Pomiar prądu wpływa na sterowanie silnikiem

Dokładny pomiar prądów fazowych jest jednym z podstawowych warunków prawidłowego sterowania elektrycznym układem napędowym. Na podstawie wartości prądu sterownik silnika określa m.in. moment obrotowy. Błędy pomiarowe mogą więc pogarszać jakość regulacji, zwiększać pulsacje momentu oraz wpływać na poziom hałasu, sprawność napędu i płynność jazdy.

Problem nabiera znaczenia wraz ze wzrostem mocy układów napędowych oraz upowszechnianiem się architektur wysokonapięciowych, w tym instalacji 800 V. Jednocześnie producenci samochodów dążą do zmniejszania wymiarów i masy falowników oraz zwiększania ich gęstości mocy. Stawia to coraz większe wymagania przed układami pomiaru prądu.

W czujnikach wykorzystujących efekt Halla mierzona jest wartość pola magnetycznego wytwarzanego wokół przewodnika, przez który przepływa prąd. W falowniku trakcyjnym pomiar może być wykonywany przy szynach prądowych łączących elektronikę mocy z silnikiem elektrycznym.

Rdzeń zwiększa dokładność, ale zajmuje miejsce

Tradycyjne rozwiązania wykorzystujące rdzeń magnetyczny, w tym konstrukcje typu C-core (rdzeń w kształcie litery C), pozwalają uzyskać dużą dokładność dzięki odpowiedniemu skupieniu strumienia magnetycznego. Odbywa się to jednak kosztem dodatkowej przestrzeni, masy i bardziej rozbudowanej konstrukcji.

Alternatywą są czujniki bezrdzeniowe. Mogą być mniejsze, ale brak koncentratora strumienia sprawia, że dokładność pomiaru w większym stopniu zależy od geometrii układu oraz wzajemnego położenia czujnika i przewodnika. W samochodzie nie jest ono idealnie stałe. Drgania występujące podczas jazdy, tolerancje produkcyjne czy różna rozszerzalność cieplna materiałów mogą powodować niewielkie przesunięcia między czujnikiem a szyną prądową.

W przypadku pomiaru jednoosiowego zmiana położenia czujnika może zostać zinterpretowana jako zmiana natężenia prądu, mimo że rzeczywista wartość prądu pozostaje taka sama. Dodatkowym źródłem zakłóceń są pola magnetyczne sąsiednich faz i zjawiska związane z prądami wirowymi.

TMCS2100-Q1: pomiar pola magnetycznego w dwóch kierunkach

TMCS2100-Q1 ma ograniczać wpływ tych zjawisk dzięki wieloosiowej architekturze pomiarowej. Czujnik jednocześnie rejestruje obie składowe pola magnetycznego – poziomą i pionową. Następnie algorytm opracowany przez Texas Instruments wykorzystuje uzyskane dane do wyznaczenia wartości prądu i kompensowania błędów powstających wskutek zmiany położenia czujnika względem szyny.

Według producenta rozwiązanie pozwala uzyskać 20-krotnie większą dokładność niż w przypadku jednoosiowych, bezrdzeniowych czujników prądu. Warto jednak zaznaczyć, że wartość ta odnosi się do błędu powodowanego względnym przesunięciem czujnika i szyny prądowej, a nie do całkowitej dokładności pomiarowej układu.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Silnik i układ napędowy

Doładowanie elektryczne 48 V – jak układy mild hybrid eliminują turbodziurę

Kiedy mechanik otrzymuje zgłoszenie dotyczące braku mocy przy niskich obrotach lub opóźnionej reakcji na wciśnięcie pedału przyspieszenia w nowoczesnym pojeździe typu mild hybrid, przyczyną nie musi być sama turbosprężarka.

Elektryka i elektronika

Steer-by-wire – koniec fizycznego połączenia kierownicy z kołami

Przez ponad sto lat każdy samochód opierał się na tej samej zasadzie: mechanicznym połączeniu kierownicy z przekładnią kierowniczą. Dziś rozwiązanie to odchodzi do historii. 

Przy przesunięciu wynoszącym 0,4 mm błąd ma pozostawać poniżej 1%, natomiast przy 0,1 mm wynosić 0,25%. Rzeczywista dokładność pomiaru w konkretnym falowniku nadal będzie zależeć m.in. od geometrii szyny prądowej, miejsca montażu czujnika, temperatury, zewnętrznych pól magnetycznych oraz kalibracji całego systemu.\

Bez ingerencji w szynę prądową

Kolejną różnicą w stosunku do części dotychczasowych rozwiązań bezrdzeniowych jest sposób integracji czujnika. W celu uzyskania odpowiedniego rozkładu pola magnetycznego w szynach prądowych stosuje się niekiedy nacięcia, otwory lub inne zmiany ich geometrii. Mogą one jednak wpływać na rezystancję przewodnika, lokalną gęstość prądu i odprowadzanie ciepła.

TMCS2100-Q1 nie wymaga takich modyfikacji. Według Texas Instruments ułatwia to dopasowanie układu pomiarowego do różnych konstrukcji mechanicznych falownika i pozwala efektywniej wykorzystać przestrzeń na płytce drukowanej. Brak rdzenia magnetycznego może również sprzyjać ograniczeniu gabarytów i ciężaru całego zespołu.

Dokładniejsza informacja o prądzie trafiająca do sterownika może z kolei ograniczać pulsacje momentu, poprawiać płynność jego regulacji i zmniejszać hałas generowany przez napęd. Pośrednio może także wpływać na sprawność układu, a tym samym na wykorzystanie energii zgromadzonej w akumulatorze.

Źródło: Texas Instruments