kan levere dem i branchen.
For hvirvelstrømssensorer er der tre hovedudfordringer:
Faktisk er hvirvelstrømssensorer blevet anvendt i det industrielle område, men inden for bilindustrien er det første, der skal opfyldes, kravene til køretøjets målerniveau, især kravene til funktionel sikkerhed. Tag Effie Automobile som et eksempel, for at sikre en stabil anvendelse af hvirvelstrømssensoren er udviklingsprocessen strengt i overensstemmelse med ISO26262-processen for at sikre kravene til funktionelt sikkerhedsniveau.
◎ Chippens udfordring, chippen skal ikke kun opfylde de funktionelle krav, men også opfylde bilmåleniveauet. Som en hvirvelstrømssensorvirksomhed er det nødvendigt at etablere en chipverifikationsstandard for at evaluere chippens tilgængelighed, hvilket også er afgørende for den efterfølgende anvendelse af indenlandske chips. Gennem mange års samarbejde med globale chipproducenter for at etablere en komplet verifikationsproces, afslørede Effie Automotive, at introduktionen af indenlandske chips er planlagt, selvfølgelig, forudsætningen er at opfylde standarderne.
Pålidelighedsudfordringer, hvirvelstrømssensor på grund af installationspositionen, arbejdsprocessen er tilbøjelig til termisk stød i motoren, køleolieforstøvning og andre udfordringer, som især er større for chippen. Effie Automotives løsning er at anvende klæbende behandling på spånplaceringen, samtidig med at temperaturkravene til selve spånen øges. For at forbedre tilpasningsevnen til miljøet og forbedre pålideligheden.
I fremtiden er det stadig uvist, om hvirvelstrømmen helt kan erstatte rotationssensoren. Roterende sensorer har også deres egen produktopgraderingsvej for at klare de nye behov for motoren. Vækstmomentet for hvirvelstrømssensorer er dog hurtigere end roterende sensorer, og selvfølgelig er bunden af hvirvelstrømssensorer lav.
