EV レゾルバ センサー選択ガイド: 精度、極ペア、速度の正確なマッチングを実現する方法

新エネルギー車の「3 電気」システムでは、モーター コントロール ユニット (MCU) が脳のように機能し、トルクと電力のコマンドを発行します。モーターが正しく応答するには、まずローターのリアルタイムの位置と速度を知る必要があります。これは、希土類永久磁石がローターに埋め込まれている永久磁石同期モーター (PMSM) にとって特に重要であり、コントローラーは駆動トルクを生成するために正確な瞬間にステーター コイルに通電する必要があります。位置取得に偏差があると、良くても効率が低下してトルクリップルが発生し、最悪の場合、力率の悪化、制御の収束の喪失、さらには安全上の事故につながる可能性があります。

この重要な位置情報を提供するために、 EV レゾルバ センサーは、 新エネルギー車の駆動モーターとして主流の選択肢となっており、国内の電気自動車およびハイブリッド車の 95% 以上を占めています。本質的には、回転軸の角変位と角速度をアナログ電気信号に変換する、電磁誘導の原理に基づいた角度センサーです。光学式エンコーダや磁気式エンコーダと比較して、EVレゾルバセンサは光学部品や電子部品を使用しないシンプルでコンパクトな構造を特徴としており、オイルミスト、高温、強い振動、電磁干渉などの過酷な環境でも長期にわたる信頼性の高い動作を可能にします。さらに、絶対位置出力を工場から直接提供するため、ゼロシーク手順は必要ありません。これは、あらゆる動作条件下で確実に始動する必要がある車両にとって極めて重要な利点です。

ただし、EV レゾルバ センサーは「プラグ アンド プレイ」デバイスではありません。その精度、極ペア、および上限速度が複雑に絡み合っており、選択はモーター プラットフォームおよびデコード ソリューションと併せて考慮する必要があります。この記事では、これら 3 つのコア パラメーターのマッチング ロジックを実用的なエンジニアリングの観点から体系的に分析し、開発者が正しい選択を行えるようにします。

1. EV レゾルバセンサーの仕組み — その信号チェーンを一文で理解する

後続のすべてのパラメータのマッチングは信号チェーンに基づいて構築されるため、EV レゾルバ センサーを選択する前に、その基本的な動作原理を理解する必要があります。

新エネルギー車で広く使用されているタイプは、 可変リラクタンス (VR) EV レゾルバ センサーです。そのローターは積層磁性鋼で作られており、コイルは含まれていません。ステータコアには 1 つの励磁巻線 と 2 つの直交出力巻線 (サイン巻線とコサイン巻線、それぞれ S1 S3 と S2 S4 で示されます) が装備されています。動作中、モーター コントローラーは高周波正弦波 AC 信号 (通常周波数 10 kHz) を励磁巻線に供給します。このキャリアは、ステータとロータの間の空隙に交番磁場を確立します。ローターが回転すると、その特殊な突極形状によりエアギャップのパーミアンスが正弦波状に変化するため、2 つの出力巻線に結合された誘導電圧はローター角度の正弦関数と余弦関数として表される包絡線を持ちます。

信号の流れを見ると、EV レゾルバ センサーは振幅変調されたアナログ信号の 2 つのパスを出力しますが、これらはメイン制御チップによって直接使用することはできません。です 。 サイン/コサイン信号を復調およびフィルタリングし、角度と速度のデジタル量を計算するには、ダウンストリームで専用の RDC チップ (AD2S1210 など) または MCU のソフト デコード スキームであるレゾルバ デコード システムが必要励起信号の周波数からデコードチップのトラッキングレート、メイン制御アルゴリズムの遅延補償に至るすべてのリンクが、最終的な測定精度と動的応答能力に関係します。

言い換えれば、 EV レゾルバ センサーを選択するということは、本質的には 、完全な「位置検出システム」を選択することになります。 レゾルバ本体だけではなく

2. 精度: アーク分とアーク秒の意味、および精度に影響を与える要因は何ですか?

EV レゾルバ センサーの精度は通常、 分角 (') または 秒角 ('')で測定され、変換は次のようになります: 1 度 = 60 分角、1 分 = 60 秒角。たとえば、自動車業界における一般的な EV レゾルバ センサーの精度は約 ±30 フィートですが、産業用高精度レゾルバは ±10 フィート、±5 フィート、またはそれ以上を達成できます。

精度は主に次の要因に影響されます。

• 巻線設計: ステーター コイルのレイアウト精度と巻線の均一性は、サイン信号とコサイン信号の純度を直接決定します。巻線が非対称であると高調波成分が生じ、角度誤差が生じます。

• 極ペア: これは精度に影響を与える中心的な変数です。極対数が多いほど、機械角単位あたりの電気角信号の変化が大きくなり、角度偏差に対する「拡大効果」が大きくなり、その結果、位置分解能が高くなり、電気的誤差が小さくなります。これが基本原則です。

• バックエンドデコードソリューション:EVリゾルバーセンサー本体の精度が高くても、RDC変換精度が不十分であったり、ソフトデコードアルゴリズムのフィルタリングが不適切な場合、追加のエラーが発生する可能性があります。システム全体の精度はレゾルバ本体とデコード回路によって決まり、両者を総合して評価する必要があります。

新エネルギー車の場合、駆動モーターの位置精度要件は一般に産業用サーボや軍用システムほど厳しくありません。ほとんどの乗用車用 EV レゾルバ センサーの精度は約 ±30 フィートで、ベクトル制御の要求を満たすことができ、一部の先進製品では±10 フィートに達します。ただし、高性能モデル (例: 0 ～ 100 km/h 加速が 3 秒範囲) や高速モーターを搭載したプラットフォームでは、精度マージンが広いため、トルク リップルが効果的に低減され、運転のスムーズさが向上します。

3. 極のペア: 「モーターの極のペアを一致させるのが最適」なのはなぜですか?

極ペアは、 EV レゾルバ センサーの選択において 最も重要なパラメータの 1 つであり 、最も混乱が生じやすい場所でもあります。極対数は、ローターとステーターの巻線の間の空隙パーミアンスの正弦波変化が 1 回転中に何回繰り返されるかを示します。本質的には、レゾルバの機械角の「エンコーダ スケール分割」モードを定義します。

コアマッチング原理: EV レゾルバセンサーの極ペアはモーターの極ペアと等しいか、整数倍の関係を満たす必要があります。

なぜこの選択​​をするのでしょうか?

モーター磁場指向制御 (FOC) で使用される座標変換には 電気角が必要ですが、EV レゾルバ センサーは 機械角を直接測定します。レゾルバの極対番号を ( p_r )、モーターの極対番号を ( p_m ) とすると、電気角と機械角の関係は次のようになります。

( p_r = p_m ) の場合、EV レゾルバ センサーが出力する電気角は、モーター制御に必要な電気角に 1 対 1 で直接対応し、ソフトウェアでの角度マッピングや比率変換の必要性がなくなり、計算のオーバーヘッドと潜在的な誤差の原因が軽減されます。これは業界で推奨されるソリューションです。

極端な場合、この 2 つが等しくなくても整数倍の関係が維持されている場合、ソフトウェアは角度変換を実行して適応させることができますが、これにより制御アルゴリズムが複雑になり、システムのリアルタイム パフォーマンスと信頼性に余分な負担がかかります。エンジニアリングの実践では、このような適応設計は可能な限り避けるべきです。

さらに、別の重要な相関関係があります。 極対の数が 電気速度 (電気角速度)を決定します。電気的速度 = 機械的速度 × 極対。これは、同じ機械速度でも極対数が大きくなると、RDC が追跡する必要がある 1 秒あたりの回転数 (rps) に変換される電気速度が高くなり、 デコード チップの追跡速度が十分であるかどうかを検証する必要がある厳しい制約となることを意味します。.

4. 速度: 高速化が進む中で最も見落とされやすいボトルネック

近年、新エネルギー車の駆動モーターの速度は着実に向上しています。主流の乗用車駆動モーターの速度は通常 16,000 ～ 21,000 rpm の範囲にあり、一部の高性能プラットフォームでは 25,000 rpm を突破しています。

ただし、高速シナリオでは、ボトルネックは EV リゾルバー センサー本体ではなく、バックエンドの RDC デコード チップにあることがよくあります。

EV レゾルバ センサー本体自体は、電子部品を含まない純粋な電磁装置であり、非常に高い機械速度に耐えることができますが、その制限は通常、ベアリングと構造強度のみに依存します。一方、デコードチップは、最大追跡レートに厳しい上限があるデジタルデバイスです。たとえば、古典的な AD2S1210 チップの最大トラッキング レートは 10 ビット解像度モードで 3125 rps (電気的) です。解像度が 12 ビットまたは 16 ビットに増加すると、追跡率はさらに低下します。

速度マッチングの重要な公式は次のとおりです。

ここで、 ( n_{e_max} ) は最大電気速度 (rps)、 ( n_{mech_max} ) はモーターの最大機械速度 (rps)、 ( p_r ) は EV レゾルバ センサーの極ペア番号です。

計算結果を選択した RDC チップの最大トラッキング レートと比較し、 十分なマージンが残っていることを確認します。電気速度の計算例: 最大速度 20,000 rpm (約 333.3 rps) のモーターと 4 極ペア EV レゾルバ センサーの組み合わせでは、電気速度は約 1333 rps になります。 AD2S1210 (3125 rps) を使用すると、比較的快適なマージンが残ります。ただし、同じ 20,000 rpm の機械速度でモーターの極ペアが 8 に増加すると、電気速度は 2667 rps に達し、AD2S1210 の限界に近づくため、分解能と温度マージンの両方を慎重に評価する必要があります。近年、国産RDCチップの成熟に伴い、一部の製品は最大60,000rpmの電気速度の追従機能をサポートするようになり、超高速モーターの選択の余地が広がりました。

励起周波数も無視できない制約です。RDC チップでは通常、信号サンプリングの完全性を確保するために、励起搬送波周波数が電気速度周波数の少なくとも 8 ～ 10 倍である必要があります。一般的な励起周波数 10 kHz を例にとると、対応する使用可能な電気速度の上限はおよそ 1000 ～ 1250 rps (電気速度 60,000 ～ 75,000 rpm) です。モーター プラットフォームでより高速な速度が必要な場合は、より高い励起周波数をサポートするデコード スキームを選択する必要があります。

5. 3 段階の選択方法: 明確なエンジニアリング決定プロセス

上記のパラメータ間の制約を統合すると、  EV レゾルバ センサーの選択は、個別のコンポーネントの選択ではなく、モーター、デコード回路、および制御アルゴリズムを含むマルチリンク システムのマッチング問題になります。次の手順に進むことをお勧めします。

ステップ 1: モーターの極ペアから始めて、EV レゾルバー センサーの極ペアを決定します。

最適な基準として「EV レゾルバ センサーの極ペア = モーターの極ペア」というガイドラインを使用して、EV レゾルバー センサー モデルをロックします。供給やコストの理由により直接一致させることが不可能な場合は、整数倍の関係を確保し、ソフトウェアでの角度変換の信頼性とリアルタイムのパフォーマンスを検証します。

ステップ 2: モーター速度プロファイルに基づいて RDC ソリューションを決定します。

最大電気速度: ( n_{e_max} = n_{mech_max} imes p_r ) を計算し、電気速度に少なくとも 20% ～ 30% のマージンを持った RDC デコード チップを選択します。また、解像度設定での追跡率が要件を満たしていることも確認します。ソフト デコード ソリューションが計画されている場合は、電気速度範囲全体にわたる MCU の ADC サンプリング周波数とアルゴリズム計算能力のマージンを評価します。

ステップ 3: アプリケーション シナリオの精度要件に基づいて精度グレードを決定します。

• 主流の乗用車プラットフォーム: ほとんどのベクトル制御シナリオでは ±30 フィートで十分です。

• 高い動的性能要件を持つモデル (ハイエンドの電気 SUV、スポーツ セダンなど): トルク リップルを低減し、運転の滑らかさを高めるために、±10 フィート～±15 フィートを推奨します。

• 商用車の主な駆動シナリオ: 高いトルク精度が必要ですが、精度グレードを適切に高めることで、あらゆる動作条件下で安定した制御を確保できます。

•  商用車の補助ドライブ (オイル ポンプ、エア ポンプ モーターなど) または精度が重視されない低速アプリケーション: 精度を適切に緩和して、最小限の制御要件を満たしながらコストを最適化できます。

以下の表は、さまざまな車両シナリオの選択グレードの参考を示しています。

 

 

6. 選択におけるよくある誤解と周辺制約

誤解 1: 「精度が高いほど良い。」 極対数が大きいほど電気精度は向上しますが、電気速度変換値も上昇し、デコード回路への負担が大きくなります。精度は実際の制御ニーズに一致する必要があります。精度を過度に追求すると、システムに不必要なコストがかかり、複雑さが増すだけです。

誤解 2: 「EV レゾルバ センサー本体の精度が高ければ十分です。」 実際のシステム精度は、レゾルバ本体、取り付け公差、接続ケーブルのシールド、および RDC デコード方式によって総合的に決定されます。設置の偏心、ケーブルのコモンモード干渉などにより、本体の精度よりもはるかに大きな誤差が追加される可能性があるため、選択とレイアウトの際にはこれらの要因に同様の注意を払う必要があります。

誤解 3: 「選択は車両の電磁環境とは何の関係もありません。」  EV レゾルバー センサーの励起信号と出力信号はすべてアナログであるため、車両の高電圧、高電流の電磁環境ではコモンモードおよびディファレンシャルモードの干渉を受けやすくなります。 PMSM インバータの高 dv/dt スイッチング エッジでは、レゾルバ信号ラインに結合するノイズが特に顕著になります。選択時には、EV レゾルバ センサー ケーブルのシールドと接地の設計に注意を払う必要があり、必要に応じて、より強力な抗 EMC 機能を備えた位置センサー ソリューション (渦電流センサーなど) を代替品として使用することを検討してください。

誤解 4: 「EV レゾルバ センサーと渦電流センサーは相互に排他的な選択肢です。」 この 2 つは完全に対立するものではありませんが、それぞれが異なるシナリオで適応的な利点を持っています。渦電流センサーはチップベースの設計を採用しており、サイズが小さく、強力な抗EMC機能を備えているため、超高速またはアキシャルフラックスマシンなどの新しいモータートポロジに適しています。 EV レゾルバ センサーは、高温、油汚染、高振動の環境において実証済みの信頼性とサプライ チェーンの利点を備えており、現在の量産車の大部分にとって依然として主流の選択肢となっています。

7. 動向と展望

近年、国内のEVレゾルバセンサー本体とデコードチップの両方が大幅に進歩しました。車両の電気アーキテクチャが 800 V 高電圧プラットフォームや分散駆動に向けて進化し、アキシャル フラックス モーターや超高速モーターなどの新しいモーター トポロジがより普及するにつれて、位置センサーの選択ロジックは継続的に強化されています。EV レゾルバー センサーの使用を継続しながら、渦電流センサーなどの新しいソリューションは、高速で強力な EMC シナリオでより強力な補足オプションを提供しています。

市場に関しては、新エネルギー車向けの世界のEVレゾルバーセンサーの売上収益は2025年に約2億4,700万ドルに達し、2032年までに6億1,200万ドルまで成長し、年平均成長率は約13.2%になると予測されています。この成長は、電動化の浸透と車両あたりのモーター数の増加（特に四輪駆動モデルにおける前後デュアルモーター構成の人気）を反映しており、位置センサーの需要が継続的に増加しています。また、これは、EV レゾルバー センサーの選択が、「1 つあるかどうか」という段階から、より厳密な「どの程度適合するか」という段階に徐々に移行することを意味します。

要約すると、EV レゾルバ センサーの選択の核心は「モーターに合わせた極ペア、RDC に合わせた速度、アプリケーション シナリオに合わせた精度」です。これら 3 つのパラメータは独立して選択されるのではなく、相互に結合されたシステム エンジニアリング タスクを形成します。このマッチングを適切に行うと、車両のパフォーマンスが向上するだけでなく、開発の初期段階における後続段階のデバッグの多くの課題が回避されます。