모터 위치 센서는 고정자(고정부)에 대한 모터 내부의 회전자(회전부)의 위치를 감지하는 장치입니다. 이는 모터 컨트롤러가 모터의 전류 방향과 강도를 전환할 시기를 결정하는 데 사용할 수 있도록 기계적 위치를 전기 신호로 변환하여 모터의 회전 속도와 토크를 제어합니다.
신에너지 자동차에서는 모터의 정밀한 제어가 차량의 주행 안전성과 안정성, 그리고 위치의 정확한 작동과 직결됩니다. 센서 리졸버는 비상 제동, 가속 또는 조향과 같은 중요한 순간에 모터의 올바른 응답을 보장할 수 있습니다. 이는 물리적 접촉 정류자가 없기 때문에 센서가 제공하는 위치 정보에 의존하여 전류 방향을 전환할 시기를 결정하고 모터의 원활한 작동을 보장하는 영구 자석 동기 모터(PMSM)에 특히 중요합니다.
현재 신에너지 차량에 일반적으로 사용되는 모터 위치 센서에는 와전류 센서와 회전식 변압기(회전식 센서)의 두 가지 종류가 있습니다.
01.
소용돌이 전류와 와전류의 차이는 기본 원리에서 비롯됩니다.
와전류 센서와 회전식 변압기는 모터 위치 감지 요구 사항을 잘 충족할 수 있지만 신호 생성 기계 및 신호 처리 방법이 다르기 때문에 요구 사항에 따라 특정 제품 응용 프로그램에 차이가 있습니다.
모터 위치 센서 유형을 선택할 때는 기본 신호 생성 및 처리 메커니즘과 밀접하게 관련된 비용, 정확도 요구 사항, 환경 적응성, 신뢰성 및 시스템 통합 복잡성과 같은 다른 요소도 고려해야 합니다.
가장 일반적으로 사용되는 회전식 센서를 예로 들면, 작동 원리는 전자기 유도 원리를 기반으로 합니다. 신호 생성의 원리는 모터 컨트롤러가 여자 코일(코일 A)에 일정한 주파수의 AC 여자 신호를 제공하고 이 여자 신호가 회전 센서 내부에 교류 자기장을 생성한다는 것입니다. 회전자가 회전함에 따라 여자 코일에서 생성된 자기장이 차단되어 정현파 코일 B와 코사인 코일 C에 AC 전압이 유도됩니다. 이 두 신호의 위상차와 진폭을 측정하면 모터 회전자의 절대 위치와 회전 방향을 정확하게 계산할 수 있습니다.
◎ 신호 처리에서는 모터 컨트롤러가 회전 센서의 사인 및 코사인 신호를 수신 및 분석하고 소프트웨어 알고리즘(일반적으로 회전 인코더 분석 알고리즘)을 통해 정확한 각도 정보를 계산합니다. 더 나은 신호 처리를 달성하려면 일반적으로 모터 컨트롤러에 설치된 특수 디코딩 칩을 적용해야 하며, 물론 소프트웨어 디코딩을 통해서도 달성할 수 있습니다.
따라서 회전 센서의 구체적인 형상에서는 여자 코일(1차 코일, 코일 A), 2개의 출력 코일(사인 코일 B 및 코사인 코일 C) 및 불규칙한 모양의 금속 회전자로 구성되는 것이 일반적입니다. 로터는 모터의 로터와 동축을 이루며 모터의 회전에 따라 회전합니다.
와전류 센서는 전자기 유도 원리를 사용하여 송신단과 수신단의 해당 코일로 유도 AC 신호를 송수신하여 타겟 휠의 위치를 계산합니다. 타겟휠은 회전축에 고정되어 로터와 함께 회전합니다. 모터 회전자와 고정자의 상대적인 위치는 목표 바퀴의 위치를 감지하여 측정할 수 있습니다.
◎ 신호 처리 측면에서 와전류 센서의 전원을 켜면 센서 송신 코일이 여기 자기장을 생성하고 타겟 플레이트가 모터를 따라 회전하고 여기 자기장을 절단하여 수신 코일이 코일 전압을 생성하고 센서 모듈이 코일 전압을 복조 및 처리하여 해당 위치의 전압 신호를 얻습니다. 회전식 센서와 달리 와전류 센서의 신호 처리 칩이 센서에 통합되어 디지털 신호를 직접 출력할 수 있습니다.
따라서 와전류 센서는 일반적으로 모터의 극쌍 수와 일치하는 다수의 타겟 로브로 구성됩니다. 코일군은 송신코일과 수신코일로 구성되어 모터 고정자에 고정되며 와전류 센서는 대개 PCB에 직접 배치되고 신호처리 칩이 집적된다.
02.
서로 다른 원칙은 서로 다른 기술적 초점으로 이어집니다.
회전 센서와 와전류 센서의 주요 차이점은 원칙적으로 여기 모드, 신호 생성 메커니즘 및 신호 처리의 복잡성에 있음을 알 수 있습니다. 회전식 센서의 장점은 주로 여자 신호의 안정성과 작업 환경의 허용 오차에 있지만, 모터 구성 변경의 영향이 더 크고 플랫폼 호환성이 좋지 않다는 단점이 있습니다. 와전류 센서의 장점은 높은 전자화 수준, 플랫폼 요구 사항 충족 용이성, 강력한 EMC 방지 능력입니다. 단점은 환경 내성 측면에서 회전식 센서보다 약간 약하고 일부 장면에서는 회전식 센서보다 비용이 높다는 것입니다.
플랫폼 호환성은 먼저 속도 수준에 반영됩니다. 중국 자동차공학회에서 준비한 '에너지 절약 및 신에너지 차량 기술 로드맵 2.0'에서는 2025년까지 위치 센서의 최대 작동 속도가 20,000r/min이고 디코더 대역폭이 2.5kHz를 초과한다고 지적했습니다. 2030년까지 위치 센서의 최대 작동 속도는 25,000r/min이고 디코더 대역폭은 >3.0kHz입니다. 고속 회전 센서에는 특정 문제가 있음을 알 수 있습니다.
이는 회전형 센서의 가진 주파수가 설계 시 고려한 속도 상태와 밀접한 관련이 있으며 일반적으로 현재 속도 상태와 일치하기 때문입니다. 속도가 증가함에 따라 정확한 측정을 위해서는 더 높은 여기 주파수가 필요하므로 회전 센서의 설계 변경이 필요합니다.
와전류 센서에는 이러한 문제가 없습니다. Effie Automotive는 NE Time에 와전류 센서의 설계가 이러한 고속 개발 추세에 더 잘 적응할 수 있다고 말했습니다. 광범위한 지원, 빠른 응답 및 고주파 신호 처리 성능 향상은 와전류 센서가 더 높은 속도의 미래 응용 분야에 대해 '상향 호환'될 수 있음을 의미합니다. 따라서 플랫폼 솔루션은 다양한 속도의 모터 제품에서 더 잘 실현될 수 있습니다. 실제로 이는 현재 모터 고객이 와전류 솔루션을 선택하는 요인 중 하나입니다.
또한 샤프트 유형 등 다양한 와전류 센서로 인해 샤프트 끝이 유사하며 샤프트는 O형과 C형(일부는 완전원형과 반원형이라고도 함)으로 나눌 수 있습니다. 따라서 고객 모터 설계 방식을 적용하는 데 상대적으로 더 유연합니다.
03.
서로 다른 원칙으로 인해 서로 다른 비용 절감 문제가 발생함
회전형 센서의 가격은 주로 자성재료(규소강판 등), 코일 등 재료와 하드웨어에서 발생한다. 따라서 전체 비용은 크기에 따라 결정되며 일반적으로 크기가 클수록 비용이 높아집니다.
와전류 센서의 핵심 비용은 주로 전자 부품, 처리 칩 등에 있으며 전자 부품 비용은 상대적으로 고정되어 있으므로 와전류 센서의 핵심 비용은 크기에 따라 선형적으로 증가하지 않습니다.
따라서 와전류 센서의 비용은 대규모 응용 분야의 회전식 센서보다 저렴합니다. 그러나 소형 모터 방식에서는 회전식 센서가 비용상 이점이 있습니다. 물론 구체적인 적용 방식에 관해서는 회전 센서의 신호 처리 칩이 비용 계산에 포함되지 않는 경우가 많기 때문에 구체적인 비용 비교에도 약간의 차이가 있습니다.
현재의 원가 비교와 더불어 향후 원가 절감 공간에도 주목할 필요가 있다. 현재 와전류 센서 칩의 대부분은 외국 기업에서 생산되기 때문에 이후 단계에서 국내 칩 기업의 규모와 성숙도가 확대되면 비용을 더욱 낮출 수 있습니다. 그러나 회전형 센서의 하강 공간은 상대적으로 제한적입니다.
따라서 미래의 비용 요구 사항에 직면할 때 와전류 센서가 분명히 더 유리합니다. 최근 몇 년 동안 와전류 센서의 시장 점유율이 크게 높아졌으며 국내 시장에서는 Geely를 비롯한 여러 신군을 포함한 자동차 회사가 와전류 센서 방식을 선택했습니다.
04.
와전류 센서 산업은 여전히 성장해야 함
와전류 센서 애플리케이션의 인기가 높아지고 있지만 가장 일반적인 센서는 판매 선두업체인 BYD와 Tesla를 포함하여 여전히 회전식 센서입니다. 그 이유는 와전류 센서가 자동차 분야 후반에 적용되고 있는 반면, 와전류 센서를 제공할 수 있는 공급업체가 많지 않고 업계에서는 Effie, Sensata 등 소수의 업체에서만 공급할 수 있기 때문입니다.
와전류 센서에는 세 가지 주요 과제가 있습니다.
실제로 와전류 센서는 산업 현장에 적용되어 왔지만 자동차 분야에서는 가장 먼저 충족해야 할 것이 차량 게이지 수준의 요구 사항, 특히 기능 안전 요구 사항입니다. Effie Automobile을 예로 들면, 와전류 센서의 안정적인 적용을 보장하기 위해 개발 프로세스는 ISO26262 프로세스를 엄격히 준수하여 기능 안전 수준의 요구 사항을 보장합니다.
◎ 칩의 과제, 칩은 기능적 요구사항을 충족할 뿐만 아니라 자동차 게이지 수준도 충족해야 합니다. 와전류 센서 기업으로서 칩의 가용성을 평가하기 위한 칩 검증 표준을 확립하는 것이 필요하며, 이는 후속 국산 칩 적용에도 중요합니다. 완전한 검증 프로세스를 구축하기 위해 글로벌 칩 제조업체와 수년간 협력을 통해 Effie Automotive는 국내 칩 도입이 계획되었으며 물론 표준을 충족하는 것이 전제라고 밝혔습니다.
신뢰성 문제, 설치 위치로 인한 와전류 센서, 작업 공정에서 모터의 열 충격, 냉각 오일 스퍼터링 및 기타 문제가 발생하기 쉬우며 특히 칩의 경우 더욱 그렇습니다. Effie Automotive의 솔루션은 칩 위치에 접착 처리를 적용하는 동시에 칩 자체의 온도 요구 사항을 높이는 것입니다. 환경에 대한 적응성을 향상시키고 신뢰성을 향상시킵니다.
미래에 와전류가 회전 센서를 완전히 대체할 수 있을지 여부는 아직 알 수 없습니다. 회전식 센서에는 모터의 새로운 요구 사항에 대처할 수 있는 자체 제품 업그레이드 경로도 있습니다. 그러나 와전류 센서의 성장 모멘텀은 회전식 센서에 비해 빠르며, 당연히 와전류 센서의 저변도 낮습니다.
