Cảm biến vị trí động cơ là thiết bị phát hiện vị trí của rôto (bộ phận quay) trong động cơ so với stato (bộ phận cố định). Nó chuyển đổi vị trí cơ học thành tín hiệu điện để bộ điều khiển động cơ sử dụng để quyết định thời điểm chuyển hướng và cường độ dòng điện của động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay và mô-men xoắn của động cơ.
Trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới, việc điều khiển chính xác động cơ có liên quan trực tiếp đến sự an toàn và ổn định khi lái xe cũng như hoạt động chính xác của vị trí bộ phân giải cảm biến có thể đảm bảo phản ứng chính xác của động cơ tại những thời điểm quan trọng như phanh khẩn cấp, tăng tốc hoặc đánh lái. Điều này đặc biệt quan trọng đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), không có bộ chuyển mạch tiếp xúc vật lý và do đó dựa vào thông tin vị trí do cảm biến cung cấp để quyết định thời điểm chuyển hướng dòng điện và đảm bảo động cơ vận hành trơn tru.
Hiện nay, có hai loại cảm biến vị trí động cơ thường được sử dụng trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới là cảm biến dòng điện xoáy và máy biến áp quay (cảm biến quay).
01.
Sự khác biệt giữa dòng xoáy và dòng xoáy bắt nguồn từ nguyên lý cơ bản của chúng
Mặc dù cảm biến dòng điện xoáy và máy biến áp quay có thể đáp ứng tốt các yêu cầu phát hiện vị trí động cơ, nhưng do các máy tạo tín hiệu và phương pháp xử lý tín hiệu khác nhau nên sẽ có sự khác biệt trong các ứng dụng sản phẩm cụ thể tùy theo các yêu cầu khác nhau.
Việc lựa chọn loại cảm biến vị trí động cơ cũng cần xem xét các yếu tố khác, chẳng hạn như chi phí, yêu cầu về độ chính xác, khả năng thích ứng với môi trường, độ tin cậy và độ phức tạp tích hợp hệ thống, có liên quan chặt chẽ đến cơ chế xử lý và tạo tín hiệu cơ bản.
Lấy cảm biến quay được sử dụng phổ biến nhất làm ví dụ, nguyên lý làm việc của nó dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguyên lý tạo tín hiệu là bộ điều khiển động cơ cung cấp tín hiệu kích thích AC tần số không đổi đến cuộn dây kích thích (cuộn dây A) và tín hiệu kích thích này tạo ra một từ trường xen kẽ bên trong cảm biến quay. Khi rôto quay, từ trường do cuộn dây kích thích tạo ra bị cắt, dẫn đến cảm ứng điện áp xoay chiều trong cuộn dây hình sin B và cuộn dây cosin C. Bằng cách đo độ lệch pha và biên độ của hai tín hiệu này, có thể tính toán chính xác vị trí tuyệt đối và hướng quay của rôto động cơ.
◎ Trong xử lý tín hiệu, bộ điều khiển động cơ nhận và phân tích tín hiệu sin và cos của cảm biến quay, đồng thời tính toán thông tin Góc chính xác thông qua thuật toán phần mềm (thường là thuật toán phân tích bộ mã hóa quay). Để đạt được khả năng xử lý tín hiệu tốt hơn, người ta thường phải áp dụng một chip giải mã đặc biệt được cài đặt trong bộ điều khiển động cơ và tất nhiên, điều này cũng có thể đạt được bằng cách giải mã phần mềm.
Do đó, trong hình dạng cụ thể của cảm biến quay, nó thường bao gồm một cuộn dây kích thích (cuộn dây chính, cuộn A), hai cuộn dây đầu ra (cuộn dây hình sin B và cuộn dây cosin C) và một rôto kim loại có hình dạng không đều. Rôto đồng trục với rôto của động cơ và quay theo chuyển động quay của động cơ.
Cảm biến dòng điện xoáy sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để truyền và nhận tín hiệu AC cảm ứng với cuộn dây tương ứng ở đầu phát và đầu thu để tính toán vị trí của bánh xe mục tiêu. Bánh xe mục tiêu được cố định trên trục quay và quay cùng với rôto. Vị trí tương đối của rôto động cơ và stato có thể được đo bằng cách phát hiện vị trí của bánh xe mục tiêu.
◎ Về mặt xử lý tín hiệu, khi bật cảm biến dòng điện xoáy, cuộn dây truyền cảm biến sẽ tạo ra một từ trường kích thích, và tấm mục tiêu theo sau động cơ để quay và cắt từ trường kích thích, để cuộn dây nhận tạo ra điện áp cuộn dây, và mô-đun cảm biến giải điều chế và xử lý điện áp cuộn dây để thu được tín hiệu điện áp của vị trí tương ứng. Khác với cảm biến quay, chip xử lý tín hiệu của cảm biến dòng điện xoáy được tích hợp với cảm biến và tín hiệu số có thể được xuất trực tiếp.
Vì vậy, cảm biến dòng điện xoáy thường bao gồm một số búp mục tiêu phù hợp với số cặp cực của động cơ. Nhóm cuộn dây bao gồm một cuộn dây truyền và một cuộn dây thu được cố định trên stato động cơ và cảm biến dòng điện xoáy thường được bố trí trực tiếp trong PCB và tích hợp chip xử lý tín hiệu.
02.
Các nguyên tắc khác nhau dẫn đến trọng tâm kỹ thuật khác nhau
Có thể thấy, sự khác biệt chính giữa cảm biến quay và cảm biến dòng điện xoáy về nguyên tắc nằm ở chế độ kích thích, cơ chế tạo tín hiệu và độ phức tạp của quá trình xử lý tín hiệu. Ưu điểm của cảm biến quay chủ yếu là ở độ ổn định của tín hiệu kích thích và khả năng chịu đựng của môi trường làm việc, nhưng nhược điểm là ảnh hưởng của sự thay đổi sơ đồ động cơ lớn hơn và khả năng tương thích nền tảng kém. Ưu điểm của cảm biến dòng điện xoáy là mức độ điện tử hóa cao, dễ đáp ứng nhu cầu của nền tảng và khả năng chống EMC mạnh mẽ. Nhược điểm là nó yếu hơn một chút so với cảm biến quay về khả năng chịu đựng môi trường và giá thành cao hơn cảm biến quay trong một số cảnh.
Khả năng tương thích của nền tảng trước tiên được thể hiện ở mức tốc độ, 'Lộ trình 2.0' của công nghệ xe tiết kiệm năng lượng và năng lượng mới do Hiệp hội Kỹ thuật Ô tô Trung Quốc chuẩn bị chỉ ra rằng đến năm 2025, tốc độ làm việc tối đa của cảm biến vị trí là 20.000 vòng/phút và băng thông bộ giải mã là >2,5kHz. Đến năm 2030, tốc độ làm việc tối đa của cảm biến vị trí là 25.000r/phút, băng thông bộ giải mã >3,0kHz. Có thể thấy rằng có những thách thức nhất định đối với cảm biến quay ở tốc độ cao.
Điều này là do tần số kích thích của cảm biến quay có liên quan chặt chẽ đến trạng thái tốc độ được xem xét khi thiết kế và thường khớp với trạng thái tốc độ hiện tại. Khi tốc độ tăng lên, cần có tần số kích thích cao hơn để đo chính xác, điều này đòi hỏi phải thay đổi thiết kế của cảm biến quay.
Cảm biến dòng điện xoáy không gặp phải vấn đề này. Effie Automotive nói với NE Time rằng thiết kế của cảm biến dòng điện xoáy có thể thích ứng tốt hơn với xu hướng phát triển tốc độ cao này. Phạm vi hỗ trợ rộng, phản hồi nhanh và hiệu suất xử lý tín hiệu tần số cao tốt hơn có nghĩa là cảm biến dòng điện xoáy có thể 'tương thích hướng lên' cho các ứng dụng trong tương lai ở tốc độ cao hơn. Vì vậy, giải pháp nền tảng có thể được hiện thực hóa tốt hơn trên các sản phẩm động cơ có tốc độ khác nhau. Thực tế đây là một trong những yếu tố khiến khách hàng ô tô hiện nay lựa chọn giải pháp dòng điện xoáy,
Ngoài ra, do sự đa dạng của các cảm biến dòng điện xoáy, chẳng hạn như loại trục, đầu trục tương tự nhau và trục có thể được chia thành loại O và loại C (một số còn được gọi là hình tròn đầy đủ và hình bán nguyệt). Do đó, nó tương đối linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh các phương án thiết kế động cơ của khách hàng.
03.
Các nguyên tắc khác nhau dẫn đến những thách thức giảm chi phí khác nhau
Giá thành của cảm biến quay chủ yếu đến từ vật liệu và phần cứng, bao gồm vật liệu từ tính (như tấm thép silicon), cuộn dây, v.v. Vì vậy, tổng chi phí được xác định theo quy mô của nó, thường quy mô càng lớn thì giá thành càng cao.
Giá thành cốt lõi của cảm biến dòng điện xoáy chủ yếu nằm ở linh kiện điện tử, chip xử lý, v.v., giá thành của các bộ phận điện tử tương đối cố định nên giá thành cốt lõi của cảm biến dòng điện xoáy không tăng tuyến tính theo kích thước.
Do đó, giá thành của cảm biến dòng điện xoáy thấp hơn so với cảm biến quay cho các ứng dụng quy mô lớn. Tuy nhiên, trong các sơ đồ động cơ cỡ nhỏ, cảm biến quay có những lợi thế nhất định về chi phí. Tất nhiên, khi xét đến sơ đồ ứng dụng cụ thể, do chip xử lý tín hiệu của cảm biến quay thường không được đưa vào tính toán chi phí nên việc so sánh chi phí cụ thể cũng có một số khác biệt.
Ngoài việc so sánh chi phí hiện tại, cũng cần chú ý đến không gian giảm chi phí trong tương lai. Hiện nay, do hầu hết chip cảm biến dòng điện xoáy đều đến từ các doanh nghiệp nước ngoài nên giá thành có thể giảm hơn nữa khi mở rộng quy mô và trưởng thành của các doanh nghiệp chip trong nước trong giai đoạn sau. Tuy nhiên, không gian giảm dần của cảm biến quay tương đối hạn chế.
Do đó, khi đối mặt với yêu cầu về chi phí trong tương lai, cảm biến dòng điện xoáy rõ ràng có lợi thế hơn. Trong những năm gần đây, thị phần của cảm biến dòng điện xoáy đã tăng lên đáng kể và tại thị trường trong nước, các hãng xe, trong đó có Geely và một số thế lực mới, đã lựa chọn phương án cảm biến dòng điện xoáy.
04.
Ngành công nghiệp cảm biến dòng điện xoáy vẫn cần phát triển
Mặc dù mức độ phổ biến của các ứng dụng cảm biến dòng điện xoáy ngày càng tăng, nhưng cảm biến phổ biến nhất vẫn là cảm biến quay, bao gồm cả BYD và Tesla dẫn đầu về doanh số bán hàng. Lý do cho điều này là vì một mặt cảm biến dòng điện xoáy được ứng dụng muộn trong lĩnh vực ô tô, mặt khác không có nhiều nhà cung cấp có thể cung cấp cảm biến dòng điện xoáy và một số công ty như Effie và Sensata có thể cung cấp chúng trong ngành.
Đối với cảm biến dòng điện xoáy, có ba thách thức chính:
Trên thực tế, cảm biến dòng điện xoáy đã được ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nhưng trong lĩnh vực ô tô, điều đầu tiên cần phải đáp ứng là các yêu cầu về cấp độ đo của xe, đặc biệt là yêu cầu về an toàn chức năng. Lấy Effie Automobile làm ví dụ, để đảm bảo ứng dụng ổn định của cảm biến dòng điện xoáy, quá trình phát triển tuân thủ nghiêm ngặt quy trình ISO26262 để đảm bảo các yêu cầu về mức độ an toàn chức năng.
◎ Thách thức của chip, chip không chỉ phải đáp ứng các yêu cầu về chức năng mà còn phải đáp ứng được mức độ đánh giá của ô tô. Là một doanh nghiệp cảm biến dòng điện xoáy, cần thiết lập tiêu chuẩn xác minh chip để đánh giá tính sẵn có của chip, điều này cũng rất quan trọng cho việc ứng dụng chip nội địa tiếp theo. Qua nhiều năm hợp tác với các nhà sản xuất chip toàn cầu để thiết lập quy trình xác minh hoàn chỉnh, Effie Automotive tiết lộ việc giới thiệu chip nội địa đã được lên kế hoạch, tất nhiên tiền đề là phải đáp ứng các tiêu chuẩn.
Những thách thức về độ tin cậy, cảm biến dòng điện xoáy do vị trí lắp đặt, quá trình làm việc dễ bị sốc nhiệt trong động cơ, bắn dầu làm mát và các thách thức khác, đặc biệt lớn hơn đối với chip. Giải pháp của Effie Automotive là áp dụng phương pháp xử lý kết dính vào vị trí chip, đồng thời tăng yêu cầu về nhiệt độ của chính chip. Để cải thiện khả năng thích ứng với môi trường và nâng cao độ tin cậy.
Trong tương lai, liệu dòng điện xoáy có thể thay thế hoàn toàn cảm biến quay hay không vẫn chưa được biết. Cảm biến quay cũng có lộ trình nâng cấp sản phẩm riêng để đáp ứng nhu cầu mới của động cơ. Tuy nhiên, đà tăng trưởng của cảm biến dòng điện xoáy nhanh hơn so với cảm biến quay và tất nhiên cơ sở của cảm biến dòng điện xoáy thấp.
