El sensor de posición del motor es un dispositivo que detecta la posición del rotor (parte giratoria) del motor con respecto al estator (parte fija). Convierte la posición mecánica en una señal eléctrica para que la utilice el controlador del motor para decidir cuándo cambiar la dirección y la intensidad de la corriente del motor, controlando así la velocidad de rotación y el par del motor.
En los vehículos de nuevas energías, el control preciso del motor está directamente relacionado con la seguridad de conducción y la estabilidad del vehículo, y el trabajo preciso de la posición. El solucionador de sensores puede garantizar la respuesta correcta del motor en momentos críticos como frenado de emergencia, aceleración o dirección. Esto es particularmente importante para los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), que no tienen conmutadores de contacto físico y, por lo tanto, dependen de la información de posición proporcionada por el sensor para decidir cuándo cambiar la dirección de la corriente y garantizar un funcionamiento suave del motor.
En la actualidad, existen dos tipos de sensores de posición del motor comúnmente utilizados en vehículos de nueva energía, sensores de corrientes parásitas y transformadores rotativos (sensores rotativos).
01.
La diferencia entre corrientes giratorias y de Foucault surge de su principio básico.
Aunque los sensores de corrientes parásitas y los transformadores rotativos pueden cumplir con los requisitos de detección de la posición del motor, debido a sus diferentes máquinas de generación de señales y métodos de procesamiento de señales, habrá diferencias en las aplicaciones específicas del producto según los diferentes requisitos.
La elección del tipo de sensor de posición del motor también debe considerar otros factores, como el costo, los requisitos de precisión, la adaptabilidad ambiental, la confiabilidad y la complejidad de la integración del sistema, que están estrechamente relacionados con el mecanismo básico de generación y procesamiento de señales.
Tomemos como ejemplo el sensor giratorio más utilizado, su principio de funcionamiento se basa en el principio de inducción electromagnética. El principio de generación de señales es que el controlador del motor proporciona una señal de excitación de CA de frecuencia constante a la bobina de excitación (bobina A), y esta señal de excitación genera un campo magnético alterno dentro del sensor giratorio. A medida que el rotor gira, el campo magnético generado por la bobina de excitación se corta, lo que da como resultado la inducción de voltaje de CA en la bobina sinusoidal B y la bobina coseno C. Al medir la diferencia de fase y la amplitud de estas dos señales, se puede calcular con precisión la posición absoluta y la dirección de rotación del rotor del motor.
◎ En el procesamiento de señales, el controlador del motor recibe y analiza las señales seno y coseno del sensor giratorio y calcula la información precisa del ángulo mediante un algoritmo de software (normalmente el algoritmo de análisis del codificador giratorio). Para lograr un mejor procesamiento de la señal, generalmente es necesario aplicar un chip decodificador especial, que se instala en el controlador del motor y, por supuesto, también se puede lograr mediante decodificación de software.
Por lo tanto, en la forma específica del sensor de rotación, generalmente se compone de una bobina excitadora (bobina primaria, bobina A), dos bobinas de salida (bobina sinusoidal B y bobina coseno C) y un rotor metálico de forma irregular. El rotor es coaxial con el rotor del motor y gira con la rotación del motor.
El sensor de corrientes parásitas utiliza el principio de inducción electromagnética para transmitir y recibir la señal de CA inducida con la bobina correspondiente en el extremo transmisor y el extremo receptor, para calcular la posición de la rueda objetivo. La rueda objetivo está fijada en el eje giratorio y gira junto con el rotor. La posición relativa del rotor del motor y el estator se puede medir detectando la posición de la rueda objetivo.
◎ En términos de procesamiento de señales, cuando se enciende el sensor de corrientes parásitas, la bobina transmisora del sensor genera un campo magnético excitante y la placa objetivo sigue al motor para girar y cortar el campo magnético excitante, de modo que la bobina receptora genera voltaje de bobina y el módulo del sensor demodula y procesa el voltaje de la bobina para obtener la señal de voltaje de la posición correspondiente. A diferencia del sensor giratorio, el chip de procesamiento de señal del sensor de corrientes parásitas está integrado con el sensor y la señal digital se puede emitir directamente.
Por lo tanto, el sensor de corrientes parásitas normalmente consta de varios lóbulos objetivo que coinciden con el número de pares de polos del motor. El grupo de bobinas consta de una bobina de transmisión y una bobina receptora, que se fijan en el estator del motor, y el sensor de corrientes parásitas generalmente está dispuesto directamente en la PCB y el chip de procesamiento de señal está integrado.
02.
Diferentes principios conducen a diferentes enfoques técnicos
Se puede ver que las principales diferencias entre el sensor de rotación y el sensor de corrientes parásitas radican, en principio, en el modo de excitación, el mecanismo de generación de señales y la complejidad del procesamiento de señales. Las ventajas del sensor giratorio residen principalmente en la estabilidad de la señal de excitación y la tolerancia del entorno de trabajo, pero las desventajas son que la influencia del cambio del esquema del motor es mayor y la compatibilidad de la plataforma es deficiente. La ventaja del sensor de corrientes parásitas es su alto grado de electronización, su facilidad para satisfacer las necesidades de la plataforma y su fuerte capacidad anti-EMC. La desventaja es que es ligeramente más débil que el sensor giratorio en términos de tolerancia ambiental y el costo es mayor que el sensor giratorio en algunas escenas.
La compatibilidad de la plataforma se refleja primero en el nivel de velocidad, la 'Hoja de ruta 2.0 de tecnología de vehículos de nueva energía y ahorro de energía' preparada por la Sociedad China de Ingeniería Automotriz señaló que para 2025, la velocidad máxima de funcionamiento del sensor de posición será de 20.000 r/min y el ancho de banda del decodificador será >2,5 kHz. Para 2030, la velocidad máxima de trabajo del sensor de posición será de 25.000 r/min y el ancho de banda del decodificador será >3,0 kHz. Se puede observar que existen ciertos desafíos en el sensor giratorio a alta velocidad.
Esto se debe a que la frecuencia de excitación del sensor giratorio está estrechamente relacionada con el estado de velocidad considerado cuando se diseña y, por lo general, coincide con el estado de velocidad actual. A medida que aumenta la velocidad, se requiere una mayor frecuencia de excitación para una medición precisa, lo que requiere un cambio en el diseño del sensor giratorio.
Los sensores de corrientes de Foucault no tienen este problema. Effie Automotive dijo a NE Time que el diseño del sensor de corrientes parásitas puede adaptarse mejor a la tendencia de desarrollo de esta alta velocidad. Su amplia gama de soporte, respuesta rápida y mejor rendimiento en el procesamiento de señales de alta frecuencia significan que los sensores de corrientes parásitas pueden ser 'compatibles hacia arriba' para aplicaciones futuras a velocidades más altas. Por lo tanto, la solución de plataforma se puede implementar mejor en productos de motor con diferentes velocidades. De hecho, este es uno de los factores por los que los clientes actuales de motores eligen soluciones de corrientes parásitas,
Además, debido a la variedad de sensores de corrientes parásitas, como el tipo de eje, el extremo del eje es similar y el eje se puede dividir en tipo O y tipo C (algunos también se denominan círculo completo y semicírculo). Por lo tanto, es relativamente más flexible a la hora de adaptar los esquemas de diseño de motores del cliente.
03.
Diferentes principios conducen a diferentes desafíos de reducción de costos
El costo de los sensores rotativos proviene principalmente de los materiales y el hardware, incluidos los materiales magnéticos (como láminas de acero al silicio), bobinas, etc. Por lo tanto, el costo total se determina según su tamaño, generalmente cuanto mayor sea el tamaño, mayor será el costo.
El costo central del sensor de corrientes de Foucault reside principalmente en sus componentes electrónicos, chips de procesamiento, etc., el costo de las piezas electrónicas es relativamente fijo, por lo que el costo central del sensor de corrientes de Foucault no aumenta linealmente con el tamaño.
Por lo tanto, el costo de los sensores de corrientes parásitas es menor que el de los sensores rotativos para aplicaciones a gran escala. Sin embargo, en esquemas de motores de tamaño pequeño, los sensores rotativos tienen ciertas ventajas de costo. Por supuesto, cuando se trata del esquema de aplicación específico, debido a que el chip de procesamiento de señal del sensor giratorio a menudo no se incluye en el cálculo de costos, la comparación de costos específicos también tiene algunas diferencias.
Además de la comparación de costos actual, también es necesario prestar atención al espacio de reducción de costos futuro. En la actualidad, debido a que la mayoría de los chips de sensores de corrientes parásitas provienen de empresas extranjeras, el costo puede reducirse aún más con la expansión de la escala y la madurez de las empresas de chips nacionales en la etapa posterior. Sin embargo, el espacio descendente del sensor giratorio es relativamente limitado.
Por lo tanto, a la hora de afrontar futuras necesidades de costes, los sensores de corrientes parásitas son obviamente más ventajosos. En los últimos años, la cuota de mercado de los sensores de corrientes de Foucault ha aumentado significativamente y, en el mercado nacional, las empresas de vehículos, incluida Geely y varias fuerzas nuevas, han elegido el esquema de sensores de corrientes de Foucault.
04.
La industria de los sensores de corrientes parásitas todavía necesita crecer
Aunque la popularidad de las aplicaciones de sensores de corrientes parásitas está aumentando, los sensores más comunes siguen siendo los sensores rotativos, incluidos los líderes de ventas BYD y Tesla. La razón de esto es que, por un lado, los sensores de corrientes de Foucault se utilizan tarde en el campo de la automoción y, por otro lado, no hay muchos proveedores que puedan proporcionar sensores de corrientes de Foucault y unas pocas empresas como Effie y Sensata pueden suministrarlos en la industria.
Para los sensores de corrientes parásitas, existen tres desafíos principales:
De hecho, los sensores de corrientes parásitas se han aplicado en el campo industrial, pero en el campo de la automoción, lo primero que se debe cumplir son los requisitos del nivel de ancho del vehículo, especialmente los requisitos de seguridad funcional. Tomemos a Effie Automobile como ejemplo. Para garantizar la aplicación estable del sensor de corrientes parásitas, el proceso de desarrollo sigue estrictamente el proceso ISO26262 para garantizar los requisitos del nivel de seguridad funcional.
◎ El desafío del chip es que el chip no solo debe cumplir con los requisitos funcionales, sino también con el nivel de calibre del automóvil. Como empresa de sensores de corrientes parásitas, es necesario establecer un estándar de verificación de chips para evaluar la disponibilidad del chip, lo que también es crucial para la aplicación posterior de chips domésticos. A través de años de cooperación con fabricantes globales de chips para establecer un proceso de verificación completo, Effie Automotive reveló que se ha planificado la introducción de chips nacionales, por supuesto, la premisa es cumplir con los estándares.
Desafíos de confiabilidad, sensor de corrientes parásitas debido a la posición de instalación, el proceso de trabajo es propenso a choques térmicos en el motor, salpicaduras de aceite de refrigeración y otros desafíos, lo que es especialmente mayor para el chip. La solución de Effie Automotive es aplicar un tratamiento adhesivo en la ubicación del chip y al mismo tiempo aumentar los requisitos de temperatura del propio chip. Mejorar la adaptabilidad al medio ambiente y mejorar la fiabilidad.
En el futuro aún se desconoce si las corrientes parásitas podrán sustituir completamente al sensor giratorio. Los sensores rotativos también tienen su propia ruta de actualización de productos para hacer frente a las nuevas necesidades del motor. Sin embargo, el impulso de crecimiento de los sensores de corrientes parásitas es más rápido que el de los sensores giratorios y, por supuesto, la base de los sensores de corrientes parásitas es baja.
