旋变传感器 关键词‖旋变传感器
关键词‖旋变传感器
旋转变压器(以下简称旋变)安装在永磁同步驱动电机的非传动端，其作用是检测转子的位置和速度。目前，通常采采用结构简单、坚固耐用、环境适应性好的磁阻式旋变作为位置传感器。
磁阻式旋变实际上是仅有定子和转子的发电机。定子由定子铁心、产生信号的定子绕组和励磁绕组构成，转子由凸极结构的转子冲片叠压而成。
当给定子槽内的励磁绕组施加1~10kHz的正弦交流电压时，一旦转子旋转，由于转子的凸极效应，气隙磁导将发生变化：每转过一个转子凸极，气隙磁导变化一个周期；转过一周时气隙磁导变化的周期数等于转子极对数(p)。气隙磁导变化导致输入、输出绕组之间互感的变化，进而导致输出绕组的感应电势也随之发生变化，由此在信号绕组中感应出正、余弦信号，该信号传送给电机控制器，通过电机控制器的解码电路（硬件解码或软件解码），解析得出转子的位置。
当转子从基准电气零位正向转动机械角θ时，其励磁电压和输出电压为：
URIR2 = Esin(2πft)
US1S3 = KUR1R2cos(pθ)
US2S4 = KUR1R2sin(pθ)
式中，URIR2为励磁电压，V；E为励磁电压幅值，V；f为励磁电压频率，Hz；K为变压比；p为极对数；θ为转子从基准电气零位正向转动的机械角，(°)；US1S3为S1与S3端子之间的电压(余弦电压)，V；US2S4为S2与S4端子之间的电压(正弦电压)，V。
旋变电路输入、输出波形：
电驱台架实验室实测旋变原始信号波形如下图。
旋变的质量不仅影响永磁同步驱动电机输出的位置和速度精度，还影响其可靠性。因此，可参考《磁阻式多极旋转变压器通用技术条件》(GB/T 31996-2015)及电动汽车的应用特点对旋变提出要求:
(1)能适应电动汽车的恶劣环境条件，为此旋变定子线圈一般要灌封，转子铁心紧固可靠、采用键与驱动电机转轴连接、表面采用镀锌等防护。整个旋变应进行高温试验、低温试验、高低温冲击试验、湿热试验、盐雾试验和振动冲击试验(可以随机)等环境适应性试验。
(2)寿命和耐久性与驱动电机相同，在整个全生命周期内不需要更换旋变。(3)能承受旋变安装中可能引起的一定的偏心和倾斜。
(4)当按照供应商所规定的安装要求将旋变安装固定到驱动电机上时，旋变的输出波形应为平整的正、余弦波形，不允许出现缺失波形或毛刺现象。
旋变供应商应提供至少包含如下信息的旋变图纸：
①工作温度范围；
②外形图(安装尺寸和引出线长度)、旋转方向和引出线定义；
③极对数；
④额定电压和额定频率；
⑤电路图及电压；
⑥变压比、电气误差；
⑦相位移阻抗、电阻和基准电气零位；
⑧最高工作转速。
如下是一款典型的旋变图纸及关键信息：
在实际项目应用过程中，会遇到诸多关于电机转速信号异常的相关故障，除了从故障代码判断原因之外，在项目研发阶段我们常常根据以上原理从旋变原始信号开始排查故障原因。
小编在实际在研项目中遇到过很多电机转速异常的情况，翻了一下数据，找到以下两张图做个示例：第一张是由于接插件接触不良导致SIN阻值变化，进而使得解析出来的波形异常，第二张图改善后正确的波形。
电涡流vs旋变，谁是电机位置传感器的最优解
电机位置传感器是一种检测电机内部转子（旋转部分）相对于定子（固定部分）位置的装置。它将机械位置转换为电信号，供电机控制器使用，以决定何时切换电机的电流方向和强度，从而控制电机的旋转速度和扭矩。
在新能源汽车中，电机的精确控制直接关系到车辆的行驶安全性和稳定性，位置传感器的准确工作可以确保在紧急制动、加速或转向等关键时刻电机的响应正确无误。这对于永磁同步电机（PMSM）尤为重要，这种电机没有物理触点换向器，因此需要依赖传感器提供的位置信息来决定何时切换电流方向，确保电机顺畅运转。
目前新能源汽车上常用的电机位置传感器有两种，电涡流传感器和旋转变压器 （旋变传感器）。
01.
旋变与电涡流差异的根源来自于其基本原理
虽然电涡流传感器和旋转变压器都能很好的满足电机位置检测的要求，但由于其信号产生机机和信号处理方式的不同，因此在具体产品应用时，根据要求的不同，也会有所差异。
选择哪种类型的电机位置传感器还需考虑其他因素，如成本、精度需求、环境适应性、可靠性和系统集成复杂度等，而这些都与基本的信号产生和处理机理息息相关。
以最常用的旋变传感器 为例，其工作原理是基于电磁感应原理 。其信号发生原理为电机控制器向励磁线圈（线圈A）提供一个恒定频率的交流励磁信号 ，这个励磁信号在旋变传感器内部产生了一个交变磁场。随着转子转动切割励磁线圈产生的磁场，导致正弦线圈B和余弦线圈C中感应出交流电压。通过测量这两个信号的相位差和幅度，可以准确计算出电机转子的绝对位置和旋转方向。
◎ 在信号的处理方面 ，电机控制器接收并分析旋变传感器的正弦和余弦信号，通过软件算法（通常是旋变编码器解析算法）解算出精确的角度信息。为更好的实现信号处理，通常需要应用专门的解码芯片，解码芯片安装在电机控制器中，当然也可以软件解码来实现。
因此在具体形态上旋变传感器通常由励磁线圈（初级线圈，线圈A）、两个输出线圈（正弦线圈B和余弦线圈C）和一个形状不规则的金属转子组成。转子与电机的转子同轴安装，随着电机的转动而转动。
电涡流传感器 则是利用电磁感应原理在发射端和接收端用相应的线圈来发射和接收感应的交流信号，从而计算目标轮的位置。而目标轮固定在转轴上与转子一同旋转，通过检测目标轮位置即可测量电机转子与定子相对位置。
◎ 在信号的处理方面 ，当电涡流传感器接通电源后，传感器发射线圈产生励磁磁场，靶板跟随电机转动，对励磁磁场进行切割，从而使接收线圈产生线圈电压，传感器模块解调和处理线圈电压，获取对应位置的电压信号。与旋变传感器不同，电涡流传感器信号处理芯片与传感器集成在一起，可直接输出数字类信号。
因此在具体形态上电涡流传感器通常由若干个与电机的极对数目相匹配的靶瓣组成。线圈组由传输线圈和接收线圈组成，固定在电机定子上，电涡流传感器通常直接布置在PCB中，同时集成了信号处理芯片。
02.
原理不同导致技术着力点不同
可以看出，旋变传感器和电涡流传感器在原理上的主要差异在于激励方式、信号生成机制以及信号处理的复杂度上。旋变传感器的优势主要在励磁信号的稳定性、工作环境的耐受性，劣势则是随电机方案的改变的影响较大，平台化兼容性较差。电涡流传感器的优势则在于其电子化程度高，易于满足平台化需求，且在抗EMC能力强。劣势则是在环境耐受方面略弱于旋变传感器，在部分场景中成本也高于旋变传感器。
平台化兼容首先体现在转速层面，中国汽车工程学会编写的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》中指出，至2025年，位置传感器最高工作转速达 20,000r/min、解码器带宽>2.5kHz，至 2030 年位置传感器最高工作转速达 25,000r/min、解码器带宽>3.0kHz。由此可以看出旋变传感器在高转速下存在一定挑战。
这是因为旋变传感器的励磁频率与其设计时考虑的转速状态紧密相关，通常与当前的转速状态匹配。而随着转速提升，需要更高频率的励磁来准确测量，这要求旋变传感器在设计上做出改变。
而电涡流传感器则没有这个问题。艾菲汽车告诉NE时代，电涡流传感器在设计上能够较好地适应这种高转速的发展趋势。它的支持范围广、响应速度快，且在高频信号处理方面表现更佳，这意味着对于未来更高转速的应用，电涡流传感器能够“向上兼容 ”。因此可以在不同转速的电机产品中更好的实现平台化方案。事实上，这也是当前电机客户选择电涡流方案的因素之一，
另外，由于电涡流传感器形态多样，比如穿轴类型，轴端类似，穿轴可分为O型和C型（有的也叫整圆式和半圆式）。因此在适配客户电机设计方案时也相对更加灵活。
03.
原理不同导致降本的挑战也不同
旋变传感器的成本主要来自于材料和硬件，包括磁性材料（如硅钢片）、线圈等。所以整体的成本是依据其大小尺寸来定，通常尺寸越大，成本越高。
电涡流传感器的核心成本主要在于其电子组件，处理芯片等，电子件的成本是相对固定的，因此电涡流传感器的核心成本并不随尺寸线性增长。
因此对于大尺寸应用，电涡流传感器的成本要低于旋变传感器。但在小尺寸的电机方案中，旋变传感器则具有一定的成本优势。当然，具体到应用方案时，由于旋变传感器信号处理芯片往往不计入成本测算，因此具体的成本对比也存在一定差异。
除了当前的成本对比，还需关注的是未来的降本空间。目前电涡流传感器由于芯片大多来源于外资企业，后期随着规模的扩大以及国产芯片企业的成熟，成本可以得到进一步下降。而旋变传感器则下降空间相对有限。
因此在面向未来的成本要求时，电涡流传感器显然更具一定优势。近些年电涡流传感器市场份额上升趋势明显，在国内市场中，包括吉利和多家新势力在内的整车企业都选择了电涡流传感器的方案。
04.
电涡流传感器产业仍需成长
虽然电涡流传感器应用的热度正在提升，但目前最为常见的依旧是旋变传感器，其中就包括销量领先的比亚迪和特斯拉。究其原因，一方面是电涡流传感器在汽车领域应用时间较晚，另一方面则是目前可以提供电涡流传感器的供应商并不多，业内主要以艾菲、森萨塔等少数企业可以供应。
对于电涡流传感器而言，挑战主要来自三方面：
◎ 车规级挑战 ，电涡流传感器其实已经在工业领域有所应用，但在汽车领域，首先需要满足的便是车规级的要求，尤其是功能安全的要求。以艾菲汽车为例，为了保证电涡流传感器的稳定应用，在开发过程中就严格按照ISO26262的流程进行开发，确保功能安全等级的要求。
◎ 芯片的挑战 ，芯片不仅要满足功能的要求，同样需要满足车规级。作为电涡流传感器企业来说，需要建立芯片验证标准来评价芯片的可用与否，这一标准对后续国产芯片的应用也至关重要。艾菲汽车通过与全球芯片厂商的多年合作建立一套完整的验证流程，艾菲汽车透露，国产芯片的引入已经在计划之内，当然前提是满足标准。
◎ 可靠性挑战 ，电涡流传感器由于安装位置的原因，工作过程中容易受到电机中热冲击、冷却油溅射等挑战，这点尤其对芯片要求更大。艾菲汽车的解决方案是在芯片位置注胶处理，同时提升芯片自身的温度要求。以此来改善对环境的适应性，提升可靠性。
End.
未来，电涡流是否可以完全取代旋变传感器，目前来看还尚未可知。旋变传感器同样有自身产品的升级路径，来应对电机的新需求。但是电涡流传感器的增长势头要快于旋变传感器，当然也有电涡流传感器基数较低有关。
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