Sähköajoneuvojen resolver-anturien kolme pääkohtaa: vaikea kompromissi tarkkuuden, kalibroinnin ja kustannusten välillä

I. Mikä on Resolver-anturi?

Sähköajoneuvon käyttömoottorissa on vaatimaton mutta kriittinen komponentti – pyörivä muuntaja, joka tunnetaan yleisesti nimellä 'ratkaiseja .' Sitä kuvataan usein moottorinohjausjärjestelmän 'silmiksi' ja 'korviksi'.

Resolveri on analoginen kulma-anturi, joka toimii sähkömagneettisen induktion periaatteella. Sen rakenne on suhteellisen yksinkertainen: se koostuu staattorista ja roottorista. Staattorissa on virityskela ja sini/kosinin ilmaisukelat, kun taas roottori on asennettu koaksiaalisesti moottorin akselille. Kun moottorin ohjain syöttää virityskelaan AC-signaalin, roottorin pyöriminen muuttaa magneettista kytkentää aiheuttaen kulman mukaan vaihtelevia jännitesignaaleja sini- ja kosinikäämiin. Mittaamalla näiden kahden signaalin amplitudit, roottorin absoluuttinen asema ja pyörimissuunta voidaan laskea tarkasti.

Nykyään kestomagneettisynkronimoottoreita käytetään laajalti sähköajoneuvojen vetokäytöissä, ja niiden ohjaus riippuu suuresti roottorin tarkasta asennosta. Pohjimmiltaan jokainen resolverin antama kulmasignaali vaikuttaa suoraan moottorin momenttiin, nopeuden säätöön ja ajoneuvon yleiseen ajoturvallisuuteen ja sujuvuuteen.

Resolver-anturit kohtaavat kuitenkin käytännön sovelluksissa kolme väistämätöntä kipukohtaa – tarkkuus, kalibrointi ja hinta – jotka muodostavat monimutkaisen kompromissisuhteen.

II. Kipukohta 1: Tarkkuus – Neiti on yhtä hyvä kuin kilometri

Resolverin tarkkuus määrää suoraan moottorin ohjauksen laadun. Jos kulmavirhe on liian suuri, se voi aiheuttaa moottorin tärinää, hidasta kiihtyvyyttä, epänormaalia melua tai jopa vakavia ongelmia, kuten hallitsematonta kiihdytystä tai käynnistymisen epäonnistumista. Valitettavasti ratkaisejan tarkkuuden varmistaminen on kaikkea muuta kuin yksinkertaista.

Ensinnäkin virhelähteitä on lukuisia ja monimutkaisia.  Resolverin tarkkuusvirheet johtuvat kolmesta päätasosta: suunnitteluvirheistä (kuten kvadratuurivirhe ja amplitudivirhe), valmistusprosessivirheet (kuten nollapaikkavirhe) ja asennus-/käyttövirheet (kuten epäkeskisyyden aiheuttama nolla-asentovirhe). Näistä asennuksen epäkeskisyys on yleinen ongelma – kun resolverin roottorin ja staattorin keskipisteet eivät ole kohdakkain moottorin roottorin keskipisteen kanssa, sini/kosinisignaalien huippuarvot muuttuvat epäjohdonmukaisiksi puolijaksojen välillä, mikä vaarantaa suoraan mittaustarkkuuden. Lisäksi korkean lämpötilan ympäristö moottorin sisällä pyrkii pahentamaan epäkeskisyysongelmia.

Toiseksi tarkkuus heikkenee jyrkästi suurilla nopeuksilla.  Kun sähköajoneuvojen moottorin nopeudet jatkavat nousuaan, resolverin rajoitus suurilla pyörimisnopeuksilla tulee yhä selvemmäksi. Tällä hetkellä valtavirran moottoreiden nopeudet vaihtelevat 16 000 - 21 000 rpm, ja korkeajännitealustojen nousu on nostanut maksiminopeudet yli 30 000 rpm. Resolverin herätesignaalin taajuus on tyypillisesti 10 kHz. Erittäin suurilla nopeuksilla kaapattujen perusaaltojaksojen määrä laskee dramaattisesti – 20 000 rpm:ssä käytettävissä oleva signaali on vain neljännes 5 000 rpm:n signaalista. Tällöin sovitettu kulmasignaali poikkeaa merkittävästi todellisesta kulmasta. Useimmat virtaresolverit vaativat kulmatarkkuuden ±33′ (mekaaninen kulma, 4 napaparia), kun taas teollisuuden tarkkuus korkealle tarkkuudelle on jo saavuttanut ±22,5′.

Lisäksi sähkömagneettiset häiriöt ovat suuri tarkkuustappaja.  Itse nopean moottorin magneettikentät sekä sähköisen ohjausyksikön IGBT:iden kytkentätoiminnot synnyttävät sähkömagneettista kohinaa, joka häiritsee ratkaisejan signaalin siirtotietä. Resolverin 10 kHz herätetaajuus sattuu olemaan yhteneväinen IGBT-kytkentätaajuuden kanssa, joten IGBT-kytkentäkohina voi helposti vaikuttaa alkuperäiseen kantoaaltoon aiheuttaen vääristymiä demoduloidussa signaalissa ja heikentäen entisestään kulmatarkkuutta.

III. Kipukohta 2: Kalibrointi – jokainen moottori on ainutlaatuinen

Jos tarkkuus on ratkaisejan luontainen 'perusrakenne', kalibrointi on 'hienosäätö' syntymän jälkeen. Jokainen resolveri on kalibroitava tuotannon jälkeen; muuten paraskin tarkkuus on hyödytöntä.

Miksi kalibrointi on pakollista?  Resolveri mittaa mekaanista kulmaa, mutta moottorin kenttäsuuntautunut ohjaus vaatii sähköisen kulman. Resolverin 0° mekaaninen kulma ei ole sama kuin moottorin magneettisen navan 0° sähköinen kulma – väistämättömien työstö- ja kokoonpanotoleranssien vuoksi suhteellinen sijainti vaihtelee moottorista toiseen. Ilman kalibrointia ohjain laskee väärän kulman. Kalibroinnin ydintehtävä on yksinkertainen: määritä kiinteä offset resolverin nolla-asennon ja moottorin roottorin magneettisen navan nolla-asennon välillä, kirjoita se säätimeen ja saavuta tarkka nollakohdistus.

Kalibrointi itsessään on haaste.  Perinteinen kalibrointi perustuu manuaaliseen käyttöön – oskilloskooppia käytetään resolverin manuaaliseen nollaukseen, mikä on aikaa vievää ja usein riittämättömän tarkkaa. Tuotantomäärien kasvaessa automaattisesta in-line-kalibroinnista on tullut normi: moottori kiinnitetään testipenkkiin ja isäntätietokone lähettää kalibrointikomentoja suorittaakseen nollahaun automaattisesti. Automaattiseen kalibrointiin liittyy kuitenkin myös vaikeuksia: pitkät kalibrointiajat ja epäjohdonmukainen tarkkuus. Jotkin patenttikirjallisuudet osoittavat nimenomaisesti, että nykyiset resolverin nollapoikkeamakalibrointimenetelmät kärsivät 'pitkästä kestosta ja huonosta tarkkuudesta'. Kalibroinnin tehokkuuden parantaminen samalla kun varmistetaan tarkkuus on käytännöllinen dilemma tuotantolinjalla.

Kalibroinnin tarkkuutta rajoittavat myös mittauslaitteet.  Resolvaattorien staattinen ja dynaaminen kulmamittauskalibrointi vaatii erittäin tarkkoja vertailulaitteita, kuten pyöriviä pöytiä, pyöreitä ritilöitä ja valosähköisiä autokollimaattoreita. Nämä instrumentit ovat kalliita, mikä lisää kalibrointiinvestointeja. Viime vuosina on ilmaantunut integroituja resolver-analysaattoreita, jotka yhdistävät useiden perinteisten instrumenttien toiminnot ja jotka alentavat laitekustannuksia 70 %. Kalibrointi on kuitenkin edelleen merkittävä aika- ja rahakustannus ratkaistavissa sovelluksissa.

IV. Kipukohta 3: Hinta – Peli 400 yuania 100 yuania

Kolmen kipukohdan joukossa hinta on se, jolla on välittömin 'liiketoiminnan todellisuus'.

Ratkaisijan kustannusrakenne on erityinen.  Materiaalikustannuksia hallitsevat piiteräslevyt. Laite on monimutkainen suunnitella ja vaikea valmistaa, ja siihen liittyy työvoimavaltaisia ​​prosesseja, kuten käämitystä ja juottamista, mikä tekee kustannusten alentamisen yksinkertaisilla keinoilla vaikeaa. Lisäksi resolver tarvitsee erillisen dekooderisirun (RDC, solver-to-digital converter) signaalien käsittelyyn, mikä lisää huomattavia kustannuksia. Maailmanlaajuinen autoluokan resolver-dekooderisirujen vuosituotanto saavuttaa kymmeniä miljoonia yksiköitä, ja keskimääräinen myyntihinta on noin US $ 3,6 per siru.

Aiemmin näitä markkinoita hallitsivat pitkään ulkomaiset yritykset.  Ennen kuin kotimainen korvaaminen lähti liikkeelle, tuodut solver-anturit maksoivat yli 400 yuania yksikköä kohden, mikä nosti ajoneuvojen kustannuksia ja jätti toimitusketjut haavoittuviksi. Viime vuosina kiinalaiset yritykset, kuten Huaxuan Sensing, ovat saavuttaneet keskeisiä teknologisia läpimurtoja alentamalla antureiden hintoja yli 400 juanista noin 100 juaniin, mikä on vain neljäsosa aiemmasta hinnasta. Kotimaiset ratkaisijat ovat jo tulleet suurten autonvalmistajien, kuten SAIC, BYD, Li Auto ja XPeng, toimitusketjuihin.

Kustannusten alentaminen jatkuu.  Viimeisen vuosikymmenen aikana ratkaisujen myyntihinnat ovat laskeneet keskimäärin noin 10 % vuodessa. Kustannussäästöt tulevat kahdesta pääsuunnasta: ensinnäkin teollisuusautomaation käyttöönotto tuotannossa, vuotuisen tehokkuuden lisääminen 20 % ja valmistuskustannusten alentaminen; Toiseksi materiaalien siirtäminen korkealaatuisesta piiteräksestä Japanin Nippon Steelistä kotimaisiin Baosteelin ja Shougangin teräksiin käyttämällä alempia korvikkeita, jotka vähentävät materiaalikustannuksia 8–10 % vuodessa. Lisäksi ilmaantuu ohjelmistopohjaisia ​​dekoodausratkaisuja, joissa käytetään sisäänrakennettuja mikro-ohjainmoduuleja ja ohjelmistoalgoritmeja signaalien dekoodaamiseen ilman erillisiä dekooderisiruja, mikä vähentää dramaattisesti laitteistokustannuksia. Jotkut järjestelmät ovat alentaneet BOM-kustannuksia yli 15 dollarista noin 1,5 dollariin.

V. Vaikea kompromissi kolmen välillä

Tarkkuus, kalibrointi ja hinta eivät ole riippumattomia; ne ovat vuorovaikutuksessa ja rajoittavat toisiaan – yhden parantaminen tapahtuu usein toisen kustannuksella.

tavoittelu  Suuremman tarkkuuden  vaatii yleensä tarkempia valmistusprosesseja, parempia materiaaleja ja monimutkaisempia rakennesuunnitelmia, jotka kaikki viittaavat  korkeampiin kustannuksiin . Samaan aikaan korkean tarkkuuden ratkaiseja vaatii tiukempaa asennustarkkuutta, mikä lisää  kalibroinnin vaikeutta ja kustannuksia.

tavoitteleminen  Alempien kustannusten  voi pakottaa materiaalien 'alenemiseen' (esim. korkealaatuisten korvaaminen huonommalla piiteräksellä) tai prosessien yksinkertaistaminen – mikä väistämättä vaarantaa  tarkkuuden . Tuotantolinjalla  kalibroinnin tehokkuuden parantaminen  (kustannusten alentamiseksi) voi uhrata jonkin verran kalibrointitarkkuutta, kun taas kalibrointitarkkuuden takaaminen vaatii enemmän aikaa ja laitteita – taas nostaa  kustannuksia.

Tämä muodostaa eräänlaisen 'mahdottoman kolmion': tarkkuutta, tehokkuutta (kalibrointia) ja kustannuksia on vaikea saavuttaa samanaikaisesti.

Siksi teollisuus on etsinyt erilaisia ​​ratkaisuja. Esimerkiksi 'matalatarkkuus dual-resolver redundant coupling' -järjestelmä käyttää kahta edullista ratkaisijaa yhdessä saavuttaakseen erittäin tarkan mittauksen. Toinen lähestymistapa – kaksoisnäytteistysdifferentiaalisen sijainnin dekoodaus – parantaa sijainnin dekoodauksen tarkkuutta yli 80 % lisäämättä laitteistokustannuksia. Resolverin nollakulman itseoppiva tekniikka mahdollistaa myös nollakulmapoikkeamien automaattisen havaitsemisen ja korjaamisen. Kaikki nämä yritykset yrittävät murtaa kolmion jäykät rajoitteet.

VI. Outlook: Uusia polkuja kolmion murtamiseen

Pidemmällä aikavälillä resolver-anturien 'tarkkuus-kalibrointi-kustannus'-kolmio avautuu vähitellen.

Mitä tulee tarkkuuteen  , uusia magnetoresistiivisiä resolverimalleja optimoidaan jatkuvasti, ja jotkin tuotteet ovat jo onnistuneet ratkaisemaan nopeiden moottoreiden asentoantureiden alhaisen tarkkuuden ongelman, mikä parantaa merkittävästi moottorin maksiminopeutta ja ohjaustarkkuutta. Kalibroinnissa  . hermoverkkopohjaiset mukautuvat ennusteen kompensointimenetelmät ja automaattiset kalibrointijärjestelmät siirtävät prosessia 'manuaalisesta kokemuksesta' kohti 'datapohjaisia' lähestymistapoja osalta  Kustannusten kotimaisen korvaamisen aalto ei ole läheskään ohi – materiaalin lokalisointi, prosessiautomaatio ja ohjelmistopohjainen dekoodaus etenevät rinnakkain, mikä jättää lisää tilaa kustannusten alentamiseen.

Tarina resolver-antureista on pohjimmiltaan mikrokosmos uuden energiaajoneuvoteollisuuden matkasta 'toiminnallisesta' 'erinomaisesta' 'edulliseen'. Tarkkuuden, kalibroinnin ja kustannusten välisellä kompromissilla ei ole täydellistä vastausta – vain yhä läheisempiä arvioita säälimättömän teknisen optimoinnin avulla. Ja juuri se on teknisen kehityksen todellinen viehätys.