De motorpositiesensor is een apparaat dat de positie van de rotor (roterend deel) in de motor detecteert ten opzichte van de stator (vast deel). Het zet de mechanische positie om in een elektrisch signaal dat door de motorcontroller kan worden gebruikt om te beslissen wanneer de stroomrichting en -sterkte van de motor moet worden geschakeld, waardoor de rotatiesnelheid en het koppel van de motor worden geregeld.
Bij voertuigen op nieuwe energie houdt de nauwkeurige besturing van de motor rechtstreeks verband met de rijveiligheid en stabiliteit van het voertuig, en het nauwkeurige werk van de positie sensorresolver kan zorgen voor de juiste reactie van de motor op kritieke momenten zoals een noodstop, acceleratie of sturen. Dit is vooral belangrijk voor synchrone motoren met permanente magneten (PMSM), die geen commutatoren met fysiek contact hebben en daarom afhankelijk zijn van de positie-informatie van de sensor om te beslissen wanneer de stroomrichting moet worden omgeschakeld en een soepele werking van de motor moet worden gegarandeerd.
Momenteel zijn er twee soorten motorpositiesensoren die vaak worden gebruikt in nieuwe energievoertuigen: wervelstroomsensoren en roterende transformatoren (roterende sensoren).
01.
Het verschil tussen wervelstromen en wervelstromen komt voort uit hun basisprincipe
Hoewel wervelstroomsensoren en roterende transformatoren goed kunnen voldoen aan de eisen van motorpositiedetectie, zullen er vanwege hun verschillende signaalgeneratiemachines en signaalverwerkingsmethoden verschillen zijn in specifieke producttoepassingen op basis van verschillende vereisten.
Bij de keuze van het type motorpositiesensor moet ook rekening worden gehouden met andere factoren, zoals kosten, nauwkeurigheidseisen, aanpassingsvermogen aan de omgeving, betrouwbaarheid en complexiteit van systeemintegratie, die nauw verband houden met het basismechanisme voor het genereren en verwerken van signalen.
Neem als voorbeeld de meest gebruikte rotatiesensor; het werkingsprincipe ervan is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie. Het principe van signaalgeneratie is dat de motorcontroller een AC-excitatiesignaal met constante frequentie levert aan de excitatiespoel (spoel A), en dit excitatiesignaal genereert een wisselend magnetisch veld binnen de roterende sensor. Terwijl de rotor draait, wordt het door de excitatiespoel gegenereerde magnetische veld onderbroken, wat resulteert in de inductie van wisselspanning in de sinusoïdale spoel B en de cosinusspoel C. Door het faseverschil en de amplitude van deze twee signalen te meten, kunnen de absolute positie en rotatierichting van de motorrotor nauwkeurig worden berekend.
◎ Bij signaalverwerking ontvangt en analyseert de motorcontroller de sinus- en cosinussignalen van de rotatiesensor, en berekent de precieze hoekinformatie via een software-algoritme (meestal het analyse-algoritme van de roterende encoder). Om een betere signaalverwerking te bereiken, is het meestal nodig om een speciale decoderingschip toe te passen, die in de motorcontroller wordt geïnstalleerd, en dit kan uiteraard ook worden bereikt door middel van softwaredecodering.
Daarom bestaat de specifieke vorm van de rotatiesensor meestal uit een opwindende spoel (primaire spoel, spoel A), twee uitgangsspoelen (sinusspoel B en cosinusspoel C) en een onregelmatig gevormde metalen rotor. De rotor is coaxiaal met de rotor van de motor en roteert met de rotatie van de motor.
De wervelstroomsensor maakt gebruik van het elektromagnetische inductieprincipe om het geïnduceerde AC-signaal te verzenden en te ontvangen met de overeenkomstige spoel aan het zendende en ontvangende uiteinde, om zo de positie van het doelwiel te berekenen. Het doelwiel is bevestigd op de roterende as en draait samen met de rotor. De relatieve positie van de motorrotor en de stator kan worden gemeten door de positie van het doelwiel te detecteren.
◎ In termen van signaalverwerking, wanneer de wervelstroomsensor wordt ingeschakeld, genereert de sensorzendspoel een opwindend magnetisch veld en volgt de doelplaat de motor om het opwindende magnetische veld te roteren en af te snijden, zodat de ontvangende spoel spoelspanning genereert en de sensormodule de spoelspanning demoduleert en verwerkt om het spanningssignaal van de overeenkomstige positie te verkrijgen. Anders dan bij de rotatiesensor is de signaalverwerkingschip van de wervelstroomsensor geïntegreerd met de sensor en kan het digitale signaal direct worden uitgevoerd.
Daarom bestaat de wervelstroomsensor doorgaans uit een aantal doellobben dat overeenkomt met het aantal poolparen van de motor. De spoelgroep bestaat uit een zendspoel en een ontvangstspoel, die op de motorstator zijn bevestigd, en de wervelstroomsensor is meestal direct op de printplaat geplaatst en de signaalverwerkingschip is geïntegreerd.
02.
Verschillende principes leiden tot verschillende technische focus
Het is duidelijk dat de belangrijkste verschillen tussen de rotatiesensor en de wervelstroomsensor in principe liggen in de excitatiemodus, het signaalgeneratiemechanisme en de complexiteit van de signaalverwerking. De voordelen van de rotatiesensor liggen voornamelijk in de stabiliteit van het excitatiesignaal en de tolerantie van de werkomgeving, maar de nadelen zijn dat de invloed van de verandering van het motorschema groter is en dat de platformcompatibiliteit slecht is. Het voordeel van de wervelstroomsensor is de hoge mate van elektronisatie, het gemakkelijk voldoen aan de behoeften van het platform en het sterke anti-EMC-vermogen. Het nadeel is dat deze iets zwakker is dan de roterende sensor in termen van omgevingstolerantie, en dat de kosten in sommige scènes hoger zijn dan die van de roterende sensor.
Platformcompatibiliteit wordt voor het eerst weerspiegeld in het snelheidsniveau. De 'energiebesparende en nieuwe energievoertuigtechnologie Roadmap 2.0', opgesteld door de China Society of Automotive Engineering, wijst erop dat in 2025 de maximale werksnelheid van de positiesensor 20.000 tpm is en dat de bandbreedte van de decoder > 2,5 kHz is. In 2030 bedraagt de maximale werksnelheid van de positiesensor 25.000 tpm en bedraagt de bandbreedte van de decoder >3,0 kHz. Het is duidelijk dat er bij hoge snelheid bepaalde uitdagingen zijn bij de rotatiesensor.
Dit komt omdat de excitatiefrequentie van de rotatiesensor nauw verwant is aan de snelheidstoestand die in aanmerking werd genomen toen deze werd ontworpen, en meestal overeenkomt met de huidige snelheidstoestand. Naarmate de snelheid toeneemt, is een hogere excitatiefrequentie vereist voor nauwkeurige metingen, wat een verandering in het ontwerp van de roterende sensor vereist.
Wervelstroomsensoren hebben dit probleem niet. Effie Automotive vertelde aan NE Time dat het ontwerp van de wervelstroomsensor zich beter kan aanpassen aan de ontwikkelingstrend van deze hoge snelheid. Het brede scala aan ondersteuning, snelle respons en betere prestaties bij hoogfrequente signaalverwerking betekenen dat wervelstroomsensoren 'opwaarts compatibel' kunnen zijn voor toekomstige toepassingen met hogere snelheden. Daarom kan de platformoplossing beter worden gerealiseerd in motorproducten met verschillende snelheden. In feite is dit een van de factoren waardoor huidige motorklanten kiezen voor wervelstroomoplossingen,
Vanwege de verscheidenheid aan wervelstroomsensoren, zoals het astype, is het asuiteinde bovendien vergelijkbaar en kan de as worden verdeeld in O-type en C-type (sommige worden ook volledige cirkel en halve cirkel genoemd). Daarom is het relatief flexibeler bij het aanpassen van motorontwerpschema's van klanten.
03.
Verschillende principes leiden tot verschillende uitdagingen op het gebied van kostenbesparing
De kosten van roterende sensoren zijn voornamelijk afkomstig van materialen en hardware, inclusief magnetische materialen (zoals siliciumstaalplaten), spoelen, enzovoort. Daarom worden de totale kosten bepaald op basis van de omvang ervan, meestal hoe groter de omvang, hoe hoger de kosten.
De kernkosten van de wervelstroomsensor liggen voornamelijk in de elektronische componenten, verwerkingschips, enz., De kosten van elektronische onderdelen zijn relatief vast, dus de kernkosten van de wervelstroomsensor stijgen niet lineair met de grootte.
Daarom zijn de kosten van wervelstroomsensoren lager dan die van roterende sensoren voor grootschalige toepassingen. In kleine motorschema's hebben roterende sensoren echter bepaalde kostenvoordelen. Als het gaat om het specifieke toepassingsschema, kent de specifieke kostenvergelijking natuurlijk ook enkele verschillen, omdat de signaalverwerkingschip van de rotatiesensor vaak niet wordt meegenomen in de kostenberekening.
Naast de huidige kostenvergelijking is het ook noodzakelijk om aandacht te besteden aan de toekomstige kostenbesparingsruimte. Omdat de meeste wervelstroomsensorchips momenteel afkomstig zijn van buitenlandse ondernemingen, kunnen de kosten momenteel verder worden verlaagd met de uitbreiding van de schaal en de volwassenheid van binnenlandse chipbedrijven in een later stadium. De neergaande ruimte van de roterende sensor is echter relatief beperkt.
Daarom zijn wervelstroomsensoren, wanneer ze geconfronteerd worden met toekomstige kostenvereisten, duidelijk voordeliger. De afgelopen jaren is het marktaandeel van wervelstroomsensoren aanzienlijk gestegen en op de binnenlandse markt hebben voertuigbedrijven, waaronder Geely en een aantal nieuwe krachten, gekozen voor het wervelstroomsensorschema.
04.
De wervelstroomsensorindustrie moet nog groeien
Hoewel de populariteit van wervelstroomsensortoepassingen toeneemt, zijn de meest voorkomende sensoren nog steeds rotatiesensoren, waaronder verkoopleiders BYD en Tesla. De reden hiervoor is dat enerzijds wervelstroomsensoren pas laat in de automotive sector worden toegepast en anderzijds er niet veel leveranciers zijn die wervelstroomsensoren kunnen leveren, en enkele bedrijven zoals Effie en Sensata deze in de industrie kunnen leveren.
Voor wervelstroomsensoren zijn er drie belangrijke uitdagingen:
In feite zijn wervelstroomsensoren toegepast op industrieel gebied, maar in de automobielsector moet eerst worden voldaan aan de eisen van het voertuigmeterniveau, vooral de eisen van functionele veiligheid. Neem Effie Automobile als voorbeeld: om de stabiele toepassing van de wervelstroomsensor te garanderen, is het ontwikkelingsproces strikt in overeenstemming met het ISO26262-proces om de eisen van het functionele veiligheidsniveau te garanderen.
◎ De uitdaging van de chip: de chip moet niet alleen voldoen aan de functionele eisen, maar ook voldoen aan het peilniveau van de auto. Als wervelstroomsensorbedrijf is het noodzakelijk om een chipverificatiestandaard op te stellen om de beschikbaarheid van de chip te evalueren, wat ook cruciaal is voor de daaropvolgende toepassing van binnenlandse chips. Door jarenlange samenwerking met wereldwijde chipfabrikanten om een compleet verificatieproces op te zetten, onthulde Effie Automotive dat de introductie van binnenlandse chips gepland was, uiteraard met als uitgangspunt het voldoen aan de normen.
Betrouwbaarheidsuitdagingen, wervelstroomsensor vanwege de installatiepositie, het werkproces is gevoelig voor thermische schokken in de motor, sputteren van koelolie en andere uitdagingen, wat vooral groter is voor de chip. De oplossing van Effie Automotive is om een lijmbehandeling toe te passen op de chiplocatie, terwijl de temperatuurvereisten van de chip zelf worden verhoogd. Om het aanpassingsvermogen aan de omgeving te verbeteren en de betrouwbaarheid te verbeteren.
Of de wervelstroom in de toekomst de rotatiesensor volledig kan vervangen, is nog onbekend. Rotatiesensoren hebben ook hun eigen productupgradepad om aan de nieuwe behoeften van de motor te voldoen. Het groeimomentum van wervelstroomsensoren is echter sneller dan dat van rotatiesensoren, en uiteraard is de basis van wervelstroomsensoren laag.
