A motor helyzetérzékelője egy olyan eszköz, amely érzékeli a forgórész (forgó rész) helyzetét a motorban az állórészhez (rögzített rész) képest. A mechanikai helyzetet elektromos jellé alakítja, amelyet a motorvezérlő használhat annak eldöntésére, hogy mikor kell átkapcsolni a motor áramirányát és erősségét, ezáltal szabályozva a motor forgási sebességét és nyomatékát.
Az új energetikai járművekben a motor precíz irányítása közvetlenül összefügg a jármű menetbiztonságával és stabilitásával, valamint a pozíció pontos működésével. Az érzékelőfeloldó biztosítja a motor megfelelő reakcióját olyan kritikus pillanatokban, mint a vészfékezés, a gyorsítás vagy a kormányzás. Ez különösen fontos az állandó mágneses szinkronmotorok (PMSM) esetében, amelyek nem rendelkeznek fizikai érintkező kommutátorral, és ezért az érzékelő által szolgáltatott helyzetinformációkra támaszkodnak annak eldöntésében, hogy mikor kell az áram irányát váltani, és biztosítják a motor zavartalan működését.
Jelenleg kétféle motorhelyzet-érzékelőt használnak általában az új energetikai járművekben, az örvényáram-érzékelőket és a forgótranszformátorokat (forgó érzékelők).
01.
Az örvényáramok és az örvényáramok közötti különbség alapelvükből fakad
Bár az örvényáram-érzékelők és a forgótranszformátorok jól teljesíthetik a motor helyzetérzékelésével kapcsolatos követelményeket, eltérő jelgeneráló gépeik és jelfeldolgozási módszereik miatt az egyes termékek alkalmazási területei eltérőek lesznek az eltérő követelmények szerint.
A motorhelyzet-érzékelő típusának megválasztásakor más tényezőket is figyelembe kell venni, mint például a költség, a pontossági követelmények, a környezeti alkalmazkodóképesség, a megbízhatóság és a rendszerintegráció összetettsége, amelyek szorosan kapcsolódnak az alapvető jelgeneráló és -feldolgozási mechanizmushoz.
Vegyük például a leggyakrabban használt forgó érzékelőt, működési elve az elektromágneses indukció elvén alapul. A jelgenerálás elve az, hogy a motorvezérlő állandó frekvenciájú váltakozó áramú gerjesztő jelet ad a gerjesztőtekercsnek (A tekercs), és ez a gerjesztő jel váltakozó mágneses teret hoz létre a forgó érzékelő belsejében. A forgórész forgásakor a gerjesztőtekercs által generált mágneses tér megszakad, aminek következtében a szinuszos B tekercsben és a C koszinusztekercsben váltakozó feszültség indukciója következik be. E két jel fáziskülönbségének és amplitúdójának mérésével pontosan kiszámítható a motor forgórészének abszolút helyzete és forgásiránya.
◎ A jelfeldolgozás során a motorvezérlő fogadja és elemzi a forgó érzékelő szinusz- és koszinuszjeleit, és egy szoftveralgoritmuson (általában a forgójeladó-elemző algoritmuson) keresztül kiszámítja a pontos szöginformációt. A jobb jelfeldolgozás érdekében általában egy speciális dekódoló chip alkalmazása szükséges, amelyet a motorvezérlőbe szerelnek be, és természetesen ez szoftveres dekódolással is megvalósítható.
Ezért a forgásérzékelő sajátos alakjában általában egy izgalmas tekercsből (primer tekercs, A tekercs), két kimeneti tekercsből (B szinusz tekercs és C koszinusz tekercs) és egy szabálytalan alakú fém rotorból áll. A forgórész koaxiális a motor forgórészével, és a motor forgásával forog.
Az örvényáram-érzékelő az elektromágneses indukció elvét használja az indukált váltakozó áramú jel továbbítására és fogadására az adó és a vevő végén lévő megfelelő tekercs segítségével, hogy kiszámítsa a célkerék helyzetét. A célkerék a forgó tengelyen van rögzítve, és a rotorral együtt forog. A motor forgórészének és állórészének egymáshoz viszonyított helyzete a célkerék helyzetének érzékelésével mérhető.
◎ A jelfeldolgozás szempontjából, amikor az örvényáram-érzékelő be van kapcsolva, az érzékelő adótekercse izgalmas mágneses teret hoz létre, a céllemez pedig követi a motort a gerjesztő mágneses mező forgatásához és levágásához, így a fogadó tekercs tekercsfeszültséget generál, az érzékelőmodul pedig demodulálja és feldolgozza a tekercsfeszültséget, hogy megkapja a megfelelő pozíció feszültségjelét. A forgó érzékelőtől eltérően az örvényáram-érzékelő jelfeldolgozó chipje integrálva van az érzékelővel, és a digitális jel közvetlenül kiadható.
Ezért az örvényáram-érzékelő általában több céllebenyből áll, amelyek megfelelnek a motor póluspárjainak számának. A tekercscsoport egy átviteli tekercsből és egy vevőtekercsből áll, amelyek a motor állórészére vannak rögzítve, és az örvényáram-érzékelő általában közvetlenül a NYÁK-ban van elhelyezve, valamint a jelfeldolgozó chip integrálva van.
02.
A különböző elvek eltérő technikai fókuszhoz vezetnek
Látható, hogy a fő különbségek a forgásérzékelő és az örvényáram-érzékelő között elvileg a gerjesztési módban, a jelgenerálási mechanizmusban és a jelfeldolgozás bonyolultságában rejlenek. A forgó érzékelő előnyei elsősorban a gerjesztő jel stabilitásában és a munkakörnyezet toleranciájában rejlenek, hátránya viszont, hogy a motorséma változásának nagyobb a hatása, és rossz a platform kompatibilitás. Az örvényáram-érzékelő előnye a magas fokú elektronizáció, a platform igényeinek könnyű kielégítése és az erős anti-EMC képesség. Hátránya, hogy környezettűrés szempontjából valamivel gyengébb, mint a forgó érzékelő, és egyes jelenetekben a költsége magasabb, mint a forgó érzékelőé.
A platformkompatibilitás először a sebességszintben mutatkozik meg, a China Society of Automotive Engineering által készített 'energiatakarékos és új energiájú járműtechnológia Roadmap 2.0' rámutatott, hogy 2025-re a helyzetérzékelő maximális munkasebessége 20 000 r/perc, a dekóder sávszélessége pedig >2,5 kHz. 2030-ra a helyzetérzékelő maximális működési sebessége 25 000 r/perc, a dekóder sávszélessége pedig >3,0 kHz. Látható, hogy vannak bizonyos kihívások a nagy sebességű forgó érzékelővel kapcsolatban.
Ennek az az oka, hogy a forgó érzékelő gerjesztési frekvenciája szorosan összefügg a tervezéskor figyelembe vett fordulatszám-állapottal, és általában megegyezik az aktuális sebességállapottal. A fordulatszám növekedésével a pontos méréshez nagyobb gerjesztési frekvencia szükséges, ami a forgó érzékelő kialakítását igényli.
Az örvényáram-érzékelőknél nincs ilyen probléma. Effie Automotive elmondta az NE Time-nak, hogy az örvényáram-érzékelő kialakítása jobban tud alkalmazkodni ennek a nagy sebességnek a fejlődési trendjéhez. Széles körű támogatása, gyors reagálása és jobb teljesítménye a nagyfrekvenciás jelfeldolgozásban azt jelenti, hogy az örvényáram-érzékelők 'felfelé kompatibilisek' a jövőbeni alkalmazásokhoz nagyobb sebességgel. Ezért a platformmegoldás jobban megvalósítható a különböző sebességű motortermékekben. Valójában ez az egyik tényező, amely miatt a jelenlegi gépjármű-felhasználók az örvényáramú megoldásokat választják,
Ezenkívül az örvényáram-érzékelők sokfélesége miatt, például a tengely típusa miatt, a tengely vége hasonló, és a tengely O-típusra és C-típusra osztható (egyeseket teljes körnek és félkörnek is neveznek). Ezért viszonylag rugalmasabb az ügyfelek motortervezési sémáinak adaptálásában.
03.
A különböző elvek eltérő költségcsökkentési kihívásokhoz vezetnek
A forgó érzékelők költsége elsősorban az anyagokból és a hardverből származik, beleértve a mágneses anyagokat (például szilícium acéllemezeket), tekercseket stb. Ezért a teljes költséget a mérete alapján határozzák meg, általában minél nagyobb a méret, annál magasabb a költség.
Az örvényáram-érzékelő fő költsége elsősorban az elektronikus alkatrészekben, a feldolgozó chipekben stb. rejlik, az elektronikai alkatrészek költsége viszonylag fix, így az örvényáram-érzékelő alapköltsége nem növekszik lineárisan a mérettel.
Ezért az örvényáram-érzékelők költsége alacsonyabb, mint a nagyméretű alkalmazásokhoz használt forgó érzékelőké. A kis méretű motorrendszerekben azonban a forgó érzékelőknek vannak bizonyos költségelőnyök. Természetesen, ha a konkrét alkalmazási sémáról van szó, mivel a forgó szenzor jelfeldolgozó chipje gyakran nem szerepel a költségszámításban, a fajlagos költség-összehasonlításban is vannak eltérések.
A jelenlegi költség-összehasonlítás mellett a jövőbeni költségcsökkentési térre is figyelni kell. Jelenleg, mivel az örvényáram-érzékelő chipek többsége külföldi vállalkozásoktól származik, a költségek tovább csökkenthetők a skála bővülésével és a hazai chipes vállalkozások későbbi érettségével. A forgó érzékelő ereszkedő tere azonban viszonylag korlátozott.
Ezért a jövőbeli költségigényekkel szemben az örvényáram-érzékelők nyilvánvalóan előnyösebbek. Az elmúlt években jelentősen nőtt az örvényáram-érzékelők piaci részesedése, a hazai piacon pedig a járműgyártók, köztük a Geely és számos új erő, az örvényáram-érzékelő sémát választották.
04.
Az örvényáram-érzékelő iparnak még növekednie kell
Bár az örvényáram-érzékelő alkalmazások népszerűsége növekszik, a legelterjedtebb szenzorok továbbra is a forgó érzékelők, köztük a BYD és a Tesla értékesítési vezetői. Ennek az az oka, hogy egyrészt az örvényáram-érzékelőket későn alkalmazzák az autóiparban, másrészt nem sok olyan beszállító tud örvényáram-érzékelőt szállítani, illetve néhány cég, mint például az Effie és a Sensata tud ilyeneket szállítani az iparban.
Az örvényáram-érzékelők esetében három fő kihívás áll előttünk:
Valójában az örvényáram-érzékelőket az iparban alkalmazták, de az autóiparban elsőként a jármű űrszelvényének követelményeit kell teljesíteni, különös tekintettel a funkcionális biztonságra. Vegyük például az Effie Automobile-t, az örvényáram-érzékelő stabil alkalmazásának biztosítása érdekében a fejlesztési folyamat szigorúan megfelel az ISO26262 folyamatnak, hogy biztosítsa a funkcionális biztonsági szint követelményeit.
◎ A chip kihívása, a chipnek nemcsak a funkcionális követelményeknek kell megfelelnie, hanem az autó szelvényének is meg kell felelnie. Örvényáram-szenzoros vállalkozásként szükség van egy chip hitelesítési szabvány létrehozására a chip rendelkezésre állásának értékelésére, ami szintén kulcsfontosságú a hazai chipek későbbi alkalmazása szempontjából. Az Effie Automotive a globális chipgyártókkal a teljes ellenőrzési folyamat kialakítása érdekében folytatott több éves együttműködés során feltárta, hogy a hazai chipek bevezetését tervezték, természetesen a szabványok teljesítése az előfeltétel.
Megbízhatósági kihívások, örvényáram-érzékelő a beépítési helyzetből adódóan, a munkafolyamat hajlamos a motor hősokkjára, a hűtőolaj fröccsenésére és egyéb kihívásokra, ami különösen nagyobb a chip esetében. Az Effie Automotive megoldása az, hogy a forgács helyét ragasztóval kezeli, miközben magának a forgácsnak a hőmérséklet-igényét növeli. A környezethez való alkalmazkodóképesség javítása és a megbízhatóság javítása.
A jövőben még nem tudni, hogy az örvényáram teljesen helyettesítheti-e a forgó érzékelőt. A forgó érzékelőknek saját termékfrissítési útvonaluk is van, hogy megfeleljenek a motor új igényeinek. Az örvényáram-érzékelők növekedési lendülete azonban gyorsabb, mint a forgószenzoroké, és természetesen az örvényáram-érzékelők alapja is alacsony.
