电动汽车所需的电机控制技术
电机作为汽车的动力来源，必须兼具高效和优良的性能，并且将在电动汽车的普及过程中发挥关键作用。
高效电机可降低能耗并延长电池的使用寿命。车辆只需充电一次便可进行长途行驶，为用户提供了更大的便利。此外，低噪音和低振动的特点能够提供舒适的驾乘体验，同时有效减少车辆运行时产生的噪音和振动。
电机所需的角度传感器技术
尤其是用于检测电机旋转角度的角度传感器，在提高车辆控制系统的准确性和效率方面扮演着至关重要的角色，应具备以下特点：
高精度角度测量: 在剧烈振动以及-40°C至150°C的极端温度条件下，仍需保持稳定和准确的运行，以确保车辆的精密电机控制系统能实现精准运行，确保安全，同时提升驾驶效率并降低能耗。
低功耗：减少角度传感器的自身能耗，有助于降低电池驱动车辆的整体能耗，从而延长行驶里程。这对于提升汽车的能源效率至关重要，尤其是在电力资源有限的纯电动车辆中。
小型化与轻量化：增强车辆设计的灵活性，提升整体效率。这使得电机的设计更加灵活，提高了空间的利用效率。
冗余：在某些情况下，为了确保即使一个角度传感器出现故障，电机仍能继续运作，必要时需实现双重或四重冗余。
成本效益：在竞争激烈的电动汽车市场中，需要具备适合大规模生产且具有成本效益的设计和零部件选择。
角度传感器所面临的挑战
当前，旋转变压器和电感式角度传感器占据主导地位，但它们仍然存在一些问题。
首先，旋转变压器面临的一个主要问题是其高昂的成本。这些传感器的设计较为复杂，制造难度较大，材料费用也较高，从而导致整体成本上升。此外，与传感器配套使用的编码器许可费用以及R/D转换器集成电路(IC)的相关成本必须纳入预算，进一步增加了成本。
接下来是尺寸的问题。旋转变压器在旋转过程中需要高惯性的金属靶材，同时通过线圈系统留出足够的空间。电感器由印刷电路板上的三个或更多线圈以及安装在轴上并覆盖这些线圈的金属板构成，不利于进一步微型化。另外，更多的零部件数量还会增加故障率，这也是一大缺陷。
另一种可行的解决方案是采用磁传感器，但这会带来磁场抗噪的问题。由于磁传感器会被磁场强度和方向的干扰，所以容易受到目标磁体周围磁场噪声的影响。某些情况下若缺乏磁屏蔽措施可能无法实现精确检测。
这些问题妨碍了角度传感器技术的进步，因此亟需探索新的解决方案。
TMR角度传感器与其它传感器解决方案的对比表
TMR*角度传感器是应对这些问题的优选方案。TMR角度传感器是一种磁性传感器，能检测磁铁的磁场方向，从而实现对电机旋转角度的精准检测与高效控制。
*TMR (Tunnel Magneto Resistance): 隧道磁电阻效应
请参阅下表以了解TMR角度传感器与传统角度传感器技术之间的差异。
| 旋转变压器 | 电感器 | TMR传感器 （On-axis轴上配置） |
TMR传感器 （Off-axis离轴配置） |
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|---|---|---|---|---|
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| 检测方法 | 电磁感应 | 电磁感应 | TMR效应 | |
| 成本 | 价格昂贵 （需要RDC IC&励磁电路） |
价格中等 | 价格便宜 （使用多个传感器也非常经济） |
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| 尺寸和重量 | 大/重 | 中等 | 小/轻 | |
| 抗干扰的磁场 | 好 | 好 | 通过使用多台设备在电路侧进行校正 ・可以通过磁屏蔽来降低。 |
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| 精度 | 高精度 | 高精度 | 高精度 | 通过使用多个传感器 能够实现高精度 |
| 能耗 | 大 | 大 | 小 | |
| 冗余 | 成本增加显著 | 成本增加显著 | 可以应对 | |
| 布局的灵活性 | ・仅限Off-axis ・装配要求精度严格 |
・仅限Off-axis ・装配要求精度严格 |
・可选择On-axis/Off-axis中的任意一种 ・可根据磁铁的规格来调整传感器IC的位置。 |
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TMR角度传感器的优点总结如下。
- 成本更低：由于封装体积小，对小型电路配置和信号处理的要求较低，因此系统的整体成本更低。
- 尺寸更小且重量更轻：除了IC，旋转检测所用的磁铁也是一个优势。（旋转变压器要求在定子一侧装配励磁线圈和输出线圈，而在转子一侧则需安装电磁钢板，因此其尺寸较大，重量更重。）
- 抗磁场干扰性能更好：角度检测通过磁场进行，因此也会受到干扰磁场的影响，但利用多个传感器进行修正计算，可提高抗干扰能力。
- 精度更高：选用Off-Axis离轴配置时，可采用多个IC来增强精度。
- 功耗更低：IC之外的其它部件都无需消耗电流。（旋转变压器需要电流通过励磁线圈和输出线圈，因此功耗较高。）
- 冗余：可使用多个集成电路轻松实现冗余。
TDK的TMR角度传感器的特点与优势
TDK的TMR角度传感器具有业内领先的测量精度，并针对汽车领域专门提供了一系列紧凑的产品。比之其它磁传感器方案，能在较宽的温度范围内维持更稳的输出，并且无需进行温度补偿，从而有助于简化系统设计。
角度测量精度为≤0.15°：模拟输出能达到±0.15°的精度，数字输出则可实现±0.05°的精度。安装后，用户能立即观察到360°的绝对测量值。这种高水平的控制能够减少相移引起的噪音和振动所导致的能量损失。
上述诸多特点加上紧凑的尺寸，有助于实现更小、更轻、更低成本系统的封装形式，: 例如TSSOP-8（6.4 x 3.0mm）和QFN16（3.0 x 3.0mm）等。靶磁体体积小巧轻便，易于安装在狭窄空间环境，从而提升了设计的灵活性，加快了产品开发进度。
符合ASIL标准的冗余设计：产品可在40-150 °C的温度范围内维持稳定性能，并已通过可靠性测试。模拟量和数字量输出的产品支持冗余设计，适用于需要超高速旋转的牵引电机。同时支持双MCU和分电域，能够在故障情况下继续运行，从而保障电机的高效性能。
独特的干扰磁场噪声消除技术：采用一种利用多个传感器来抑制干扰磁场噪声信号的方法。同时还提供了关于磁屏蔽技术的建议。目前将继续提供评估板样品作为开发的辅助工具。
以上特点得到了广大用户的高度认可，而且我们自2014年就已实现汽车级元件的量产。
产品阵容
TDK提供丰富多样的产品系列，包括从模拟输出到数字输出的解决方案。
※适用规范
功能安全：ISO26262（TAD214x在系统级别支持ASIL-B，TAS414x, TAB4140, TAA6140, TAS8240和TAD4140在系统级别支持ASIL-D）
可靠性等级：AEC-Q100级别0，MSL 1。
组件：AOI (Wettable flank)
总结
本文介绍了支持电机高性能化和高效率化的角度传感器的挑战及其解决方案。TMR角度传感器不仅具备高精度，还具有出色的成本效益，在电动交通工具的普及中发挥着重要作用。此外，我们的产品在生产过程中100%使用可再生能源电力，从生产环节也为实现可持续社会做出贡献。本文未能全面介绍的产品系列也有很多，若您对我们的产品感兴趣请通过以下联系表单与我们联系。
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