Der Motorpositionssensor ist ein Gerät, das die Position des Rotors (rotierender Teil) im Motor relativ zum Stator (fester Teil) erkennt. Es wandelt die mechanische Position in ein elektrisches Signal um, das von der Motorsteuerung verwendet wird, um zu entscheiden, wann die Stromrichtung und -stärke des Motors geändert werden soll, und so die Drehzahl und das Drehmoment des Motors zu steuern.
Bei Fahrzeugen mit neuer Energie steht die präzise Steuerung des Motors in direktem Zusammenhang mit der Fahrsicherheit und Stabilität des Fahrzeugs sowie der genauen Positionsarbeit Der Sensor-Resolver kann die korrekte Reaktion des Motors in kritischen Momenten wie Notbremsung, Beschleunigung oder Lenkung sicherstellen. Dies ist besonders wichtig für Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), die über keine Kommutatoren mit physischem Kontakt verfügen und sich daher auf die vom Sensor bereitgestellten Positionsinformationen verlassen, um zu entscheiden, wann die Stromrichtung geändert werden muss, und um einen reibungslosen Betrieb des Motors sicherzustellen.
Derzeit gibt es zwei Arten von Motorpositionssensoren, die üblicherweise in Fahrzeugen mit neuer Energie verwendet werden: Wirbelstromsensoren und Rotationstransformatoren (Rotationssensoren).
01.
Der Unterschied zwischen Wirbel- und Wirbelströmen ergibt sich aus ihrem Grundprinzip
Obwohl Wirbelstromsensoren und Drehtransformatoren aufgrund ihrer unterschiedlichen Signalerzeugungsmaschinen und Signalverarbeitungsmethoden die Anforderungen der Motorpositionserkennung gut erfüllen können, gibt es je nach Anforderungen Unterschiede in bestimmten Produktanwendungen.
Bei der Wahl des Typs des Motorpositionssensors müssen auch andere Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B. Kosten, Genauigkeitsanforderungen, Anpassungsfähigkeit an die Umgebung, Zuverlässigkeit und Komplexität der Systemintegration, die eng mit dem grundlegenden Signalerzeugungs- und -verarbeitungsmechanismus zusammenhängen.
Nehmen wir als Beispiel den am häufigsten verwendeten Drehsensor, dessen Funktionsprinzip auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert. Das Prinzip der Signalerzeugung besteht darin, dass die Motorsteuerung ein Wechselstrom-Erregersignal mit konstanter Frequenz an die Erregerspule (Spule A) liefert und dieses Erregersignal ein magnetisches Wechselfeld im Inneren des Drehsensors erzeugt. Wenn sich der Rotor dreht, wird das von der Erregerspule erzeugte Magnetfeld unterbrochen, was zur Induktion von Wechselspannung in der Sinusspule B und der Kosinusspule C führt. Durch Messung der Phasendifferenz und Amplitude dieser beiden Signale können die absolute Position und Drehrichtung des Motorrotors genau berechnet werden.
◎ Bei der Signalverarbeitung empfängt und analysiert die Motorsteuerung die Sinus- und Cosinussignale des Drehsensors und berechnet die genauen Winkelinformationen über einen Softwarealgorithmus (normalerweise der Drehgeber-Analysealgorithmus). Um eine bessere Signalverarbeitung zu erreichen, ist in der Regel der Einsatz eines speziellen Decodierungschips erforderlich, der im Motorcontroller verbaut ist, natürlich kann dies auch durch Software-Decodierung erreicht werden.
Daher besteht die spezifische Form des Rotationssensors normalerweise aus einer Erregerspule (Primärspule, Spule A), zwei Ausgangsspulen (Sinusspule B und Cosinusspule C) und einem unregelmäßig geformten Metallrotor. Der Rotor ist koaxial zum Rotor des Motors und dreht sich mit der Drehung des Motors.
Der Wirbelstromsensor nutzt das elektromagnetische Induktionsprinzip, um das induzierte Wechselstromsignal mit der entsprechenden Spule am Sendeende und am Empfangsende zu senden und zu empfangen, um so die Position des Zielrades zu berechnen. Das Zielrad ist auf der rotierenden Welle befestigt und dreht sich zusammen mit dem Rotor. Die relative Position von Motorrotor und -stator kann durch Erfassen der Position des Impulsgeberrads gemessen werden.
◎ In Bezug auf die Signalverarbeitung erzeugt die Sendespule des Sensors beim Einschalten des Wirbelstromsensors ein erregendes Magnetfeld, und die Zielplatte folgt dem Motor, um sich zu drehen und das erregende Magnetfeld zu unterbrechen, sodass die Empfangsspule Spulenspannung erzeugt und das Sensormodul die Spulenspannung demoduliert und verarbeitet, um das Spannungssignal der entsprechenden Position zu erhalten. Anders als beim Rotationssensor ist der Signalverarbeitungschip des Wirbelstromsensors in den Sensor integriert und das digitale Signal kann direkt ausgegeben werden.
Daher besteht der Wirbelstromsensor normalerweise aus einer Anzahl von Zielkeulen, die der Anzahl der Polpaare des Motors entspricht. Die Spulengruppe besteht aus einer Sendespule und einer Empfangsspule, die am Motorstator befestigt sind. Der Wirbelstromsensor ist normalerweise direkt in der Leiterplatte angeordnet und der Signalverarbeitungschip ist integriert.
02.
Unterschiedliche Prinzipien führen zu unterschiedlichen technischen Schwerpunkten
Es ist ersichtlich, dass die Hauptunterschiede zwischen dem Rotationssensor und dem Wirbelstromsensor prinzipiell in der Anregungsart, dem Signalerzeugungsmechanismus und der Komplexität der Signalverarbeitung liegen. Die Vorteile des Drehsensors liegen hauptsächlich in der Stabilität des Anregungssignals und der Toleranz gegenüber der Arbeitsumgebung. Die Nachteile bestehen jedoch darin, dass der Einfluss der Änderung des Motorschemas größer ist und die Plattformkompatibilität schlecht ist. Der Vorteil des Wirbelstromsensors ist sein hoher Elektronisierungsgrad, die einfache Erfüllung der Anforderungen der Plattform und die starke Anti-EMV-Fähigkeit. Der Nachteil besteht darin, dass er in Bezug auf die Umgebungstoleranz etwas schwächer ist als der Drehsensor und die Kosten in einigen Szenen höher sind als der Drehsensor.
Die Plattformkompatibilität spiegelt sich zunächst im Geschwindigkeitsniveau wider. Die von der China Society of Automotive Engineering erstellte „Roadmap 2.0 für energiesparende und neue Energiefahrzeugtechnologie“ weist darauf hin, dass bis 2025 die maximale Arbeitsgeschwindigkeit des Positionssensors 20.000 U/min und die Decoderbandbreite > 2,5 kHz beträgt. Bis 2030 beträgt die maximale Arbeitsgeschwindigkeit des Positionssensors 25.000 U/min und die Decoderbandbreite >3,0 kHz. Es ist ersichtlich, dass der Drehsensor bei hoher Geschwindigkeit bestimmte Herausforderungen aufweist.
Dies liegt daran, dass die Erregerfrequenz des Drehsensors eng mit dem bei seiner Konstruktion berücksichtigten Geschwindigkeitszustand zusammenhängt und normalerweise mit dem aktuellen Geschwindigkeitszustand übereinstimmt. Mit zunehmender Geschwindigkeit ist für eine genaue Messung eine höhere Anregungsfrequenz erforderlich, was eine Änderung des Designs des Drehsensors erfordert.
Wirbelstromsensoren haben dieses Problem nicht. Effie Automotive erklärte gegenüber NE Time, dass sich das Design des Wirbelstromsensors besser an den Entwicklungstrend dieser hohen Geschwindigkeit anpassen könne. Aufgrund des breiten Unterstützungsspektrums, der schnellen Reaktion und der besseren Leistung bei der Hochfrequenzsignalverarbeitung können Wirbelstromsensoren für zukünftige Anwendungen mit höheren Geschwindigkeiten „aufwärtskompatibel“ sein. Daher kann die Plattformlösung besser in Motorprodukten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten umgesetzt werden. Tatsächlich ist dies einer der Faktoren, warum sich aktuelle Motorkunden für Wirbelstromlösungen entscheiden.
Aufgrund der Vielfalt der Wirbelstromsensoren, wie z. B. des Wellentyps, ist das Wellenende außerdem ähnlich und die Welle kann in O-Typ und C-Typ unterteilt werden (einige werden auch als Vollkreis und Halbkreis bezeichnet). Daher ist es relativ flexibler bei der Anpassung von Motorkonstruktionsplänen der Kunden.
03.
Unterschiedliche Prinzipien führen zu unterschiedlichen Herausforderungen bei der Kostensenkung
Die Kosten für Drehsensoren ergeben sich hauptsächlich aus Materialien und Hardware, einschließlich magnetischer Materialien (z. B. Siliziumstahlbleche), Spulen usw. Daher richten sich die Gesamtkosten nach der Größe. Normalerweise sind die Kosten umso höher, je größer die Größe ist.
Die Kernkosten des Wirbelstromsensors liegen hauptsächlich in seinen elektronischen Komponenten, Verarbeitungschips usw., die Kosten für elektronische Teile sind relativ fest, sodass die Kernkosten des Wirbelstromsensors nicht linear mit der Größe steigen.
Daher sind die Kosten von Wirbelstromsensoren für Großanwendungen niedriger als die von Rotationssensoren. Bei kleinen Motorsystemen bieten Drehsensoren jedoch gewisse Kostenvorteile. Wenn es um das konkrete Anwendungsschema geht, weist der konkrete Kostenvergleich natürlich auch einige Unterschiede auf, da der Signalverarbeitungschip des Drehsensors häufig nicht in die Kostenberechnung einbezogen wird.
Neben dem aktuellen Kostenvergleich muss auch auf den zukünftigen Kostensenkungsraum geachtet werden. Da derzeit die meisten Wirbelstromsensorchips von ausländischen Unternehmen stammen, können die Kosten mit der Erweiterung des Umfangs und der Reife inländischer Chipunternehmen in der späteren Phase weiter gesenkt werden. Der Abstiegsraum des Drehsensors ist jedoch relativ begrenzt.
Angesichts zukünftiger Kostenanforderungen sind Wirbelstromsensoren daher offensichtlich vorteilhafter. In den letzten Jahren ist der Marktanteil von Wirbelstromsensoren erheblich gestiegen, und auf dem heimischen Markt haben sich Fahrzeughersteller, darunter Geely und eine Reihe neuer Unternehmen, für das Wirbelstromsensorsystem entschieden.
04.
Die Wirbelstromsensorindustrie muss noch wachsen
Obwohl die Beliebtheit von Wirbelstromsensoranwendungen zunimmt, sind die am häufigsten verwendeten Sensoren immer noch Rotationssensoren, darunter die Vertriebsführer BYD und Tesla. Der Grund dafür liegt einerseits darin, dass Wirbelstromsensoren erst spät im Automobilbereich eingesetzt werden, andererseits gibt es nicht viele Lieferanten, die Wirbelstromsensoren anbieten können, und einige Unternehmen wie Effie und Sensata können sie in der Branche liefern.
Für Wirbelstromsensoren gibt es drei Hauptherausforderungen:
Tatsächlich wurden Wirbelstromsensoren im industriellen Bereich eingesetzt, aber im Automobilbereich müssen zunächst die Anforderungen an das Fahrzeugmessgerät erfüllt werden, insbesondere die Anforderungen an die funktionale Sicherheit. Nehmen wir als Beispiel Effie Automobile: Um die stabile Anwendung des Wirbelstromsensors sicherzustellen, folgt der Entwicklungsprozess strikt dem ISO26262-Prozess, um die Anforderungen an die funktionale Sicherheit zu gewährleisten.
◎ Die Herausforderung des Chips: Der Chip muss nicht nur die funktionalen Anforderungen erfüllen, sondern auch das Messgeräteniveau des Fahrzeugs erfüllen. Als Unternehmen für Wirbelstromsensoren ist es notwendig, einen Chip-Verifizierungsstandard zu etablieren, um die Verfügbarkeit des Chips zu bewerten, was auch für die spätere Anwendung inländischer Chips von entscheidender Bedeutung ist. Durch jahrelange Zusammenarbeit mit globalen Chipherstellern zur Einrichtung eines vollständigen Verifizierungsprozesses hat Effie Automotive ergeben, dass die Einführung inländischer Chips geplant ist, natürlich mit der Voraussetzung, die Standards zu erfüllen.
Zuverlässigkeitsprobleme, Wirbelstromsensor aufgrund der Einbaulage, der Arbeitsprozess ist anfällig für Thermoschocks im Motor, Kühlölspritzer und andere Herausforderungen, die besonders für den Chip größer sind. Die Lösung von Effie Automotive besteht darin, die Chipstelle mit einem Klebstoff zu behandeln und gleichzeitig die Temperaturanforderungen des Chips selbst zu erhöhen. Verbesserung der Anpassungsfähigkeit an die Umgebung und Verbesserung der Zuverlässigkeit.
Ob der Wirbelstrom in Zukunft den Rotationssensor vollständig ersetzen kann, ist noch unbekannt. Rotationssensoren verfügen außerdem über einen eigenen Produkt-Upgrade-Pfad, um den neuen Anforderungen des Motors gerecht zu werden. Allerdings ist die Wachstumsdynamik von Wirbelstromsensoren schneller als die von Rotationssensoren, und natürlich ist die Basis von Wirbelstromsensoren niedrig.
