سنسور موقعیت موتور وسیله ای است که موقعیت روتور (قطع چرخان) را در موتور نسبت به استاتور (قطع ثابت) تشخیص می دهد. موقعیت مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی برای استفاده توسط کنترل کننده موتور تبدیل می کند تا تصمیم بگیرد که چه زمانی جهت جریان و قدرت موتور را تغییر دهد، در نتیجه سرعت چرخش و گشتاور موتور را کنترل می کند.
در خودروهای انرژی نو، کنترل دقیق موتور به طور مستقیم با ایمنی رانندگی و پایداری وسیله نقلیه و کار دقیق موقعیت ارتباط دارد. تشخیصگر حسگر می تواند پاسخ صحیح موتور را در لحظات حساس مانند ترمز اضطراری، شتاب گیری یا فرمان تضمین کند. این امر به ویژه برای موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) که دارای کموتاتورهای تماس فیزیکی نیستند و بنابراین به اطلاعات موقعیت ارائه شده توسط سنسور برای تصمیم گیری در مورد تغییر جهت جریان و اطمینان از عملکرد روان موتور تکیه می کنند بسیار مهم است.
در حال حاضر، دو نوع حسگر موقعیت موتور که معمولاً در وسایل نقلیه انرژی جدید استفاده می شود، سنسورهای جریان گردابی و ترانسفورماتورهای چرخشی (حسگرهای چرخشی) وجود دارد.
01.
تفاوت بین جریان های چرخشی و گردابی از اصل اساسی آنها ناشی می شود
اگرچه سنسورهای جریان گردابی و ترانسفورماتورهای دوار به خوبی می توانند الزامات تشخیص موقعیت موتور را برآورده کنند، به دلیل ماشین های تولید سیگنال متفاوت و روش های پردازش سیگنال، تفاوت هایی در کاربردهای محصول خاص با توجه به نیازهای مختلف وجود خواهد داشت.
انتخاب نوع سنسور موقعیت موتور همچنین نیاز به در نظر گرفتن عوامل دیگری مانند هزینه، دقت الزامات، سازگاری محیطی، قابلیت اطمینان و پیچیدگی یکپارچه سازی سیستم دارد که ارتباط نزدیکی با تولید سیگنال و مکانیسم پردازش اولیه دارد.
متداول ترین سنسور چرخشی را به عنوان مثال در نظر بگیرید، اصل کار آن بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی است. اصل تولید سیگنال این است که کنترل کننده موتور یک سیگنال تحریک AC با فرکانس ثابت را به سیم پیچ تحریک (کویل A) ارائه می دهد و این سیگنال تحریک یک میدان مغناطیسی متناوب در داخل سنسور چرخشی ایجاد می کند. با چرخش روتور، میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ تحریک قطع می شود و در نتیجه القای ولتاژ AC در سیم پیچ سینوسی B و سیم پیچ کسینوس C ایجاد می شود. با اندازه گیری اختلاف فاز و دامنه این دو سیگنال می توان موقعیت مطلق و جهت چرخش روتور موتور را به دقت محاسبه کرد.
◎ در پردازش سیگنال، کنترل کننده موتور سیگنال های سینوسی و کسینوس سنسور چرخشی را دریافت و تجزیه و تحلیل می کند و اطلاعات زاویه دقیق را از طریق یک الگوریتم نرم افزاری (معمولاً الگوریتم تحلیل رمزگذار چرخشی) محاسبه می کند. برای دستیابی به پردازش بهتر سیگنال، معمولاً نیاز به اعمال یک تراشه رمزگشایی خاص است که در کنترلر موتور نصب شده است و البته با رمزگشایی نرم افزاری نیز می توان به آن دست یافت.
بنابراین، در شکل خاص سنسور چرخش، معمولاً از یک سیم پیچ هیجان انگیز (کویل اولیه، سیم پیچ A)، دو سیم پیچ خروجی (سیم پیچ سینوسی B و سیم پیچ کسینوس C) و یک روتور فلزی با شکل نامنظم تشکیل شده است. روتور با روتور موتور کواکسیال است و با چرخش موتور می چرخد.
سنسور جریان گردابی از اصل القای الکترومغناطیسی برای ارسال و دریافت سیگنال AC القایی با سیم پیچ مربوطه در انتهای فرستنده و انتهای گیرنده استفاده می کند تا موقعیت چرخ هدف را محاسبه کند. چرخ هدف روی شفت دوار ثابت می شود و همراه با روتور می چرخد. موقعیت نسبی روتور موتور و استاتور را می توان با تشخیص موقعیت چرخ هدف اندازه گیری کرد.
◎ از نظر پردازش سیگنال، هنگامی که سنسور جریان گردابی روشن می شود، سیم پیچ انتقال دهنده سنسور یک میدان مغناطیسی هیجان انگیز ایجاد می کند و صفحه هدف موتور را دنبال می کند تا میدان مغناطیسی هیجان انگیز را بچرخاند و برش دهد، به طوری که سیم پیچ دریافت کننده ولتاژ سیم پیچ تولید می کند و ماژول حسگر برای به دست آوردن علامت ولتاژ ولتاژ سیم پیچ، ولتاژ سیم پیچ را دمدوله کرده و پردازش می کند. متفاوت از سنسور چرخشی، تراشه پردازش سیگنال سنسور جریان گردابی با سنسور یکپارچه شده است و سیگنال دیجیتال را می توان مستقیماً خروجی کرد.
بنابراین، سنسور جریان گردابی معمولاً از تعدادی لوب هدف منطبق با تعداد جفت قطب موتور تشکیل شده است. گروه سیم پیچ شامل یک سیم پیچ انتقال و یک سیم پیچ گیرنده است که روی استاتور موتور ثابت می شوند و سنسور جریان گردابی معمولاً مستقیماً در PCB مرتب می شود و تراشه پردازش سیگنال یکپارچه است.
02.
اصول مختلف منجر به تمرکز فنی متفاوت می شود
می توان مشاهده کرد که تفاوت اصلی بین سنسور چرخش و سنسور جریان گردابی در حالت تحریک، مکانیسم تولید سیگنال و پیچیدگی پردازش سیگنال نهفته است. مزایای سنسور چرخشی عمدتاً در پایداری سیگنال تحریک و تحمل محیط کار است، اما معایب آن این است که تأثیر تغییر طرح موتور بیشتر است و سازگاری پلت فرم ضعیف است. مزیت سنسور جریان گردابی درجه بالای الکترونیزه شدن آن، برآورده کردن آسان نیازهای پلت فرم و توانایی قوی ضد EMC است. عیب آن این است که از نظر تحمل محیطی کمی ضعیف تر از سنسور چرخشی است و در برخی صحنه ها هزینه آن بیشتر از سنسور چرخشی است.
سازگاری پلتفرم ابتدا در سطح سرعت منعکس می شود، 'نقشه راه 2.0 فناوری خودروهای صرفه جویی در انرژی و انرژی جدید' که توسط انجمن مهندسی خودرو چین تهیه شده است، اشاره می کند که تا سال 2025، حداکثر سرعت کار سنسور موقعیت 20000r/min و پهنای باند رمزگشا >2.5kHz است. تا سال 2030، حداکثر سرعت کار سنسور موقعیت 25000r/min و پهنای باند رمزگشا بیش از 3.0kHz است. مشاهده می شود که چالش های خاصی در سنسور چرخشی در سرعت بالا وجود دارد.
این به این دلیل است که فرکانس تحریک سنسور چرخشی ارتباط نزدیکی با وضعیت سرعت در نظر گرفته شده هنگام طراحی دارد و معمولاً با وضعیت سرعت فعلی مطابقت دارد. با افزایش سرعت، فرکانس بالاتری از تحریک برای اندازه گیری دقیق مورد نیاز است که نیاز به تغییر در طراحی سنسور چرخشی دارد.
سنسورهای جریان گردابی این مشکل را ندارند. Effie Automotive به NE Time گفت که طراحی حسگر جریان گردابی می تواند بهتر با روند توسعه این سرعت بالا سازگار شود. طیف گسترده پشتیبانی، پاسخ سریع و عملکرد بهتر در پردازش سیگنال با فرکانس بالا به این معنی است که حسگرهای جریان گردابی می توانند برای برنامه های آینده با سرعت های بالاتر 'سازگار رو به بالا' باشند. بنابراین، راه حل پلت فرم را می توان در محصولات موتور با سرعت های مختلف بهتر تحقق بخشید. در واقع، این یکی از عواملی است که مشتریان موتور فعلی راه حل های جریان گردابی را انتخاب می کنند.
علاوه بر این، به دلیل تنوع سنسورهای جریان گردابی، مانند نوع شفت، انتهای شفت مشابه است و می توان شفت را به نوع O و نوع C تقسیم کرد (به برخی از آنها دایره کامل و نیم دایره نیز می گویند). بنابراین، در تطبیق طرحهای طراحی موتور مشتری نسبتاً انعطافپذیرتر است.
03.
اصول مختلف منجر به چالش های مختلف کاهش هزینه می شود
هزینه سنسورهای دوار عمدتاً از مواد و سخت افزار، از جمله مواد مغناطیسی (مانند ورق های فولادی سیلیکونی)، کویل ها و غیره تأمین می شود. بنابراین، هزینه کلی با توجه به اندازه آن تعیین می شود، معمولاً هر چه اندازه بزرگتر باشد، هزینه بیشتر می شود.
هزینه اصلی سنسور جریان گردابی عمدتاً در اجزای الکترونیکی آن، تراشه های پردازش و غیره است، هزینه قطعات الکترونیکی نسبتاً ثابت است، بنابراین هزینه اصلی سنسور جریان گردابی به صورت خطی با اندازه افزایش نمی یابد.
بنابراین، هزینه سنسورهای جریان گردابی کمتر از سنسورهای دوار برای کاربردهای در مقیاس بزرگ است. با این حال، در طرح های موتور با اندازه کوچک، سنسورهای دوار دارای مزایای هزینه خاصی هستند. البته، وقتی صحبت از طرح کاربردی خاص می شود، زیرا تراشه پردازش سیگنال سنسور چرخشی اغلب در محاسبه هزینه گنجانده نمی شود، مقایسه هزینه خاص نیز تفاوت هایی دارد.
علاوه بر مقایسه هزینه فعلی، توجه به فضای کاهش هزینه های آینده نیز ضروری است. در حال حاضر، به دلیل اینکه بیشتر تراشههای حسگر جریان گردابی از شرکتهای خارجی میآیند، میتوان با گسترش مقیاس و بلوغ شرکتهای تراشه داخلی در مراحل بعدی، هزینه را بیشتر کاهش داد. با این حال، فضای نزولی سنسور چرخشی نسبتا محدود است.
بنابراین، هنگام مواجهه با نیازهای هزینه آینده، حسگرهای جریان گردابی به وضوح سودمندتر هستند. در سال های اخیر، سهم بازار سنسورهای جریان گردابی افزایش چشمگیری داشته است و در بازار داخلی، شرکت های خودروسازی از جمله جیلی و تعدادی از نیروهای جدید، طرح سنسور جریان گردابی را انتخاب کرده اند.
04.
صنعت حسگر جریان گردابی هنوز نیاز به رشد دارد
اگرچه محبوبیت کاربردهای حسگر جریان گردابی در حال افزایش است، اما رایجترین حسگرها هنوز حسگرهای چرخشی هستند، از جمله پیشروهای فروش BYD و Tesla. دلیل این امر این است که از یک طرف سنسورهای جریان گردابی در صنعت خودرو دیر به کار می روند و از سوی دیگر تامین کنندگان زیادی وجود ندارند که بتوانند سنسورهای جریان گردابی را تهیه کنند و شرکت های معدودی مانند Effie و Sensata می توانند آنها را در صنعت عرضه کنند.
برای سنسورهای جریان گردابی، سه چالش اصلی وجود دارد:
در واقع، سنسورهای جریان گردابی در زمینه صنعتی به کار گرفته شده اند، اما در زمینه خودرو، اولین چیزی که باید رعایت شود، الزامات سطح گیج خودرو، به ویژه الزامات ایمنی عملکردی است. به عنوان مثال Effie Automobile را در نظر بگیرید، برای اطمینان از کاربرد پایدار سنسور جریان گردابی، فرآیند توسعه کاملاً مطابق با فرآیند ISO26262 است تا از الزامات سطح ایمنی عملکردی اطمینان حاصل شود.
◎ چالش تراشه، تراشه نه تنها باید الزامات عملکردی را برآورده کند، بلکه سطح گیج ماشین را نیز برآورده کند. به عنوان یک شرکت حسگر جریان گردابی، لازم است یک استاندارد تأیید تراشه برای ارزیابی در دسترس بودن تراشه ایجاد شود، که برای کاربرد بعدی تراشههای داخلی نیز بسیار مهم است. طی سالها همکاری با تولیدکنندگان تراشههای جهانی برای ایجاد یک فرآیند تأیید کامل، Effie Automotive نشان داد که معرفی تراشههای داخلی برنامهریزی شده است، البته، پیشفرض این است که استانداردها را رعایت کند.
چالش های قابلیت اطمینان، سنسور جریان گردابی به دلیل موقعیت نصب، فرآیند کار مستعد شوک حرارتی در موتور، کندوپاش روغن خنک کننده و سایر چالش ها است که به ویژه برای تراشه بیشتر است. راه حل Effie Automotive اعمال چسب بر روی محل تراشه است، در حالی که دمای مورد نیاز تراشه را افزایش می دهد. برای بهبود سازگاری با محیط و بهبود قابلیت اطمینان.
در آینده، اینکه آیا جریان گردابی می تواند به طور کامل جایگزین سنسور چرخشی شود، هنوز ناشناخته است. سنسورهای چرخشی نیز مسیر ارتقای محصول خود را دارند تا با نیازهای جدید موتور کنار بیایند. با این حال، شتاب رشد سنسورهای جریان گردابی سریعتر از سنسورهای چرخشی است و البته پایه سنسورهای جریان گردابی کم است.
