Senzor položaja motora je uređaj koji detektira položaj rotora (rotirajući dio) u motoru u odnosu na stator (fiksni dio). Pretvara mehanički položaj u električni signal za korištenje od strane kontrolera motora kako bi odlučio kada promijeniti smjer struje i snagu motora, čime se kontrolira brzina vrtnje i moment motora.
U novim energetskim vozilima, precizna kontrola motora izravno je povezana sa sigurnošću vožnje i stabilnošću vozila, te točnim radom položaja senzorski razlučivač može osigurati ispravan odgovor motora u kritičnim trenucima kao što su kočenje u nuždi, ubrzanje ili upravljanje. Ovo je osobito važno za sinkrone motore s trajnim magnetima (PMSM), koji nemaju fizičke kontaktne komutatore i stoga se oslanjaju na informacije o položaju koje daje senzor kako bi odlučili kada promijeniti smjer struje i osigurati nesmetan rad motora.
Trenutačno postoje dvije vrste senzora položaja motora koji se obično koriste u novim energetskim vozilima, senzori vrtložnih struja i rotacijski transformatori (rotacijski senzori).
01.
Razlika između vrtložnih i vrtložnih struja proizlazi iz njihovog osnovnog principa
Iako senzori vrtložnih struja i rotacijski transformatori mogu zadovoljiti zahtjeve detekcije položaja motora, zbog različitih strojeva za generiranje signala i metoda obrade signala, postojat će razlike u specifičnim primjenama proizvoda prema različitim zahtjevima.
Izbor tipa senzora položaja motora također treba uzeti u obzir druge čimbenike, kao što su cijena, zahtjevi točnosti, prilagodljivost okolini, pouzdanost i složenost integracije sustava, koji su usko povezani s osnovnim mehanizmom za generiranje signala i obradu.
Uzmimo za primjer najčešće korišteni rotacijski senzor čiji se princip rada temelji na principu elektromagnetske indukcije. Načelo generiranja signala je da kontroler motora daje AC pobudni signal konstantne frekvencije uzbudnom svitku (zavojnica A), a taj pobudni signal stvara izmjenično magnetsko polje unutar rotacijskog senzora. Kako se rotor okreće, magnetsko polje koje stvara uzbudna zavojnica se prekida, što rezultira indukcijom izmjeničnog napona u sinusoidalnoj zavojnici B i kosinusnoj zavojnici C. Mjerenjem fazne razlike i amplitude ova dva signala, apsolutni položaj i smjer rotacije rotora motora mogu se točno izračunati.
◎ U obradi signala, kontroler motora prima i analizira sinusne i kosinusne signale rotacijskog senzora i izračunava preciznu informaciju o kutu putem softverskog algoritma (obično algoritma analize rotacijskog kodera). Da bi se postigla bolja obrada signala obično je potrebno primijeniti poseban čip za dekodiranje koji se ugrađuje u motorni kontroler, a naravno to se može postići i softverskim dekodiranjem.
Stoga se senzor rotacije u specifičnom obliku obično sastoji od uzbudne zavojnice (primarna zavojnica, zavojnica A), dvije izlazne zavojnice (sinusna zavojnica B i kosinusna zavojnica C) i metalnog rotora nepravilnog oblika. Rotor je koaksijalan s rotorom motora i rotira s rotacijom motora.
Senzor vrtložnih struja koristi princip elektromagnetske indukcije za odašiljanje i primanje induciranog izmjeničnog signala s odgovarajućom zavojnicom na odašiljačkom i prijemnom kraju, kako bi se izračunao položaj ciljanog kotača. Ciljni kotač je fiksiran na rotirajućoj osovini i okreće se zajedno s rotorom. Relativni položaj rotora i statora motora može se izmjeriti otkrivanjem položaja ciljnog kotača.
◎ Što se tiče obrade signala, kada je senzor vrtložnih struja uključen, prijenosna zavojnica senzora generira uzbudljivo magnetsko polje, a ciljna ploča prati motor kako bi se okretala i presjekla uzbudljivo magnetsko polje, tako da prijemna zavojnica generira napon zavojnice, a modul senzora demodulira i obrađuje napon zavojnice kako bi se dobio signal napona odgovarajućeg položaja. Za razliku od rotacijskog senzora, čip za obradu signala senzora vrtložnih struja integriran je sa senzorom, a digitalni signal može se poslati izravno.
Stoga se senzor vrtložnih struja obično sastoji od određenog broja ciljnih režnjeva koji odgovaraju broju pari polova motora. Grupa zavojnica sastoji se od prijenosne zavojnice i prihvatne zavojnice, koje su pričvršćene na stator motora, a senzor vrtložnih struja obično je postavljen izravno u tiskanu ploču, a integriran je čip za obradu signala.
02.
Različita načela dovode do različitog tehničkog fokusa
Može se vidjeti da glavne razlike između senzora rotacije i senzora vrtložnih struja u principu leže u načinu pobude, mehanizmu generiranja signala i složenosti obrade signala. Prednosti rotacijskog senzora su uglavnom u stabilnosti pobudnog signala i toleranciji radne okoline, a nedostaci su veći utjecaj promjene sheme motora, a slaba kompatibilnost platforme. Prednost senzora vrtložnih struja je njegov visok stupanj elektronizacije, lako zadovoljavanje potreba platforme i snažna anti-EMC sposobnost. Nedostatak je što je nešto slabiji od rotacijskog senzora u pogledu tolerancije na okoliš, a cijena je veća od rotacijskog senzora u nekim scenama.
Kompatibilnost platforme najprije se odražava u razini brzine, 'Mapa puta 2.0' za uštedu energije i novu energetsku tehnologiju vozila' koju je pripremilo Kinesko društvo automobilskog inženjerstva ističe da će do 2025. maksimalna radna brzina senzora položaja biti 20 000 o/min, a propusnost dekodera >2,5 kHz. Do 2030. maksimalna radna brzina senzora položaja iznosi 25 000 o/min, a propusnost dekodera >3,0 kHz. Može se vidjeti da postoje određeni izazovi u rotacijskom senzoru pri velikoj brzini.
To je zato što je frekvencija pobude rotacijskog senzora usko povezana sa stanjem brzine koje se uzima u obzir kada je dizajniran, i obično odgovara trenutnom stanju brzine. Kako se brzina povećava, za točno mjerenje potrebna je veća frekvencija pobude, što zahtijeva promjenu dizajna rotacijskog senzora.
Senzori vrtložnih struja nemaju ovaj problem. Effie Automotive rekao je za NE Time da se dizajn senzora vrtložnih struja može bolje prilagoditi trendu razvoja ove velike brzine. Njegov širok raspon podrške, brz odziv i bolja izvedba u obradi visokofrekventnog signala znače da senzori vrtložnih struja mogu biti 'kompatibilni prema gore' za buduće primjene pri većim brzinama. Stoga se platformsko rješenje može bolje realizirati u motornim proizvodima s različitim brzinama. Zapravo, ovo je jedan od čimbenika zbog kojih trenutni kupci motora odabiru rješenja za vrtložne struje,
Osim toga, zbog raznolikosti senzora vrtložnih struja, kao što je vrsta osovine, kraj osovine je sličan, a osovina se može podijeliti na O-tip i C-tip (neki se nazivaju i puni krug i polukrug). Stoga je relativno fleksibilniji u prilagodbi korisničkih shema dizajna motora.
03.
Različita načela dovode do različitih izazova smanjenja troškova
Trošak rotacijskih senzora uglavnom proizlazi iz materijala i hardvera, uključujući magnetske materijale (kao što su silikonske čelične ploče), zavojnice i tako dalje. Stoga se ukupni trošak određuje prema njegovoj veličini, obično što je veća veličina, to je veći trošak.
Osnovni trošak senzora vrtložnih struja uglavnom leži u njegovim elektroničkim komponentama, procesorskim čipovima itd., trošak elektroničkih dijelova je relativno fiksni, tako da osnovni trošak senzora vrtložnih struja ne raste linearno s veličinom.
Stoga je cijena senzora vrtložnih struja niža od cijene rotacijskih senzora za velike primjene. Međutim, u shemama motora male veličine, rotacijski senzori imaju određene troškovne prednosti. Naravno, kada je u pitanju specifična shema primjene, budući da čip za obradu signala rotacijskog senzora često nije uključen u izračun troškova, specifična usporedba troškova također ima neke razlike.
Osim trenutne usporedbe troškova, potrebno je obratiti pozornost i na budući prostor smanjenja troškova. Trenutačno, budući da većina čipova senzora vrtložnih struja dolazi od stranih poduzeća, trošak se može dodatno smanjiti s proširenjem razmjera i zrelošću domaćih poduzeća čipova u kasnijoj fazi. Međutim, prostor za silazak rotacijskog senzora je relativno ograničen.
Stoga, kad se suočimo s budućim zahtjevima troškova, senzori vrtložnih struja očito imaju prednost. Posljednjih godina tržišni udio senzora vrtložnih struja značajno je porastao, a na domaćem tržištu automobilske tvrtke, uključujući Geely i brojne nove snage, odabrale su shemu senzora vrtložnih struja.
04.
Industrija senzora za vrtložne struje i dalje treba rasti
Iako je popularnost primjene senzora vrtložnih struja u porastu, najčešći senzori su još uvijek rotacijski senzori, uključujući vodeće u prodaji BYD i Teslu. Razlog za to je što se, s jedne strane, senzori vrtložnih struja kasno primjenjuju u automobilskoj industriji, a s druge strane, nema mnogo dobavljača koji mogu ponuditi senzore vrtložnih struja, a nekoliko tvrtki kao što su Effie i Sensata mogu ih isporučiti u industriji.
Za senzore vrtložnih struja postoje tri glavna izazova:
U stvari, senzori vrtložnih struja primijenjeni su u industrijskom području, ali u automobilskom području, prva stvar koju treba ispuniti su zahtjevi razine profila vozila, posebno zahtjevi funkcionalne sigurnosti. Uzmimo Effie Automobile kao primjer, kako bi se osigurala stabilna primjena senzora vrtložnih struja, razvojni proces je strogo u skladu s postupkom ISO26262 kako bi se osigurali zahtjevi razine funkcionalne sigurnosti.
◎ Izazov čipa, čip ne samo da mora zadovoljiti funkcionalne zahtjeve, već mora zadovoljiti i razinu gabarita automobila. Kao tvrtka koja se bavi senzorima vrtložnih struja, potrebno je uspostaviti standard za provjeru čipa za procjenu dostupnosti čipa, što je također ključno za kasniju primjenu domaćih čipova. Kroz godine suradnje sa svjetskim proizvođačima čipova za uspostavu cjelovitog procesa verifikacije, Effie Automotive je otkrio da je planirano uvođenje domaćih čipova, naravno, pretpostavka je zadovoljavanje standarda.
Izazovi pouzdanosti, senzor vrtložnih struja zbog položaja ugradnje, radni proces je sklon toplinskom šoku u motoru, prskanje rashladnog ulja i drugi izazovi, što je posebno veće za čip. Rješenje tvrtke Effie Automotive je nanošenje ljepila na mjesto čipa, uz povećanje temperaturnih zahtjeva samog čipa. Poboljšati prilagodljivost okolini i poboljšati pouzdanost.
Može li vrtložna struja u budućnosti u potpunosti zamijeniti rotacijski senzor još je nepoznato. Rotacijski senzori također imaju vlastiti put nadogradnje proizvoda kako bi se nosili s novim potrebama motora. Međutim, zamah rasta senzora vrtložnih struja je brži od onog rotacijskih senzora, i naravno, baza senzora vrtložnih struja je niska.
