FOC有感与无感在电动汽车电驱系统中的应用

起步的一瞬、泊车的那一厘米，往往由一个小小的传感器决定。 在乘用电动汽车的电驱系统中，电机是否“看见”转子位置，会直接影响起步平顺、泊车体验、NVH 与整车功能安全。对乘用车级体验与功能安全而言，建议采用“有感主控 + 无感备份”的混合方案。现在的电动汽车都趋智能化，它们可以“看”到车身边的事物，然而要精准执行时，却离不开牵引电机的驱动和可以提高精准信号的相应的传感器。

一、核心概念一句话速览

有感FOC：控制器直接读取转子角度（旋变、绝对/增量编码器或电感式传感器），在 d-q 坐标系下做磁场定向控制（FOC）。

无感FOC：通过端电压/电流与观测器（EKF、MRAS、滑模等）估算角度，省去外接角度传感器。

典型的FOC速度闭环控制框图 在电机的FOC控制中，在获取的电机信号中，无论是有感还是无感，转子的电角度始终是系统控制的输入信号的关键和输出的主要目标。

二、为什么“看见”比“看不见”重要？（面向产品体验与安全）

零速/极低速（智能泊车、慢速挪车、上下坡）：只有有感方案能在 0 RPM 立即、平稳且可控地输出所需扭矩，避免“前冲/后坐”与抖动。

NVH（噪声/振动/舒适性）：无感在低速常需高频注入或开环启动以建立角度，可能造成高频噪声与转矩脉动，影响静谧性。

功能安全（ISO 26262/ASIL）：物理传感器提供“可观测”的闭环反馈，便于故障检测、冗余设计与安全论证；纯无感方案在安全验证上成本更高、风险边界更复杂。

三、有感（带传感器）FOC：优势与工程注意点 

优势（面向乘用车）：

零速即可受控输出扭矩，起步与泊车体验优异。

动态响应快、控制精度高，有助于能效优化与精确再生制动。

支持明确的故障检测与冗余策略，便于满足车规安全要求。

工程注意点：

传感器为单点故障源，需并行无感估算或双通道硬件冗余作为容错手段。

选型要考虑工作温度、抗振、EMC、接口协议（模拟、差分、SSI、BiSS 等）以及生产校准流程。

虽增加硬件与线束成本，但对乘用车体验与安全的收益通常值得投入。

四、无感FOC：价值、局限与现实角色 价值：

降低硬件成本与装配复杂度；在中高转速区（反电动势明显）可提供良好控制性能。

局限：

零速“盲启动”需开环或高频注入，会影响 NVH。

对电机参数漂移（温升、磁饱和）敏感，需在线辨识与校正。

现实角色：

在整车系统中，常作为并行估算/冗余备份或受限情景的“跛行回家”模式，而非高端乘用车的单一主控方案。

五、传感器选型要点（工程清单） 关键指标请重点关注：

分辨率与精度（影响零速扭矩稳定与最小角步距）

抗振抗冲击与工作温度（车规建议 -40°C ～ +125/150°C）

EMC 抗扰度与对杂散磁场的免疫能力

输出接口（模拟正弦/余弦、差分、SPI/SSI/BiSS 等）与解算集成方式

IP 等级与密封性；线束与接插件的品质同样关键

响应延迟（传播延迟），会影响高带宽控制的相位裕度

六、产品推荐（嵌入段落） 推荐：

Amphenol Sensors（Piher）PSCI 电感式电机转子位置传感器（适合车规级电驱）

为什么推荐 PSCI？

适合场景：需要车规耐温、抗振、抗杂散磁场的定轴端位置反馈，尤其要求低速 NVH 与高可靠性的乘用车电驱。

基本原理：

电感式电机位置传感器基于导线回路中的电磁感应和电涡流的物理原理。该传感器由一组印刷在PCB板上的线圈组成，用于检测在其上方移动的金属目标的位置，并提供直接解调的正弦-余弦输出。由于该传感器不基于磁性元件，因此完全不受磁场杂散场的影响。下面是信号产生的基本步骤。

产生交变磁场：传感器内部的振荡电路驱动发射线圈，产生一个高频交变磁场。

引发涡流：当这个交变磁场靠近一个金属目标（如铝、钢）时，根据法拉第电磁感应定律，会在金属目标表面感应出旋转的电流，即电涡流。

涡流产生次级磁场：这些电涡流本身又会产生一个与原始磁场方向相反的次级磁场（根据楞次定律）。

影响接收线圈：这个次级磁场会削弱或改变原始磁场，从而影响两个接收线圈感应到的电压。金属目标越靠近某个接收线圈，对该线圈磁场的削弱作用就越强。

位置解算：通过测量和比较两个接收线圈感应电压的幅度、相位或比值变化，芯片内部的电路可以精确计算出金属目标相对于线圈的绝对位置。

所以，利用电涡流原理来检测在一组线圈（静止）上方随转子旋转移动的金属靶的位置，而且通常只要在PCB板上的布铜线，形成由一个发射线圈和两个互成一定角度的接收线圈（如下图所示的接收线圈）组成的信号收发关系。接收线圈的输入信号由分别表示sin和cos的两路信号（如下图所示意）。

接收线圈布置示意图(没有画出金属靶和线圈感应信号输出端)

参考前面的基本工作原理，在这应用中，接收线圈的信号，经过放大、校准后输出对应的分别表示转轴角度的正、余弦的两路信号。输出信号有单端和更加抗干扰的差分方式两种方式。ADC信号经过转换之后，我们得到表示当前转角的Sin和Cos值，通过计算或者查表，就可以获取转子对应的电角度：

θ_el_sensor = atan2( SIN, COS )

再通过简单转换，就可以获取电机转子的电角度和机械角度。实际应用多为查表来提高效率。

位置传感器的收发线圈和输出信号

核心规格亮点（节选）：

精度 ±1°（电角度），分辨率无限（模拟正弦/余弦输出）；

输出：单端(1~4V)或差分(-3V~+3V)解调正弦/余弦信号，便于接入控制器解算器或差分前端；

免疫杂散磁场，无需额外屏蔽；可紧贴电机轴安装；

环境与机械：IP67 / IP69K 全密封，工作温度 -40°C 至 +150°C，抗冲击与振动；

电气：5V ±10% 供电，最大 15mA，传播延迟 4.2 µs，电气速度可达 600,000 rpm（极限裕度）；

常归型号：PSCI-3PP-05（3 极对）、PSCI-4PP-05（4 极对）、PSCI-6PP-05（6 极对）。

不同极对的金属靶配置

推荐理由：在保持旋变级别耐久性的同时，PSCI 更紧凑、成本更具竞争力，是对传统旋变的高性价比替代方案。对需要兼顾低速 NVH 和高温高振环境的车型，是优先考虑的有感主控候选器件。

（注：具体选型仍需结合电机极对数、安装目标材料与机械接口；建议向 Amphenol Sensors / Piher 获取详细安装目标图与接线建议。）

七、系统级架构建议（行业实践） 推荐架构

有感主控 + 无感并行估算（在线交叉校验） + 明确定义的降级策略。

主控（有感）：车规级位置传感器（如 PSCI 或旋变 / 高可靠绝对编码器）。

备份（无感）：并行运行观测器做 plausibility check；在传感器故障时切换到受限模式（限速/限矩）回厂维修。

切换策略：事先定义故障判定门限、切换条件、切换后限制（最大扭矩/速度/报警）及用户提示逻辑。

在线参数辨识：实现电机参数的在线或周期性辨识，提高无感估算鲁棒性（温度补偿、磁饱和模型）。

八、验证、标定与量产要点（不可忽视）

验证覆盖面：温度、湿度、EMC、老化、机械松动、线束断连、ADC/前端故障注入等工况必测。

生产校准：传感器零位/偏置/增益自动化校准流程，保证量产一致性。

功能安全：按 ISO 26262 做 FMEA/FMEDA，准备降级场景与切换测试记录，证明系统在单点故障下仍安全可控。

ADC采样：双路ADC，同时触发采样，减少高速运行时的角度计算误差。

建议电驱团队与互连供应侧尽早对接，开展机械、电气与EMC的协同设计，以保障项目效率与最终质量。

从电动汽车到人形机器人的蓬勃发展，已然这是一个智能电气进化的时代。毫无疑问，除了个别车型最初使用异步电机作为牵引驱动，当前大多数电动汽车，都离不开永磁电机，以及对它们的精确控制，更不用说机器人所使用的伺服电机要求的控制精度了。某种意义上，传感器是搭建现实世界和智能产品设备的神经末梢，它们的测量精度、响应和可靠性，决定了这个产品执行任务的有效范围。

不用担心产品的适配性，安费诺传感器是产品的定制专家，尤其在汽车行业。我们的温度、压力、位置、速度、倾斜角、气体等各型传感器在各个行业都在被广泛使用，但都保持着“低调”，因为它们往往都是被安装在您看不到的地方发挥着它们的功能。