Czujnik położenia silnika to urządzenie, które wykrywa położenie wirnika (części wirującej) w silniku względem stojana (części nieruchomej). Przekształca położenie mechaniczne w sygnał elektryczny do wykorzystania przez sterownik silnika w celu podjęcia decyzji, kiedy zmienić kierunek i siłę prądu silnika, kontrolując w ten sposób prędkość obrotową i moment obrotowy silnika.
W pojazdach nowej energii precyzyjne sterowanie silnikiem jest bezpośrednio związane z bezpieczeństwem jazdy i stabilnością pojazdu oraz dokładną pracą stanowiska Resolwer czujnika może zapewnić prawidłową reakcję silnika w krytycznych momentach, takich jak hamowanie awaryjne, przyspieszanie czy kierowanie. Jest to szczególnie ważne w przypadku silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM), które nie posiadają komutatorów ze stykami fizycznymi i dlatego w oparciu o informacje o położeniu dostarczane przez czujnik podejmują decyzję o przełączeniu kierunku prądu i zapewniają płynną pracę silnika.
Obecnie w nowych pojazdach energetycznych powszechnie stosuje się dwa rodzaje czujników położenia silnika: czujniki wiroprądowe i transformatory obrotowe (czujniki obrotowe).
01.
Różnica między prądami wirowymi a prądami wirowymi wynika z ich podstawowej zasady
Chociaż czujniki prądu wirowego i transformatory obrotowe mogą dobrze spełniać wymagania dotyczące wykrywania położenia silnika, ze względu na różne maszyny generujące sygnał i metody przetwarzania sygnału, będą występować różnice w konkretnych zastosowaniach produktów w zależności od różnych wymagań.
Przy wyborze typu czujnika położenia silnika należy również wziąć pod uwagę inne czynniki, takie jak koszt, wymagania dotyczące dokładności, możliwość dostosowania do środowiska, niezawodność i złożoność integracji systemu, które są ściśle powiązane z podstawowym mechanizmem generowania i przetwarzania sygnału.
Weźmy na przykład najczęściej używany czujnik obrotowy, jego zasada działania opiera się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Zasada generowania sygnału polega na tym, że sterownik silnika dostarcza sygnał wzbudzenia AC o stałej częstotliwości do cewki wzbudzenia (cewki A), a ten sygnał wzbudzenia generuje zmienne pole magnetyczne wewnątrz czujnika obrotowego. Gdy wirnik się obraca, pole magnetyczne generowane przez cewkę wzbudzenia jest odcinane, co powoduje indukcję napięcia prądu przemiennego w cewce sinusoidalnej B i cewce cosinusowej C. Mierząc różnicę faz i amplitudę tych dwóch sygnałów, można dokładnie obliczyć położenie bezwzględne i kierunek obrotu wirnika silnika.
◎ Podczas przetwarzania sygnału sterownik silnika odbiera i analizuje sygnały sinusoidalne i cosinusowe czujnika obrotowego oraz oblicza dokładną informację o kącie za pomocą algorytmu oprogramowania (zwykle algorytmu analizy enkodera obrotowego). Aby uzyskać lepsze przetwarzanie sygnału, zwykle konieczne jest zastosowanie specjalnego układu dekodującego, który jest instalowany w sterowniku silnika i oczywiście można to również osiągnąć poprzez dekodowanie programowe.
Dlatego też, w specyficznym kształcie czujnika obrotu, składa się on zazwyczaj z cewki wzbudzającej (cewka pierwotna, cewka A), dwóch cewek wyjściowych (cewka sinusoidalna B i cewka cosinusowa C) oraz metalowego wirnika o nieregularnym kształcie. Wirnik jest współosiowy z wirnikiem silnika i obraca się wraz z obrotem silnika.
Czujnik prądu wirowego wykorzystuje zasadę indukcji elektromagnetycznej do przesyłania i odbierania indukowanego sygnału prądu przemiennego za pomocą odpowiedniej cewki na końcu nadawczym i końcu odbiorczym, aby obliczyć położenie koła docelowego. Koło docelowe jest zamocowane na wale obrotowym i obraca się wraz z wirnikiem. Względne położenie wirnika silnika i stojana można zmierzyć wykrywając położenie koła docelowego.
◎ Jeśli chodzi o przetwarzanie sygnału, gdy czujnik prądu wirowego jest włączony, cewka nadawcza czujnika generuje ekscytujące pole magnetyczne, a płytka celownicza podąża za silnikiem, obracając i odcinając ekscytujące pole magnetyczne, tak że cewka odbiorcza generuje napięcie cewki, a moduł czujnika demoduluje i przetwarza napięcie cewki w celu uzyskania sygnału napięciowego odpowiedniego położenia. W odróżnieniu od czujnika obrotowego, układ przetwarzania sygnału czujnika prądu wirowego jest zintegrowany z czujnikiem, a sygnał cyfrowy może być wysyłany bezpośrednio.
Dlatego czujnik wiroprądowy zwykle składa się z pewnej liczby listków docelowych odpowiadających liczbie par biegunów silnika. Grupa cewek składa się z cewki nadawczej i cewki odbiorczej, które są przymocowane do stojana silnika, a czujnik prądu wirowego jest zwykle umieszczony bezpośrednio na płytce drukowanej i zintegrowany jest układ przetwarzania sygnału.
02.
Różne zasady prowadzą do różnych celów technicznych
Można zauważyć, że główne różnice między czujnikiem obrotu a czujnikiem prądu wirowego zasadniczo dotyczą trybu wzbudzenia, mechanizmu generowania sygnału i złożoności przetwarzania sygnału. Zaletami czujnika obrotowego są głównie stabilność sygnału wzbudzenia i tolerancja środowiska pracy, ale wadami jest to, że wpływ zmiany schematu silnika jest większy, a kompatybilność platformy jest słaba. Zaletą czujnika prądów wirowych jest jego wysoki stopień elektronizacji, łatwość dostosowania do potrzeb platformy i silne właściwości anty-EMC. Wadą jest to, że jest nieco słabszy od czujnika obrotowego pod względem tolerancji środowiskowej, a koszt jest w niektórych scenach wyższy niż czujnik obrotowy.
Kompatybilność platformy znajduje odzwierciedlenie przede wszystkim w poziomie prędkości. „Mapa drogowa 2.0 dotycząca oszczędzania energii i nowych technologii pojazdów energetycznych” przygotowana przez Chińskie Towarzystwo Inżynierii Motoryzacyjnej wskazuje, że do 2025 r. maksymalna prędkość robocza czujnika położenia wyniesie 20 000 obr./min, a szerokość pasma dekodera będzie > 2,5 kHz. Do 2030 roku maksymalna prędkość robocza czujnika położenia wyniesie 25 000 obr./min, a szerokość pasma dekodera będzie >3,0 kHz. Można zauważyć, że przy dużej prędkości czujnik obrotowy napotyka pewne wyzwania.
Dzieje się tak, ponieważ częstotliwość wzbudzenia czujnika obrotowego jest ściśle powiązana ze stanem prędkości branym pod uwagę podczas jego projektowania i zwykle odpowiada aktualnemu stanowi prędkości. Wraz ze wzrostem prędkości do dokładnego pomiaru wymagana jest większa częstotliwość wzbudzenia, co wymaga zmiany konstrukcji czujnika obrotowego.
Czujniki wiroprądowe nie mają tego problemu. Effie Automotive powiedziała NE Time, że konstrukcja czujnika prądu wirowego może lepiej dostosować się do trendu rozwojowego tej dużej prędkości. Szeroki zakres wsparcia, szybka reakcja i lepsza wydajność w przetwarzaniu sygnałów o wysokiej częstotliwości oznaczają, że czujniki prądów wirowych mogą być „kompatybilne w górę” dla przyszłych zastosowań przy wyższych prędkościach. Dlatego rozwiązanie platformowe można lepiej zastosować w produktach silnikowych o różnych prędkościach. Tak naprawdę jest to jeden z czynników, dla których obecni klienci z branży motoryzacyjnej wybierają rozwiązania wiroprądowe,
Ponadto, ze względu na różnorodność czujników wiroprądowych, np. typ wału, koniec wału jest podobny, a wał można podzielić na typu O i typu C (niektóre nazywane są również pełnym kołem i półkolem). Dlatego jest stosunkowo bardziej elastyczny w dostosowywaniu schematów projektowania silników klientów.
03.
Różne zasady prowadzą do różnych wyzwań związanych z redukcją kosztów
Koszt czujników obrotowych obejmuje głównie materiały i sprzęt, w tym materiały magnetyczne (takie jak blachy ze stali krzemowej), cewki i tak dalej. Dlatego całkowity koszt ustala się na podstawie jego wielkości, zwykle im większy rozmiar, tym wyższy koszt.
Podstawowy koszt czujnika wiroprądowego obejmuje głównie jego elementy elektroniczne, chipy przetwarzające itp. Koszt części elektronicznych jest stosunkowo stały, więc podstawowy koszt czujnika wiroprądowego nie rośnie liniowo wraz z rozmiarem.
Dlatego koszt czujników wiroprądowych jest niższy niż w przypadku czujników obrotowych do zastosowań na dużą skalę. Jednak w schematach silników o małych rozmiarach czujniki obrotowe mają pewne zalety kosztowe. Oczywiście, jeśli chodzi o konkretny schemat zastosowania, ponieważ układ przetwarzający sygnał czujnika obrotowego często nie jest uwzględniany w kalkulacji kosztów, porównanie konkretnych kosztów również ma pewne różnice.
Oprócz bieżącego porównania kosztów należy również zwrócić uwagę na przyszłą przestrzeń redukcji kosztów. Obecnie, ponieważ większość chipów czujników prądów wirowych pochodzi od przedsiębiorstw zagranicznych, koszty można dodatkowo obniżyć wraz ze wzrostem skali i dojrzałością krajowych przedsiębiorstw zajmujących się chipami na późniejszym etapie. Jednakże opadająca przestrzeń czujnika obrotowego jest stosunkowo ograniczona.
Dlatego też, w obliczu przyszłych wymagań kosztowych, czujniki prądów wirowych są oczywiście bardziej korzystne. W ostatnich latach udział w rynku czujników prądów wirowych znacznie wzrósł, a na rynku krajowym firmy motoryzacyjne, w tym Geely i szereg nowych sił, wybrały schemat czujników prądów wirowych.
04.
Branża czujników prądów wirowych wciąż musi się rozwijać
Chociaż popularność zastosowań czujników wiroprądowych rośnie, najpopularniejszymi czujnikami są nadal czujniki obrotowe, w tym liderzy sprzedaży BYD i Tesla. Powodem tego jest to, że z jednej strony czujniki prądów wirowych są stosowane późno w branży motoryzacyjnej, a z drugiej strony nie ma wielu dostawców, którzy mogą dostarczyć czujniki prądów wirowych, a kilka firm, takich jak Effie i Sensata, może je dostarczyć w branży.
W przypadku czujników wiroprądowych istnieją trzy główne wyzwania:
Co prawda czujniki wiroprądowe znalazły zastosowanie w przemyśle, ale w motoryzacji pierwszą rzeczą, którą należy spełnić, są wymagania dotyczące poziomu skrajni pojazdu, zwłaszcza wymagania dotyczące bezpieczeństwa funkcjonalnego. Weźmy na przykład Effie Automobile, aby zapewnić stabilne zastosowanie czujnika wiroprądowego, proces rozwoju jest ściśle zgodny z procesem ISO26262, aby zapewnić wymagania poziomu bezpieczeństwa funkcjonalnego.
◎ Wyzwanie związane z chipem, chip musi nie tylko spełniać wymagania funkcjonalne, ale także spełniać poziom skrajni samochodu. Jako przedsiębiorstwo zajmujące się czujnikami wiroprądowymi konieczne jest ustanowienie standardu weryfikacji chipów w celu oceny dostępności chipa, co ma również kluczowe znaczenie dla późniejszego zastosowania chipów domowych. Dzięki wieloletniej współpracy ze światowymi producentami chipów w celu ustalenia pełnego procesu weryfikacji, Effie Automotive ujawniło, że wprowadzenie krajowych chipów było planowane, oczywiście założeniem jest dotrzymanie standardów.
Wyzwania związane z niezawodnością, czujnik prądów wirowych ze względu na pozycję montażową, proces pracy jest podatny na szok termiczny w silniku, rozpylanie oleju chłodzącego i inne wyzwania, które są szczególnie większe w przypadku chipa. Rozwiązanie Effie Automotive polega na zastosowaniu kleju w miejscu chipa, jednocześnie zwiększając wymagania temperaturowe samego chipa. Aby poprawić zdolność adaptacji do środowiska i poprawić niezawodność.
W przyszłości nadal nie wiadomo, czy prąd wirowy może całkowicie zastąpić czujnik obrotowy. Czujniki obrotowe mają również własną ścieżkę modernizacji produktu, aby sprostać nowym potrzebom silnika. Jednakże dynamika wzrostu czujników wiroprądowych jest większa niż w przypadku czujników obrotowych, a baza czujników wiroprądowych jest oczywiście niska.
