Датчик положения двигателя — это устройство, которое определяет положение ротора (вращающейся части) двигателя относительно статора (неподвижной части). Он преобразует механическое положение в электрический сигнал, который используется контроллером двигателя, чтобы решить, когда переключать направление и силу тока двигателя, тем самым контролируя скорость вращения и крутящий момент двигателя.
В транспортных средствах на новой энергии точное управление двигателем напрямую связано с безопасностью вождения и устойчивостью автомобиля, а также с точной работой положения. Резолвер датчика может обеспечить правильную реакцию двигателя в критические моменты, такие как экстренное торможение, ускорение или рулевое управление. Это особенно важно для синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM), которые не имеют коммутаторов с физическими контактами и поэтому полагаются на информацию о положении, предоставляемую датчиком, чтобы решить, когда переключить направление тока и обеспечить плавную работу двигателя.
В настоящее время в транспортных средствах на новой энергии обычно используются два типа датчиков положения двигателя: вихретоковые датчики и вращающиеся трансформаторы (поворотные датчики).
01.
Разница между вихревыми и вихревыми течениями проистекает из их основного принципа.
Хотя датчики вихревых токов и вращающиеся трансформаторы могут вполне соответствовать требованиям определения положения двигателя, из-за их различных устройств генерации сигналов и методов обработки сигналов в конкретных приложениях продукта будут различия в соответствии с различными требованиями.
При выборе типа датчика положения двигателя также необходимо учитывать другие факторы, такие как стоимость, требования к точности, адаптируемость к окружающей среде, надежность и сложность системной интеграции, которые тесно связаны с базовым механизмом генерации и обработки сигналов.
Возьмем, к примеру, наиболее часто используемый поворотный датчик, принцип его работы основан на принципе электромагнитной индукции. Принцип генерации сигнала заключается в том, что контроллер двигателя подает сигнал возбуждения переменного тока постоянной частоты на катушку возбуждения (катушка А), и этот сигнал возбуждения создает переменное магнитное поле внутри поворотного датчика. Когда ротор вращается, магнитное поле, создаваемое катушкой возбуждения, сокращается, что приводит к индукции переменного напряжения в синусоидальной катушке B и косинусной катушке C. Измеряя разность фаз и амплитуду этих двух сигналов, можно точно рассчитать абсолютное положение и направление вращения ротора двигателя.
◎ При обработке сигналов контроллер двигателя получает и анализирует синусоидальные и косинусоидальные сигналы датчика поворота и вычисляет точную информацию об угле с помощью программного алгоритма (обычно алгоритм анализа поворотного энкодера). Чтобы добиться лучшей обработки сигнала, обычно необходимо применить специальный чип декодирования, который установлен в контроллере двигателя, и, конечно, этого также можно добиться путем программного декодирования.
Поэтому датчик вращения определенной формы обычно состоит из катушки возбуждения (первичная катушка, катушка А), двух выходных катушек (синусоидальная катушка B и косинусная катушка C) и металлического ротора неправильной формы. Ротор расположен соосно с ротором двигателя и вращается вместе с вращением двигателя.
Датчик вихревых токов использует принцип электромагнитной индукции для передачи и приема индуцированного сигнала переменного тока с помощью соответствующей катушки на передающей и приемной стороне, чтобы рассчитать положение целевого колеса. Целевое колесо закреплено на вращающемся валу и вращается вместе с ротором. Относительное положение ротора и статора двигателя можно измерить путем определения положения целевого колеса.
◎ С точки зрения обработки сигнала, когда вихретоковый датчик включен, передающая катушка датчика генерирует возбуждающее магнитное поле, а целевая пластина следует за двигателем, вращая и отсекая возбуждающее магнитное поле, так что приемная катушка генерирует напряжение катушки, а модуль датчика демодулирует и обрабатывает напряжение катушки для получения сигнала напряжения соответствующего положения. В отличие от поворотного датчика, микросхема обработки сигналов вихретокового датчика интегрирована с датчиком, и цифровой сигнал может выводиться напрямую.
Поэтому вихретоковый датчик обычно состоит из нескольких целевых лепестков, соответствующих количеству пар полюсов двигателя. Группа катушек состоит из передающей катушки и приемной катушки, которые закреплены на статоре двигателя, а датчик вихревых токов обычно размещается непосредственно на печатной плате, а микросхема обработки сигналов интегрирована.
02.
Разные принципы ведут к разным техническим фокусам.
Видно, что основные отличия датчика вращения от вихретокового датчика заключаются в режиме возбуждения, механизме формирования сигнала и сложности обработки сигнала. Преимущества поворотного датчика заключаются в основном в стабильности сигнала возбуждения и переносимости рабочей среды, но недостатки заключаются в том, что влияние изменения схемы двигателя больше, а совместимость платформы плохая. Преимуществом вихретокового датчика является его высокая степень электронизации, простота удовлетворения потребностей платформы и сильная защита от ЭМС. Недостаток заключается в том, что он немного слабее, чем поворотный датчик, с точки зрения устойчивости к окружающей среде, а стоимость в некоторых сценах выше, чем у поворотного датчика.
Совместимость платформ в первую очередь отражается на уровне скорости. В «Дорожной карте 2.0 по энергосбережению и новым энергетическим технологиям транспортных средств», подготовленной Китайским обществом автомобильной инженерии, указано, что к 2025 году максимальная рабочая скорость датчика положения составит 20 000 об/мин, а полоса пропускания декодера —> 2,5 кГц. К 2030 году максимальная рабочая скорость датчика положения составит 25 000 об/мин, а полоса пропускания декодера составит> 3,0 кГц. Видно, что на высокой скорости с датчиком вращения возникают определенные проблемы.
Это связано с тем, что частота возбуждения датчика вращения тесно связана с состоянием скорости, учитываемым при его проектировании, и обычно соответствует текущему состоянию скорости. По мере увеличения скорости для точного измерения требуется более высокая частота возбуждения, что требует изменения конструкции поворотного датчика.
Датчики вихревых токов не имеют этой проблемы. Компания Effie Automotive рассказала NE Time, что конструкция вихретокового датчика может лучше адаптироваться к тенденции развития таких высоких скоростей. Широкий спектр поддержки, быстрый отклик и улучшенная производительность при обработке высокочастотных сигналов означают, что вихретоковые датчики могут быть «совместимы с более высокими скоростями» для будущих приложений на более высоких скоростях. Таким образом, платформенное решение может быть лучше реализовано в двигателях с различной скоростью. Фактически, это один из факторов, по которым нынешние клиенты двигателей выбирают решения для вихретоковых токов.
Кроме того, из-за разнообразия вихретоковых датчиков, таких как тип вала, конец вала аналогичен, и вал можно разделить на тип O и тип C (некоторые из них также называются полным кругом и полукругом). Следовательно, он относительно более гибок в адаптации схем конструкции двигателя заказчика.
03.
Различные принципы приводят к различным проблемам снижения затрат.
Стоимость датчиков вращения в основном зависит от материалов и оборудования, включая магнитные материалы (например, листы кремниевой стали), катушки и т. д. Таким образом, общая стоимость определяется в зависимости от его размера: обычно чем больше размер, тем выше стоимость.
Основная стоимость вихретокового датчика в основном заключается в его электронных компонентах, обрабатывающих микросхемах и т. д., стоимость электронных частей относительно фиксирована, поэтому основная стоимость вихретокового датчика не увеличивается линейно с размером.
Таким образом, стоимость вихретоковых датчиков ниже, чем стоимость вращающихся датчиков для крупномасштабных применений. Однако в схемах малогабаритных двигателей поворотные датчики имеют определенные преимущества по стоимости. Конечно, когда дело доходит до конкретной схемы применения, поскольку микросхема обработки сигналов поворотного датчика часто не включается в расчет стоимости, сравнение конкретных затрат также имеет некоторые различия.
Помимо текущего сравнения затрат, необходимо также обратить внимание на пространство будущего снижения затрат. В настоящее время, поскольку большая часть чипов вихретоковых датчиков производится зарубежными предприятиями, стоимость может быть дополнительно снижена за счет расширения масштабов и развития отечественных предприятий по производству чипов на более позднем этапе. Однако нисходящее пространство поворотного датчика относительно ограничено.
Таким образом, с учетом будущих требований к затратам, вихретоковые датчики, очевидно, будут более выгодными. В последние годы доля рынка вихретоковых датчиков значительно выросла, и на внутреннем рынке автомобильные компании, включая Geely и ряд новых сил, выбрали схему вихретоковых датчиков.
04.
Индустрия вихретоковых датчиков все еще нуждается в развитии
Хотя популярность вихретоковых датчиков растет, наиболее распространенными датчиками по-прежнему являются вращающиеся датчики, включая лидеры продаж BYD и Tesla. Причина этого в том, что, с одной стороны, вихретоковые датчики применяются в автомобильной отрасли поздно, а с другой стороны, не так много поставщиков, которые могут предоставить вихретоковые датчики, и лишь несколько компаний, таких как Effie и Sensata, могут поставлять их в промышленность.
Для вихретоковых датчиков существуют три основные проблемы:
Действительно, вихретоковые датчики применяются в промышленной сфере, но в автомобильной сфере первое, что необходимо соблюдать, — это требования уровня габаритов транспортного средства, особенно требования функциональной безопасности. Возьмем, к примеру, компанию Effie Automobile: чтобы обеспечить стабильное применение датчика вихревых токов, процесс разработки строго соответствует процессу ISO26262, чтобы обеспечить требования уровня функциональной безопасности.
◎ Задача чипа: чип должен не только соответствовать функциональным требованиям, но и соответствовать уровню датчиков автомобиля. Как предприятие, занимающееся вихретоковыми датчиками, необходимо установить стандарт проверки чипов для оценки доступности чипа, что также имеет решающее значение для последующего применения отечественных чипов. Благодаря многолетнему сотрудничеству с мировыми производителями чипов с целью создания полного процесса проверки компания Effie Automotive сообщила, что внедрение отечественных чипов запланировано, конечно, при условии, что они будут соответствовать стандартам.
Проблемы с надежностью, датчик вихревых токов из-за положения установки, рабочий процесс подвержен тепловому удару в двигателе, разбрызгиванию охлаждающего масла и другим проблемам, что особенно важно для чипа. Решение Effie Automotive заключается в нанесении клеевой обработки на место скола, одновременно повышая требования к температуре самого скола. Для улучшения адаптивности к окружающей среде и повышения надежности.
В будущем пока неизвестно, сможет ли вихревой ток полностью заменить поворотный датчик. Датчики вращения также имеют собственный путь модернизации продукта, чтобы соответствовать новым потребностям двигателя. Однако темп роста вихретоковых датчиков быстрее, чем у вращающихся датчиков, и, конечно, база вихретоковых датчиков невысока.
