高精度,抗干扰,设计灵活……一句话总结:打铁还需自身硬!
2040年,人形机器人的数量或将超过人类,达到100亿个。
10月29日,沙特投资倡议论坛,在谈及AI和人形机器人赛道时,马斯克再一次大胆预测,描绘出上述令人震撼的未来景象,且预估每台机器人的价格将稳定在2万-2.5万美元之间。
当下,技术飞速发展,众多机器人公司如雨后春笋般涌现。余建华,艾迈斯欧司朗资深应用工程师,深感对这个市场的期待,他表示每一个机器人关节的背后,都离不开位置传感器的精准掌控。
这片市场的潜力,让人憧憬不已。
在工业及消费中的部分人形机器人,由于低转速应用,艾迈斯欧司朗的AS5600位置传感器就足以胜任。
而在部分高转速的工业应用中,比如机械臂,艾迈斯欧司朗的电感式位置传感器AS5715R因为可以实现穿心的安装方式,被普遍采用。
作为高精度位置传感器领域的重要玩家,艾迈斯欧司朗对从人形机器人、无人机到新能源汽车等应用风口行业有着深刻认知。以磁性位置传感器和电感式位置传感器2个方案作为双轮驱动,艾迈斯欧司朗正在这些风口行业捕捉到越来越多的“入局”机会。
1、新能源车成应用开拓主力军
艾迈斯欧司朗高级系统解决方案主任工程师石永福对目前位置传感器最主要的应用领域进行了剖析——主要集中在汽车、机器人、无人机以及传统工业中电位器、旋钮之类的应用。
“当下我们业务最集中、也是最重要的一块就是新能源汽车中和角度、转速以及位置相关的应用。”
在电气化革命演进愈发深入的当下,新能源车中特别是在电桥系统、制动执行器、干式制动器、电动助力转向(EPS)和驱动电机等关键部件中,位置传感器的身影无处不在。而艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器,以其高精度、强抗干扰能力和优异的稳定性,在这些场景中发挥着至关重要的作用。
此外,新能源汽车上还衍生出不少基于位置传感器的创新应用,比如热管理系统。以全球领先的新能源车企为代表,他们将热管理系统的所有热量分配整合至TMS或GHS的大型系统中,而这个系统也会集成众多小型BLDC电机(无刷直流电机)。
艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器正是这些电机高效运行的幕后英雄。在无刷直流电机中,磁性位置传感器确保了电机在复杂环境下的稳定运行,为新能源车的高效能源利用和舒适驾乘体验提供了有力保障。
列举几个较为重要的应用示例。
其一,电动助力转向EPS应用。
从上图的安装位置可以看出,艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器和磁铁之间紧挨着,而磁铁下方的BLDC电机是靠近磁铁走线的,因此其产生的杂散磁场干扰是比较强烈的,对位置传感器的芯片感应会影响较大。“但是艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器能在这种应用场合下工作得非常好,保持高精度,这也是我们最大的特色,对外部磁场干扰的免疫。”
特别是在一部分高端车型中,由于驾乘体验升级而带来的应用,也离不开位置传感器的加持。
比如上图中的动态高速主动避震阻尼系统,“这个系统中包含一个功率为几千瓦的电机,其中就用到了艾迈斯欧司朗磁性位置传感器AS5147U,以实现转速、位置的测量。”
特别是在磁铁和位置传感器之间还放置了一个金属结构件,即使在这类特殊应用场合下,AS5147U仍然能实现很好的感应。
事实上,伴随着汽车电气化、智能化的革命,位置传感器也遇见了“更大的舞台”。
“底盘行车高度的测量是当下比较热门的应用,而且为了测量车身的高度,一般一辆车会装有4颗位置传感器。”
可以从上图中看出,这款位置传感器采用的是SIP封装,直白点说就是插针式封装,由于不需要电路板的安装环境,因而可以将整个传感器做得很小,从而能更好应用于紧凑型空间中。
对于底盘行车高度的测量,主要是为了检测车身高度,从而调节车灯的灯光对人脸的照射角度,避免直接照到人脸或者漏掉某个周边环境,从类似这样的细节入手,大幅提升了驾乘者和周围环境参与者的整体用户体验。
正如动感光波的常驻嘉宾「光」所言,尽管位置传感器在传统燃油车时代就已早早上车,但已有场景的再升级,以及伴随EV起量不断涌现的人性化设计新需求,都给位置传感器带来更多“流量”。
2、技术底座赋予应用底气
在刚才的应用案例介绍中,对于艾迈斯欧司朗磁性位置传感器,其性能突出的一大关键点就是——抗外部磁场干扰能力强!
其实艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器就是基于大家熟知的霍尔效应,“但我们的产品,不是单个霍尔单元,而是在一个圆周上面布置了4颗平面霍尔单元,同时,这4颗平面霍尔只感应Bz方向。”
基于下图所呈现的Bz方向的差分感应原理,确保传感器对Bx方向和By方向的杂散磁场做到丝毫不受影响。
那么对于Bz方向的杂散磁场干扰呢?
“其实我们在做差分运算的时候,一个杂散磁场是共模的,一个方向是增加我的Bz,另外一个方向是减小我的Bz,所以当做差分运算时,这个共模的信号基本上可以百分之百地消除掉,只剩下原本没有受到磁场干扰的Bz。”
这也是艾迈斯欧司朗在其磁性位置传感器芯片布置4个平面霍尔单元的目的,“或者说是我们的特色所在。”
正是基于这样的特殊设计,艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器即使在大电机、高电压的使用条件下,即使外部磁场环境很恶劣,它依然可以做到不需要额外的屏蔽措施。
据悉,艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器可以达到20,000A/m的抗干能力,相比市面其他产品几乎是20倍的性能优势。
在极强的抗外部磁场干扰的能力之外,封装的创新选择也值得一提。
SIP封装,一方面针对结构紧凑的应用,另一方面也适用于为了节约成本,将一些被动元器件集成到了位置传感器芯片管脚的处理,同时插针式的封装形式,在后端可以直接采用电阻焊或者铆接工艺实现连接,最大程度上方便BOM表的成本节约。
另一个双模封装,其实就是垂直方向的双Die设计。不同于市面上平行摆放的双Die设计,由于水平方向的位置差异,在测量转速或者角度时,会导致不对称的误差输出,艾迈斯欧司朗的这款双模封装可以很好地解决此类问题。
此外,石永福还特别提到,当两个Die在垂直方向排列摆放时,磁场不论是往垂直于该平面的X方向偏,抑或往Y方向偏,芯片端感应到的磁场始终是对称的,由此也能始终保持高精度。
3、新能源车大电机的“幕后担当”
针对新能源汽车中的大电机,即驱动电机,它的设计多为通孔,也就是电机的驱动轴要从电路板中穿心而过来安装。
在类似这种应用场景中,艾迈斯欧司朗的电感式位置传感器就会发挥出自己的最大优势。
“AS5715R这款电感式位置传感器产品,最主要就是针对上述新能源车上的大电机应用,或者紧凑型的需要穿心安装的空间环境场景。”
在精度和可靠性之外,AS5715R最突出的特色就是设计的灵活性,既可以满足穿心安装,也可以实现半圆或者4分之一圆形的偏心轴安装。
听石永福介绍,像这种扇形的产品,目前客户需求很多,这主要源于在混动车型中的应用。“在混动汽车中,电机的空间很紧凑,而若要做成一个圆形电路板,势必尺寸又大,成本又高,因此扇形方案便成为很好的选择。”
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