Senzor položaja motorja je naprava, ki zaznava položaj rotorja (vrtljivega dela) v motorju glede na stator (fiksni del). Pretvori mehanski položaj v električni signal, ki ga uporablja krmilnik motorja, da se odloči, kdaj preklopiti trenutno smer in moč motorja, s čimer nadzoruje vrtilno hitrost in navor motorja.
Pri novih energetskih vozilih je natančen nadzor motorja neposredno povezan z varnostjo vožnje in stabilnostjo vozila ter natančnim delovanjem položaja senzorski razreševalec lahko zagotovi pravilen odziv motorja v kritičnih trenutkih, kot so zaviranje v sili, pospeševanje ali krmiljenje. To je še posebej pomembno za sinhronske motorje s trajnimi magneti (PMSM), ki nimajo fizičnih kontaktnih komutatorjev in se zato zanašajo na informacije o položaju, ki jih zagotovi senzor, da se odločijo, kdaj preklopiti smer toka in zagotovijo nemoteno delovanje motorja.
Trenutno obstajata dve vrsti senzorjev položaja motorja, ki se običajno uporabljajo v vozilih z novo energijo, senzorji za vrtinčne tokove in rotacijski transformatorji (rotacijski senzorji).
01.
Razlika med vrtinčnimi in vrtinčnimi tokovi izhaja iz njihovega osnovnega principa
Čeprav lahko senzorji vrtinčnih tokov in rotacijski transformatorji dobro izpolnjujejo zahteve za zaznavanje položaja motorja, bodo zaradi različnih strojev za generiranje signalov in metod obdelave signalov razlike v posebnih aplikacijah izdelkov glede na različne zahteve.
Pri izbiri vrste senzorja položaja motorja je treba upoštevati tudi druge dejavnike, kot so stroški, zahteve po natančnosti, okoljska prilagodljivost, zanesljivost in kompleksnost integracije sistema, ki so tesno povezani z osnovnim mehanizmom za ustvarjanje in obdelavo signalov.
Za primer vzemimo najpogosteje uporabljen rotacijski senzor, katerega princip delovanja temelji na principu elektromagnetne indukcije. Načelo generiranja signala je, da krmilnik motorja zagotavlja vzbujevalni signal AC s konstantno frekvenco v vzbujevalno tuljavo (tuljava A), ta vzbujevalni signal pa ustvarja izmenično magnetno polje znotraj rotacijskega senzorja. Ko se rotor vrti, se magnetno polje, ki ga ustvari vzbujalna tuljava, prekine, kar ima za posledico indukcijo izmenične napetosti v sinusni tuljavi B in kosinusni tuljavi C. Z merjenjem fazne razlike in amplitude teh dveh signalov je mogoče natančno izračunati absolutni položaj in smer vrtenja rotorja motorja.
◎ Pri obdelavi signala krmilnik motorja prejme in analizira sinusne in kosinusne signale rotacijskega senzorja ter izračuna natančne informacije o kotu prek programskega algoritma (običajno algoritma za analizo rotacijskega dajalnika). Za boljšo obdelavo signala je običajno potrebna uporaba posebnega dekodirnega čipa, ki je nameščen v krmilniku motorja, seveda pa se lahko doseže tudi s programskim dekodiranjem.
Zato je v določeni obliki senzor vrtenja običajno sestavljen iz vzbujalne tuljave (primarna tuljava, tuljava A), dveh izhodnih tuljav (sinusna tuljava B in kosinusna tuljava C) in kovinskega rotorja nepravilne oblike. Rotor je soosen z rotorjem motorja in se vrti z vrtenjem motorja.
Senzor vrtinčnih tokov uporablja princip elektromagnetne indukcije za oddajanje in sprejemanje induciranega AC signala z ustrezno tuljavo na oddajnem in sprejemnem koncu, tako da izračuna položaj ciljnega kolesa. Ciljno kolo je pritrjeno na vrtljivo gred in se vrti skupaj z rotorjem. Relativni položaj rotorja in statorja motorja je mogoče izmeriti z zaznavanjem položaja ciljnega kolesa.
◎ Kar zadeva obdelavo signala, ko je senzor vrtinčnih tokov vklopljen, oddajna tuljava senzorja ustvari vznemirljivo magnetno polje, ciljna plošča pa sledi motorju, da se vrti in reže vznemirljivo magnetno polje, tako da sprejemna tuljava ustvari napetost tuljave, senzorski modul pa demodulira in obdela napetost tuljave, da dobi napetostni signal ustreznega položaja. Za razliko od rotacijskega senzorja je čip za obdelavo signala senzorja vrtinčnih tokov integriran s senzorjem, digitalni signal pa se lahko oddaja neposredno.
Zato je senzor vrtinčnih tokov običajno sestavljen iz številnih ciljnih rež, ki ustrezajo številu parov polov motorja. Skupina tuljav je sestavljena iz prenosne tuljave in sprejemne tuljave, ki sta pritrjeni na stator motorja, senzor vrtinčnih tokov pa je običajno nameščen neposredno v PCB, čip za obdelavo signala pa je integriran.
02.
Različna načela vodijo do različnih tehničnih usmeritev
Razvidno je, da so glavne razlike med senzorjem rotacije in senzorjem vrtinčnih tokov načeloma v načinu vzbujanja, mehanizmu generiranja signala in kompleksnosti obdelave signala. Prednosti rotacijskega senzorja so predvsem v stabilnosti vzbujalnega signala in toleranci delovnega okolja, slabosti pa, da je vpliv spremembe sheme motorja večji, kompatibilnost platforme pa slaba. Prednost senzorja za vrtinčne tokove je njegova visoka stopnja elektronizacije, enostavno izpolnjevanje potreb platforme in močna zmožnost proti EMC. Pomanjkljivost je, da je nekoliko šibkejši od rotacijskega senzorja glede tolerance okolja, stroški pa so v nekaterih prizorih višji od rotacijskega senzorja.
Združljivost platforme se najprej odraža v ravni hitrosti, 'načrt 2.0 za varčevanje z energijo in novo energetsko tehnologijo vozil', ki ga je pripravilo Kitajsko združenje avtomobilskega inženiringa, je poudaril, da bo do leta 2025 največja delovna hitrost senzorja položaja 20.000r/min, pasovna širina dekoderja pa >2,5 kHz. Do leta 2030 bo največja delovna hitrost senzorja položaja 25.000r/min, pasovna širina dekoderja pa >3,0kHz. Vidimo lahko, da obstajajo določeni izzivi pri rotacijskem senzorju pri visoki hitrosti.
To je zato, ker je frekvenca vzbujanja rotacijskega senzorja tesno povezana s stanjem hitrosti, ki je upoštevano pri načrtovanju, in se običajno ujema s trenutnim stanjem hitrosti. Z večanjem hitrosti je za natančno merjenje potrebna višja frekvenca vzbujanja, kar zahteva spremembo zasnove rotacijskega senzorja.
Senzorji vrtinčnih tokov nimajo te težave. Effie Automotive je za NE Time povedal, da se lahko zasnova senzorja vrtinčnih tokov bolje prilagodi trendu razvoja te visoke hitrosti. Njegova široka podpora, hiter odziv in boljša zmogljivost pri obdelavi visokofrekvenčnega signala pomenijo, da so lahko senzorji vrtinčnih tokov 'združljivi navzgor' za prihodnje aplikacije pri višjih hitrostih. Zato je rešitev platforme mogoče bolje realizirati v motornih izdelkih z različnimi hitrostmi. Pravzaprav je to eden od dejavnikov, zaradi katerih trenutni kupci motorjev izbirajo rešitve z vrtinčnimi tokovi,
Poleg tega je zaradi različnih senzorjev vrtinčnega toka, kot je tip gredi, konec gredi podoben, gred pa lahko razdelimo na tip O in C (nekateri se imenujejo tudi polni krog in polkrog). Zato je razmeroma bolj prilagodljiv pri prilagajanju načrtov motorja strank.
03.
Različna načela vodijo do različnih izzivov zmanjševanja stroškov
Stroški rotacijskih senzorjev v glavnem izvirajo iz materialov in strojne opreme, vključno z magnetnimi materiali (kot so pločevina iz silicijevega jekla), tuljavami itd. Zato se skupni stroški določijo glede na njegovo velikost, običajno večja kot je velikost, višji so stroški.
Osnovni stroški senzorja vrtinčnih tokov so v glavnem njegove elektronske komponente, procesorski čipi itd., stroški elektronskih delov so razmeroma fiksni, zato se osnovni stroški senzorja vrtinčnih tokov ne povečujejo linearno z velikostjo.
Zato so stroški senzorjev vrtinčnih tokov nižji kot stroški rotacijskih senzorjev za velike aplikacije. Vendar pa imajo v shemah z majhnimi motorji rotacijski senzorji določene stroškovne prednosti. Seveda, ko gre za specifično aplikacijsko shemo, ker čip za obdelavo signala rotacijskega senzorja pogosto ni vključen v izračun stroškov, ima tudi specifična primerjava stroškov nekaj razlik.
Poleg trenutne primerjave stroškov je treba biti pozoren tudi na prihodnji prostor zmanjševanja stroškov. Trenutno, ker večina čipov senzorjev za vrtinčne tokove prihaja iz tujih podjetij, je mogoče stroške še dodatno znižati s širjenjem obsega in zrelostjo domačih podjetij za čipe v kasnejši fazi. Vendar pa je padajoči prostor rotacijskega senzorja razmeroma omejen.
Zato so pri soočenju s prihodnjimi stroškovnimi zahtevami senzorji vrtinčnih tokov očitno ugodnejši. V zadnjih letih se je tržni delež senzorjev za vrtinčne tokove znatno povečal, na domačem trgu pa so avtomobilska podjetja, vključno z Geelyjem in številnimi novimi silami, izbrala shemo senzorjev za vrtinčne tokove.
04.
Industrija senzorjev za vrtinčne tokove mora še rasti
Čeprav priljubljenost aplikacij senzorjev vrtinčnih tokov narašča, so najpogostejši senzorji še vedno rotacijski senzorji, vključno z vodilnima v prodaji BYD in Tesla. Razlog za to je, da se senzorji vrtinčnih tokov po eni strani uporabljajo pozno na avtomobilskem področju, po drugi strani pa ni veliko dobaviteljev, ki bi lahko zagotovili senzorje vrtinčnih tokov, le nekaj podjetij, kot sta Effie in Sensata, pa jih lahko dobavi v industriji.
Za senzorje vrtinčnih tokov obstajajo trije glavni izzivi:
Pravzaprav so bili senzorji vrtinčnih tokov uporabljeni na industrijskem področju, toda na avtomobilskem področju je treba najprej izpolniti zahteve glede ravni profila vozila, zlasti zahteve funkcionalne varnosti. Vzemimo za primer Effie Automobile, da bi zagotovili stabilno uporabo senzorja vrtinčnih tokov, je razvojni proces strogo v skladu s postopkom ISO26262, da se zagotovijo zahteve glede ravni funkcionalne varnosti.
◎ Izziv čipa, čip ne sme izpolnjevati le funkcionalnih zahtev, ampak mora izpolnjevati tudi raven širine avtomobila. Kot podjetje, ki se ukvarja s senzorji vrtinčnih tokov, je potrebno vzpostaviti standard za preverjanje čipov za oceno razpoložljivosti čipov, kar je ključnega pomena tudi za kasnejšo uporabo domačih čipov. Skozi leta sodelovanja s svetovnimi proizvajalci čipov za vzpostavitev popolnega procesa preverjanja je Effie Automotive razkril, da je uvedba domačih čipov načrtovana, seveda predpostavka je izpolnjevanje standardov.
Izzivi glede zanesljivosti, senzor vrtinčnih tokov zaradi položaja namestitve, delovni proces je nagnjen k toplotnemu šoku v motorju, razprševanje hladilnega olja in drugi izzivi, kar je še posebej večje pri čipu. Rešitev Effie Automotive je nanašanje lepila na mesto čipa, hkrati pa poveča temperaturne zahteve samega čipa. Izboljšati prilagodljivost okolju in izboljšati zanesljivost.
Ali lahko vrtinčni tok v prihodnosti popolnoma nadomesti rotacijski senzor, še ni znano. Rotacijski senzorji imajo tudi lastno pot nadgradnje izdelka, da se spopadejo z novimi potrebami motorja. Vendar pa je zagon rasti senzorjev vrtinčnih tokov hitrejši kot pri rotacijskih senzorjih in seveda je osnova senzorjev vrtinčnih tokov nizka.
