Il sensore di posizione motore è un dispositivo che rileva la posizione del rotore (parte rotante) del motore rispetto allo statore (parte fissa). Converte la posizione meccanica in un segnale elettrico che può essere utilizzato dal controller del motore per decidere quando cambiare la direzione e l'intensità della corrente del motore, controllando così la velocità di rotazione e la coppia del motore.
Nei veicoli a nuova energia, il controllo preciso del motore è direttamente correlato alla sicurezza di guida e alla stabilità del veicolo e al lavoro accurato della posizione Il Sensor Resolver può garantire la corretta risposta del motore nei momenti critici come frenate di emergenza, accelerazioni o sterzate. Ciò è particolarmente importante per i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), che non dispongono di commutatori di contatto fisico e quindi si affidano alle informazioni sulla posizione fornite dal sensore per decidere quando cambiare la direzione della corrente e garantire un funzionamento regolare del motore.
Attualmente esistono due tipi di sensori di posizione del motore comunemente utilizzati nei veicoli a nuova energia: sensori a correnti parassite e trasformatori rotanti (sensori rotanti).
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La differenza tra correnti vorticose e parassite deriva dal loro principio di base
Sebbene i sensori a correnti parassite e i trasformatori rotanti possano soddisfare bene i requisiti di rilevamento della posizione del motore, a causa delle diverse macchine di generazione del segnale e dei metodi di elaborazione del segnale, ci saranno differenze nelle applicazioni specifiche del prodotto in base ai diversi requisiti.
La scelta del tipo di sensore di posizione del motore deve considerare anche altri fattori, come il costo, i requisiti di precisione, l'adattabilità ambientale, l'affidabilità e la complessità dell'integrazione del sistema, che sono strettamente correlati al meccanismo di base di generazione ed elaborazione del segnale.
Prendiamo come esempio il sensore rotante più comunemente usato, il suo principio di funzionamento si basa sul principio dell'induzione elettromagnetica. Il principio di generazione del segnale è che il controller del motore fornisce un segnale di eccitazione CA a frequenza costante alla bobina di eccitazione (bobina A) e questo segnale di eccitazione genera un campo magnetico alternato all'interno del sensore rotante. Mentre il rotore ruota, il campo magnetico generato dalla bobina di eccitazione viene interrotto, determinando l'induzione di tensione CA nella bobina sinusoidale B e nella bobina coseno C. Misurando la differenza di fase e l'ampiezza di questi due segnali, è possibile calcolare con precisione la posizione assoluta e la direzione di rotazione del rotore del motore.
◎ Nell'elaborazione del segnale, il controller del motore riceve e analizza i segnali seno e coseno del sensore rotativo e calcola le informazioni precise sull'angolo attraverso un algoritmo software (solitamente l'algoritmo di analisi dell'encoder rotativo). Per ottenere una migliore elaborazione del segnale, di solito è necessario applicare uno speciale chip di decodifica installato nel controller del motore e, naturalmente, ciò può essere ottenuto anche tramite decodifica software.
Pertanto, nella forma specifica del sensore di rotazione, esso è solitamente composto da una bobina di eccitazione (bobina primaria, bobina A), due bobine di uscita (bobina seno B e bobina coseno C) e un rotore metallico di forma irregolare. Il rotore è coassiale al rotore del motore e ruota con la rotazione del motore.
Il sensore a correnti parassite utilizza il principio di induzione elettromagnetica per trasmettere e ricevere il segnale CA indotto con la bobina corrispondente all'estremità trasmittente e all'estremità ricevente, in modo da calcolare la posizione della ruota target. La ruota bersaglio è fissata sull'albero rotante e ruota insieme al rotore. La posizione relativa del rotore del motore e dello statore può essere misurata rilevando la posizione della ruota target.
◎ In termini di elaborazione del segnale, quando il sensore a correnti parassite è acceso, la bobina di trasmissione del sensore genera un campo magnetico eccitante e la piastra target segue il motore per ruotare e tagliare il campo magnetico eccitante, in modo che la bobina ricevente generi tensione della bobina e il modulo sensore demodula ed elabora la tensione della bobina per ottenere il segnale di tensione della posizione corrispondente. Diversamente dal sensore rotante, il chip di elaborazione del segnale del sensore a correnti parassite è integrato con il sensore e il segnale digitale può essere emesso direttamente.
Pertanto, il sensore a correnti parassite è solitamente costituito da un numero di lobi bersaglio corrispondente al numero di coppie polari del motore. Il gruppo bobina è costituito da una bobina di trasmissione e da una bobina di ricezione, che sono fissate sullo statore del motore, il sensore di correnti parassite è solitamente disposto direttamente nel PCB e il chip di elaborazione del segnale è integrato.
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Principi diversi portano a focus tecnici diversi
Si può vedere che le principali differenze tra il sensore di rotazione e il sensore a correnti parassite risiedono in linea di principio nella modalità di eccitazione, nel meccanismo di generazione del segnale e nella complessità dell'elaborazione del segnale. I vantaggi del sensore rotante risiedono principalmente nella stabilità del segnale di eccitazione e nella tolleranza dell'ambiente di lavoro, ma gli svantaggi sono che l'influenza del cambiamento dello schema del motore è maggiore e la compatibilità della piattaforma è scarsa. Il vantaggio del sensore a correnti parassite è l'elevato grado di elettronizzazione, la facilità nel soddisfare le esigenze della piattaforma e la forte capacità anti-EMC. Lo svantaggio è che è leggermente più debole del sensore rotante in termini di tolleranza ambientale e in alcune scene il costo è più elevato del sensore rotante.
La compatibilità della piattaforma si riflette innanzitutto nel livello di velocità, la 'Roadmap 2.0 per la tecnologia dei veicoli a nuova energia e per il risparmio energetico' preparata dalla China Society of Automotive Engineering ha sottolineato che entro il 2025, la velocità massima di lavoro del sensore di posizione sarà di 20.000 giri/min e la larghezza di banda del decodificatore sarà >2,5kHz. Entro il 2030, la velocità operativa massima del sensore di posizione sarà di 25.000 giri/min e la larghezza di banda del decodificatore sarà >3,0kHz. Si può vedere che ci sono alcune sfide nel sensore rotante ad alta velocità.
Questo perché la frequenza di eccitazione del sensore rotativo è strettamente correlata allo stato di velocità considerato al momento della progettazione e solitamente corrisponde allo stato di velocità attuale. All'aumentare della velocità, per una misurazione accurata è necessaria una frequenza di eccitazione più elevata, il che richiede una modifica nella progettazione del sensore rotante.
I sensori a correnti parassite non presentano questo problema. Effie Automotive ha dichiarato a NE Time che il design del sensore a correnti parassite può adattarsi meglio alla tendenza di sviluppo di questa alta velocità. L'ampia gamma di supporto, la risposta rapida e le migliori prestazioni nell'elaborazione dei segnali ad alta frequenza fanno sì che i sensori a correnti parassite possano essere 'compatibili verso l'alto' per future applicazioni a velocità più elevate. Pertanto, la soluzione della piattaforma può essere realizzata meglio nei prodotti motori con velocità diverse. In effetti, questo è uno dei fattori per cui gli attuali clienti automobilistici scelgono le soluzioni a correnti parassite,
Inoltre, a causa della varietà di sensori a correnti parassite, come il tipo ad albero, l'estremità dell'albero è simile e l'albero può essere diviso in tipo O e tipo C (alcuni sono anche chiamati cerchio completo e semicerchio). Pertanto, è relativamente più flessibile nell’adattare gli schemi di progettazione dei motori del cliente.
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Principi diversi portano a diverse sfide di riduzione dei costi
Il costo dei sensori rotanti deriva principalmente dai materiali e dall'hardware, inclusi materiali magnetici (come fogli di acciaio al silicio), bobine e così via. Pertanto, il costo complessivo è determinato in base alle sue dimensioni, solitamente maggiore è la dimensione, maggiore è il costo.
Il costo principale del sensore a correnti parassite risiede principalmente nei suoi componenti elettronici, chip di elaborazione, ecc., il costo delle parti elettroniche è relativamente fisso, quindi il costo principale del sensore a correnti parassite non aumenta linearmente con le dimensioni.
Pertanto, il costo dei sensori a correnti parassite è inferiore a quello dei sensori rotanti per applicazioni su larga scala. Tuttavia, negli schemi di motori di piccole dimensioni, i sensori rotanti presentano alcuni vantaggi in termini di costi. Naturalmente, per quanto riguarda lo schema applicativo specifico, poiché il chip di elaborazione del segnale del sensore rotante spesso non viene incluso nel calcolo dei costi, anche il confronto dei costi specifici presenta alcune differenze.
Oltre al confronto dei costi attuali, è necessario prestare attenzione anche allo spazio di riduzione dei costi futuri. Allo stato attuale, poiché la maggior parte dei chip dei sensori a correnti parassite proviene da imprese straniere, i costi possono essere ulteriormente ridotti con l'espansione della scala e la maturità delle imprese di chip nazionali nella fase successiva. Tuttavia, lo spazio discendente del sensore rotante è relativamente limitato.
Pertanto, quando si devono affrontare esigenze di costo future, i sensori a correnti parassite sono ovviamente più vantaggiosi. Negli ultimi anni, la quota di mercato dei sensori a correnti parassite è aumentata in modo significativo e nel mercato interno le società automobilistiche, tra cui Geely e una serie di nuove forze, hanno scelto lo schema dei sensori a correnti parassite.
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L’industria dei sensori a correnti parassite deve ancora crescere
Sebbene la popolarità delle applicazioni dei sensori a correnti parassite sia in aumento, i sensori più comuni sono ancora quelli rotanti, compresi i leader di vendita BYD e Tesla. Il motivo è che da un lato i sensori a correnti parassite vengono applicati tardi nel settore automobilistico e dall'altro non ci sono molti fornitori in grado di fornire sensori a correnti parassite e alcune aziende come Effie e Sensata possono fornirli nel settore.
Per i sensori a correnti parassite, ci sono tre sfide principali:
In effetti, i sensori a correnti parassite sono stati applicati in campo industriale, ma in campo automobilistico la prima cosa che deve essere soddisfatta sono i requisiti del livello di sagoma del veicolo, in particolare i requisiti di sicurezza funzionale. Prendiamo come esempio Effie Automobile: al fine di garantire l'applicazione stabile del sensore a correnti parassite, il processo di sviluppo è rigorosamente conforme al processo ISO26262 per garantire i requisiti del livello di sicurezza funzionale.
◎ La sfida del chip, il chip non deve solo soddisfare i requisiti funzionali, ma anche soddisfare il livello di sagoma dell'auto. In quanto azienda di sensori a correnti parassite, è necessario stabilire uno standard di verifica dei chip per valutare la disponibilità del chip, che è fondamentale anche per la successiva applicazione dei chip nazionali. Dopo anni di collaborazione con produttori di chip globali per stabilire un processo di verifica completo, Effie Automotive ha rivelato che l'introduzione di chip nazionali è stata pianificata, ovviamente, la premessa è quella di soddisfare gli standard.
Sfide di affidabilità, sensore di correnti parassite dovute alla posizione di installazione, il processo di lavoro è soggetto a shock termico nel motore, schizzi di olio di raffreddamento e altre sfide, che sono particolarmente maggiori per il chip. La soluzione di Effie Automotive consiste nell'applicare un trattamento adesivo alla posizione del chip, aumentando al contempo i requisiti di temperatura del chip stesso. Per migliorare l’adattabilità all’ambiente e migliorare l’affidabilità.
In futuro non è ancora noto se le correnti parassite possano sostituire completamente il sensore rotante. I sensori rotativi hanno anche un proprio percorso di aggiornamento del prodotto per far fronte alle nuove esigenze del motore. Tuttavia, il momento di crescita dei sensori a correnti parassite è più veloce di quello dei sensori rotanti e, naturalmente, la base dei sensori a correnti parassite è bassa.
