سه نقطه درد اصلی حسگرهای EV Resolver: معاوضه دشوار بین دقت، کالیبراسیون و هزینه

I. سنسور Resolver چیست؟

در موتور محرک یک وسیله نقلیه الکتریکی، یک جزء بی ادعا و در عین حال حیاتی وجود دارد - ترانسفورماتور دوار، که معمولاً به عنوان ' شناخته می شود.حل کننده .' اغلب به عنوان 'چشم' و 'گوش' سیستم کنترل موتور توصیف می شود.

تفکیک کننده یک سنسور زاویه ای آنالوگ است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند. ساختار آن نسبتا ساده است: از یک استاتور و یک روتور تشکیل شده است. استاتور یک سیم پیچ تحریک و سیم پیچ های تشخیص سینوسی/کسینوس را حمل می کند، در حالی که روتور به صورت کواکسیال روی شفت موتور نصب شده است. هنگامی که کنترل کننده موتور یک سیگنال AC را به سیم پیچ تحریک اعمال می کند، چرخش روتور کوپلینگ مغناطیسی را تغییر می دهد و سیگنال های ولتاژی را در سیم پیچ های سینوسی و کسینوس ایجاد می کند که با زاویه متفاوت است. با اندازه گیری دامنه این دو سیگنال می توان موقعیت مطلق روتور و جهت چرخش را به دقت محاسبه کرد.

امروزه موتورهای سنکرون آهنربای دائم به طور گسترده در درایوهای کششی EV استفاده می شوند و کنترل آنها به شدت به بازخورد دقیق موقعیت روتور بستگی دارد. در اصل، هر سیگنال زاویه ای خروجی توسط رزولوشن مستقیماً بر گشتاور خروجی موتور، تنظیم سرعت و ایمنی کلی و نرمی رانندگی خودرو تأثیر می گذارد.

با این حال، حسگرهای حل کننده با سه نقطه درد اجتناب ناپذیر در کاربردهای عملی روبرو هستند - دقت، کالیبراسیون و هزینه - که یک رابطه مبادله ای پیچیده را تشکیل می دهند.

II. نقطه درد 1: دقت - یک خانم به اندازه یک مایل خوب است

دقت یک حل کننده به طور مستقیم کیفیت کنترل موتور را تعیین می کند. اگر خطای زاویه ای خیلی بزرگ باشد، ممکن است باعث لرزش موتور، شتاب کند، صدای غیرعادی یا حتی مشکلات شدیدی مانند شتاب کنترل نشده یا عدم استارت شود. متأسفانه، اطمینان از دقت حل‌کننده چندان ساده نیست.

اول، منابع خطا متعدد و پیچیده هستند.  خطاهای دقت حل کننده از سه سطح اصلی سرچشمه می گیرند: خطاهای طراحی (مانند خطای مربعات و خطای دامنه)، خطاهای فرآیند تولید (مانند خطای موقعیت صفر)، و خطاهای نصب/استفاده (مانند خطای موقعیت صفر ناشی از خروج از مرکز). در این میان، خروج از مرکز نصب یک مشکل رایج است - وقتی مراکز روتور و استاتور با مرکز روتور موتور همسو نمی‌شوند، مقادیر پیک سیگنال‌های سینوسی/کسینوس بین نیم‌سیکل‌ها ناسازگار می‌شوند و مستقیماً دقت اندازه‌گیری را به خطر می‌اندازند. علاوه بر این، محیط با دمای بالا در داخل موتور باعث تشدید مسائل خارج از مرکز می شود.

دوم، دقت در سرعت های بالا به شدت کاهش می یابد.  با ادامه افزایش سرعت موتور EV، محدودیت حل کننده در سرعت های چرخشی بالا به طور فزاینده ای آشکار می شود. در حال حاضر، سرعت موتورهای اصلی بین 16000 تا 21000 دور در دقیقه است و افزایش سکوهای ولتاژ بالا حداکثر سرعت را به بیش از 30000 دور در دقیقه رسانده است. فرکانس سیگنال تحریک رزولوشن معمولاً 10 کیلوهرتز است. در سرعت‌های فوق‌العاده، تعداد سیکل‌های موج اصلی ثبت‌شده به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد – در 20000 دور در دقیقه، سیگنال موجود تنها یک چهارم آن در 5000 دور در دقیقه است. سپس سیگنال زاویه نصب شده به طور قابل توجهی از زاویه واقعی منحرف می شود. اکثر حل‌کننده‌های فعلی به دقت زاویه‌ای در ±33' (زاویه مکانیکی، 4 جفت قطب) نیاز دارند، در حالی که تقاضای صنعت برای دقت بالا در حال حاضر به 22.5 ± رسیده است.

علاوه بر این، تداخل الکترومغناطیسی یک قاتل اصلی دقت است.  میدان های مغناطیسی خود موتور پرسرعت، همراه با اقدامات سوئیچینگ IGBT ها در واحد کنترل الکتریکی، نویز الکترومغناطیسی تولید می کند که در مسیر انتقال سیگنال رزولوشن اختلال ایجاد می کند. فرکانس تحریک 10 کیلوهرتز رزولوشن با فرکانس سوئیچینگ IGBT منطبق است، بنابراین نویز سوئیچینگ IGBT می تواند به راحتی بر موج حامل اصلی تأثیر بگذارد و باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال دمودوله شده و کاهش بیشتر دقت زاویه ای شود.

III. نقطه درد 2: کالیبراسیون - هر موتور منحصر به فرد است

اگر دقت 'قانون اساسی' ذاتی حل کننده است، پس کالیبراسیون 'تنظیم دقیق' پس از تولد است. هر حل کننده باید پس از تولید کالیبره شود. در غیر این صورت، حتی بهترین دقت بی فایده است.

چرا کالیبراسیون اجباری است؟  تفکیک کننده زاویه مکانیکی را اندازه گیری می کند، اما کنترل میدان محور موتور نیاز به زاویه الکتریکی دارد. زاویه مکانیکی 0 درجه تفکیک کننده با زاویه الکتریکی 0 درجه قطب مغناطیسی موتور برابری نمی کند - به دلیل تلورانس های اجتناب ناپذیر ماشینکاری و مونتاژ، موقعیت نسبی از موتوری به موتور دیگر متفاوت است. بدون کالیبراسیون، کنترل کننده زاویه اشتباه را محاسبه می کند. وظیفه اصلی کالیبراسیون ساده است: تعیین افست ثابت بین موقعیت صفر تفکیک کننده و موقعیت صفر قطب مغناطیسی روتور موتور، آن را در کنترل کننده بنویسید و به تراز صفر دقیق برسید.

کالیبراسیون خود یک چالش است.  کالیبراسیون سنتی بر عملکرد دستی متکی است - با استفاده از یک اسیلوسکوپ برای صفر کردن دستی رزولور، که وقت گیر و اغلب دقیق نیست. با افزایش حجم تولید، کالیبراسیون خودکار درون خطی به یک امر عادی تبدیل شده است: موتور روی یک میز تست ثابت می شود و یک کامپیوتر میزبان دستورات کالیبراسیون را برای انجام جستجوی صفر به صورت خودکار ارسال می کند. با این حال، کالیبراسیون خودکار نیز با مشکلاتی مواجه است: زمان کالیبراسیون طولانی و دقت ناسازگار. برخی از متون ثبت اختراع به صراحت اشاره می‌کنند که روش‌های کالیبراسیون با تفکیک صفر حل‌کننده موجود از «مدت طولانی و دقت ضعیف» رنج می‌برند. بهبود کارایی کالیبراسیون در حالی که اطمینان از دقت یک معضل عملی در خط تولید است.

دقت کالیبراسیون نیز توسط تجهیزات اندازه گیری محدود می شود.  کالیبراسیون استاتیک و دینامیکی اندازه‌گیری زاویه‌ها به دستگاه‌های مرجع با دقت بالا، مانند میزهای دوار، گریتینگ‌های دایره‌ای، و اتوکلیماتورهای فوتوالکتریک نیاز دارد. این ابزارها پرهزینه هستند و سرمایه گذاری در کالیبراسیون را بیشتر می کند. در سال‌های اخیر، تحلیلگرهای حل‌کننده یکپارچه که عملکرد چندین ابزار سنتی را ترکیب می‌کنند، پدیدار شده‌اند که هزینه‌های تجهیزات را تا 70 درصد کاهش می‌دهند. با این وجود، کالیبراسیون یک هزینه زمان و هزینه قابل توجه در برنامه های حل کننده باقی می ماند.

IV. نقطه درد 3: هزینه - بازی از 400 یوان تا 100 یوان

در میان سه نقطه دردناک، هزینه با فوری ترین 'واقعیت تجاری' است.

ساختار هزینه یک حل کننده خاص است.  هزینه های مواد توسط ورق های فولادی سیلیکونی غالب می شود. طراحی این دستگاه پیچیده است و ساخت آن دشوار است و شامل فرآیندهای پر زحمتی مانند سیم پیچ و لحیم کاری است که کاهش هزینه ها را از طریق ابزارهای ساده دشوار می کند. علاوه بر این، یک رزولور برای پردازش سیگنال‌ها به یک تراشه رمزگشای اختصاصی (RDC، مبدل تبدیل‌کننده به دیجیتال) نیاز دارد که هزینه‌های قابل‌توجهی را اضافه می‌کند. تولید سالانه جهانی تراشه‌های رمزگشای تفکیک‌کننده در کلاس خودرو به ده‌ها میلیون واحد می‌رسد که میانگین قیمت فروش هر تراشه حدود 3.6 دلار آمریکا است.

در گذشته، این بازار مدت‌ها تحت سلطه شرکت‌های خارجی بود.  قبل از اینکه جایگزینی داخلی آغاز شود، حسگرهای حل کننده وارداتی بیش از 400 یوان در هر واحد قیمت داشتند که هزینه های خودرو را افزایش داد و زنجیره های تامین را آسیب پذیر کرد. در سال‌های اخیر، شرکت‌های چینی مانند Huaxuan Sensing به پیشرفت‌های فنی اصلی دست یافته‌اند و قیمت سنسورها را از بیش از 400 یوان به حدود 100 یوان کاهش داده‌اند که فقط یک چهارم قیمت قبلی است. حل‌کننده‌های داخلی قبلاً وارد زنجیره تامین خودروسازان بزرگ از جمله SAIC، BYD، Li Auto و XPeng شده‌اند.

کاهش هزینه ها ادامه دارد.  در طول دهه گذشته، قیمت فروش رزولور به طور متوسط ​​سالانه حدود 10 درصد کاهش یافته است. کاهش هزینه ها از دو جهت اصلی حاصل می شود: اول، معرفی اتوماسیون صنعتی در تولید، افزایش بازده سالانه تا 20 درصد و کاهش هزینه های تولید. دوم، انتقال مواد از فولاد سیلیکونی با عیار بالا از نیپون استیل ژاپن به فولادهای داخلی از Baosteel و Shougang، با استفاده از جایگزین‌های درجه پایین‌تر که هزینه‌های مواد را 8 تا 10 درصد در سال کاهش می‌دهد. علاوه بر این، راه‌حل‌های رمزگشایی مبتنی بر نرم‌افزار در حال ظهور هستند – با استفاده از ماژول‌های میکروکنترلر داخلی و الگوریتم‌های نرم‌افزاری برای رمزگشایی سیگنال‌ها بدون تراشه‌های رمزگشای اختصاصی، که هزینه‌های سخت‌افزاری را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. برخی از طرح ها هزینه های BOM را از بیش از 15 دلار به حدود 1.5 دلار کاهش داده اند.

V. مبادله دشوار در میان این سه

دقت، کالیبراسیون و هزینه مستقل نیستند. آنها بر یکدیگر تأثیر می گذارند و یکدیگر را محدود می کنند - بهبود یکی اغلب به قیمت دیگری تمام می شود.

دنبال کردن  دقت بالاتر  معمولاً نیازمند فرآیندهای ساخت دقیق‌تر، مواد بهتر و طرح‌های ساختاری پیچیده‌تر است که همگی به  هزینه‌های بالاتر اشاره می‌کنند . در عین حال، یک حل کننده با دقت بالا نیاز به دقت نصب دقیق تری دارد که باعث افزایش سختی و هزینه  کالیبراسیون می شود..

پیگیری  هزینه‌های پایین‌تر  ممکن است باعث «کاهش درجه‌بندی» مواد (به عنوان مثال، جایگزینی فولاد با عیار بالا با فولاد سیلیکونی با عیار پایین‌تر) یا ساده‌سازی فرآیندها شود که به طور اجتناب‌ناپذیری  دقت را به خطر می‌اندازد . در خط تولید،  بهبود راندمان کالیبراسیون  (برای کاهش هزینه) ممکن است برخی از دقت کالیبراسیون را قربانی کند، در حالی که تضمین دقت کالیبراسیون به زمان و تجهیزات بیشتری نیاز دارد - باز هم  هزینه را بالا می برد..

این یک نوع 'مثلث غیرممکن' را تشکیل می دهد: دقت، کارایی (کالیبراسیون) و هزینه به سختی به طور همزمان به دست می آیند.

به همین دلیل است که صنعت راه حل های مختلفی را بررسی کرده است. برای مثال، یک طرح 'کوپلینگ زائد با حل‌کننده دوگانه با دقت پایین' از دو حل‌کننده کم‌هزینه با هم برای دستیابی به اندازه‌گیری با دقت بالا استفاده می‌کند. روش دیگر - رمزگشایی موقعیت دیفرانسیل نمونه برداری دوگانه - دقت رمزگشایی موقعیت را تا بیش از 80٪ بدون افزایش هزینه سخت افزار بهبود می بخشد. همچنین، فناوری خودآموزی با زاویه صفر به کنترلر اجازه می دهد تا به طور خودکار انحرافات صفر را شناسایی و تصحیح کند. این تلاش ها همگی در تلاش برای شکستن محدودیت های سخت مثلث هستند.

VI. چشم انداز: مسیرهای جدید برای شکستن مثلث

در درازمدت، مثلث 'دقت-کالیبراسیون-هزینه' حسگرهای تفکیک کننده به تدریج در حال باز شدن است.

از نظر  دقت ، طرح‌های جدید حل‌کننده مغناطیسی مقاومتی به‌طور مداوم در حال بهینه‌سازی هستند، با برخی از محصولات که قبلاً با موفقیت به مسئله کم دقت سنسورهای موقعیت در موتورهای پرسرعت رسیدگی می‌کنند و به طور قابل‌توجهی حداکثر سرعت موتور و دقت کنترل را افزایش می‌دهند. در  کالیبراسیون ، روش‌های جبران پیش‌بینی تطبیقی ​​مبتنی بر شبکه عصبی و سیستم‌های کالیبراسیون خودکار، فرآیند را از «تجربه دستی» به سمت رویکردهای «داده محور» حرکت می‌دهند. در  هزینه ، موج جایگزینی داخلی دور از انتظار است - بومی سازی مواد، اتوماسیون فرآیند و رمزگشایی مبتنی بر نرم افزار به موازات پیشرفت می کنند و فضای بیشتری برای کاهش هزینه باقی می گذارد.

داستان حسگرهای حل‌کننده اساساً مختصری از سفر صنعت خودروهای انرژی جدید از «عملکردی» به «عالی» به «مقرون‌به‌صرفه» است. معاوضه بین دقت، کالیبراسیون و هزینه هیچ پاسخ کاملی ندارد - فقط تقریب‌های نزدیک‌تر از طریق بهینه‌سازی مهندسی بی‌وقفه. و این دقیقاً جذابیت واقعی پیشرفت فناوری است.