Датчик положення двигуна - це пристрій, який визначає положення ротора (обертова частина) в двигуні відносно статора (нерухома частина). Він перетворює механічне положення в електричний сигнал для використання контролером двигуна, щоб вирішити, коли перемикати напрямок і силу струму двигуна, тим самим керуючи швидкістю обертання двигуна та крутним моментом.
У нових транспортних засобах з енергією точне керування двигуном безпосередньо пов’язане з безпекою водіння та стабільністю автомобіля, а також точною роботою позиції датчик може забезпечити правильну реакцію двигуна в критичні моменти, такі як екстрене гальмування, прискорення або рульове керування. Це особливо важливо для синхронних двигунів з постійними магнітами (PMSM), які не мають фізичних контактних комутаторів і тому покладаються на інформацію про положення, яку надає датчик, щоб вирішити, коли перемикати напрямок струму та забезпечити плавну роботу двигуна.
На даний момент існує два типи датчиків положення двигуна, які зазвичай використовуються в транспортних засобах з новою енергією, датчики вихрових струмів і обертові трансформатори (датчики обертання).
01.
Різниця між вихровими і вихровими струмами випливає з їх основного принципу
Незважаючи на те, що датчики вихрових струмів і поворотні трансформатори можуть цілком відповідати вимогам визначення положення двигуна, через різні машини для генерування сигналів і методи обробки сигналів існуватимуть відмінності в застосуванні конкретних продуктів відповідно до різних вимог.
Вибір типу датчика положення двигуна також повинен враховувати інші фактори, такі як вартість, вимоги до точності, адаптивність до навколишнього середовища, надійність і складність системної інтеграції, які тісно пов’язані з основним механізмом генерації та обробки сигналу.
Візьмемо для прикладу найбільш часто використовуваний поворотний датчик, принцип роботи якого заснований на принципі електромагнітної індукції. Принцип генерації сигналу полягає в тому, що контролер двигуна подає сигнал збудження змінного струму постійної частоти на котушку збудження (котушка A), і цей сигнал збудження створює змінне магнітне поле всередині поворотного датчика. Коли ротор обертається, магнітне поле, створене котушкою збудження, розсікається, що призводить до індукції змінної напруги в синусоїдній котушці B і косинусній котушці C. Вимірюючи різницю фаз і амплітуду цих двох сигналів, можна точно розрахувати абсолютне положення та напрямок обертання ротора двигуна.
◎ Під час обробки сигналів контролер двигуна отримує й аналізує синусоїдні та косинусові сигнали датчика повороту та обчислює точну інформацію про кут за допомогою програмного алгоритму (зазвичай це алгоритм аналізу датчика повороту). Щоб досягти кращої обробки сигналу, зазвичай необхідно застосувати спеціальну мікросхему декодування, яка встановлюється в контролер двигуна, і, звичайно, це також може бути досягнуто програмним декодуванням.
Тому в певній формі датчик обертання зазвичай складається з котушки збудження (первинної котушки, котушки A), двох вихідних котушок (синусної котушки B і косинусної котушки C) і металевого ротора неправильної форми. Ротор співвісний з ротором двигуна і обертається разом з обертанням двигуна.
Датчик вихрових струмів використовує принцип електромагнітної індукції для передачі та прийому індукованого сигналу змінного струму за допомогою відповідної котушки на передавальному та приймальному кінцях, щоб обчислити положення цільового колеса. Цільове колесо закріплено на обертовому валу і обертається разом з ротором. Відносне положення ротора двигуна та статора можна виміряти шляхом визначення положення цільового колеса.
◎ З точки зору обробки сигналу, коли датчик вихрових струмів увімкнено, передавальна котушка датчика генерує збуджувальне магнітне поле, а пластина мішені слідує за двигуном, обертаючи та відсікаючи збуджувальне магнітне поле, так що приймальна котушка генерує напругу котушки, а модуль датчика демодулює та обробляє напругу котушки для отримання сигналу напруги відповідного положення. На відміну від датчика обертання, мікросхема обробки сигналу датчика вихрових струмів інтегрована з датчиком, і цифровий сигнал може виводитися безпосередньо.
Тому датчик вихрових струмів зазвичай складається з кількох цільових пелюсток, що відповідають числу пар полюсів двигуна. Група котушок складається з передавальної котушки та приймальної котушки, які закріплені на статорі двигуна, а датчик вихрових струмів зазвичай розташований безпосередньо в друкованій платі, а мікросхема обробки сигналу вбудована.
02.
Різні принципи призводять до різної технічної спрямованості
Як видно, принципові відмінності датчика обертання від вихрострумового датчика полягають у режимі збудження, механізмі формування сигналу та складності обробки сигналу. Переваги поворотного датчика полягають в основному в стабільності сигналу збудження та толерантності до робочого середовища, але недоліки полягають у тому, що вплив зміни схеми двигуна більший, а сумісність платформи погана. Перевагою датчика вихрових струмів є його високий ступінь електронізації, легкість задоволення потреб платформи та сильна здатність проти ЕМС. Недоліком є те, що він трохи слабший, ніж поворотний датчик, з точки зору стійкості до навколишнього середовища, а вартість в деяких сценах вища, ніж поворотний датчик.
Сумісність платформи вперше відображається на рівні швидкості, у «Дорожній карті 2.0 щодо енергозбереження та нових енергетичних транспортних засобів», підготовленій Китайським товариством автомобільної інженерії, зазначено, що до 2025 року максимальна робоча швидкість датчика положення становитиме 20 000 об/хв, а смуга пропускання декодера —> 2,5 кГц. До 2030 року максимальна робоча швидкість датчика положення становитиме 25 000 об/хв, а смуга пропускання декодера — >3,0 кГц. Можна побачити, що є певні труднощі в поворотному датчику на високій швидкості.
Це пояснюється тим, що частота збудження поворотного датчика тісно пов’язана зі станом швидкості, який розглядається під час його розробки, і зазвичай відповідає поточному стану швидкості. Зі збільшенням швидкості для точного вимірювання потрібна більш висока частота збудження, що вимагає зміни конструкції поворотного датчика.
Датчики вихрових струмів не мають цієї проблеми. Effie Automotive повідомила NE Time, що конструкція датчика вихрових струмів може краще адаптуватися до тенденції розвитку цієї високої швидкості. Широкий діапазон підтримки, швидка реакція та краща продуктивність у обробці високочастотних сигналів означають, що датчики вихрових струмів можуть бути «сумісними» у верхній частині для майбутніх застосувань на вищих швидкостях. Таким чином, платформне рішення може бути краще реалізовано в двигунах з різними швидкостями. Насправді, це один із факторів, через які поточні клієнти двигунів обирають вихрострумові рішення,
Крім того, завдяки різноманітності датчиків вихрових струмів, наприклад типу вала, кінець вала подібний, і вал можна розділити на O-тип і C-тип (деякі також називають повним колом і півколом). Таким чином, він є відносно більш гнучким у адаптації схем конструкції двигуна клієнта.
03.
Різні принципи призводять до різних проблем зі скорочення витрат
Вартість обертових датчиків в основному складається з матеріалів і обладнання, включаючи магнітні матеріали (такі як кремнієві сталеві листи), котушки тощо. Тому загальна вартість визначається відповідно до його розміру, як правило, чим більший розмір, тим вища вартість.
Основна вартість датчика вихрових струмів в основному полягає в його електронних компонентах, мікросхемах обробки тощо, вартість електронних частин є відносно фіксованою, тому основна вартість датчика вихрових струмів не збільшується лінійно з розміром.
Тому вартість датчиків вихрових струмів нижча, ніж обертових датчиків для великомасштабних застосувань. Однак у схемах малогабаритних двигунів поворотні датчики мають певні переваги за вартістю. Звичайно, коли мова йде про конкретну схему застосування, оскільки мікросхема обробки сигналу поворотного датчика часто не включається в розрахунок вартості, конкретне порівняння вартості також має деякі відмінності.
На додаток до порівняння поточних витрат, необхідно також звернути увагу на простір майбутнього зниження витрат. На даний момент, оскільки більшість чіпів датчиків вихрових струмів надходять від іноземних підприємств, вартість може бути додатково знижена з розширенням масштабу та зрілістю вітчизняних підприємств чіпів на пізнішому етапі. Однак простір для опускання поворотного датчика відносно обмежений.
Таким чином, з огляду на майбутні вимоги щодо витрат, датчики вихрових струмів, очевидно, є більш вигідними. За останні роки частка ринку датчиків вихрових струмів значно зросла, і на внутрішньому ринку автомобільні компанії, включаючи Geely та ряд нових сил, обрали схему датчиків вихрових струмів.
04.
Індустрія датчиків вихрових струмів все ще потребує розвитку
Хоча популярність датчиків вихрових струмів зростає, найпоширенішими датчиками все ще залишаються ротаційні датчики, включаючи лідери продажів BYD і Tesla. Причиною цього є те, що, з одного боку, датчики вихрових струмів пізно застосовуються в автомобільній галузі, а з іншого боку, не так багато постачальників, які можуть надати датчики вихрових струмів, і кілька компаній, таких як Effie і Sensata, можуть постачати їх у промисловість.
Для датчиків вихрових струмів є три основні проблеми:
Насправді датчики вихрових струмів застосовуються в промисловій сфері, але в автомобільній галузі перше, чого потрібно виконати, це вимоги рівня габаритів транспортного засобу, особливо вимоги функціональної безпеки. Візьміть Effie Automobile як приклад, щоб забезпечити стабільне застосування датчика вихрових струмів, процес розробки суворо відповідає процесу ISO26262 для забезпечення вимог рівня функціональної безпеки.
◎ Виклик чіпа, чіп повинен не тільки відповідати функціональним вимогам, але й відповідати рівню габаритів автомобіля. Як підприємство, що займається датчиками вихрових струмів, необхідно встановити стандарт перевірки чіпів, щоб оцінити доступність чіпів, що також має вирішальне значення для подальшого застосування вітчизняних чіпів. Завдяки рокам співпраці зі світовими виробниками чіпів для встановлення повного процесу перевірки Effie Automotive виявила, що впровадження вітчизняних чіпів було заплановано, звичайно, передумовою є відповідність стандартам.
Проблеми з надійністю, датчик вихрових струмів через положення установки, робочий процес схильний до термічного удару в двигуні, розбризкування охолоджувальної олії та інших проблем, які особливо важливі для чіпа. Рішення Effie Automotive полягає в тому, щоб нанести клей на місце розташування чіпа, одночасно підвищуючи вимоги до температури самого чіпа. Для підвищення адаптивності до навколишнього середовища та підвищення надійності.
Чи зможе в майбутньому вихровий струм повністю замінити поворотний датчик, поки невідомо. Ротаційні датчики також мають власний шлях модернізації продукції, щоб впоратися з новими потребами двигуна. Однак імпульс зростання датчиків вихрових струмів є швидшим, ніж обертових датчиків, і, звичайно, база датчиків вихрових струмів низька.
