I. レゾルバセンサーとは何ですか?
電気自動車の駆動モーターには、地味だが重要なコンポーネントである、一般に「」として知られる回転変圧器があります。リゾルバー。」これは、モーター制御システムの「目」と「耳」としてよく説明されます。
レゾルバは、電磁誘導の原理で動作するアナログ角度センサーです。構造は比較的単純で、ステーターとローターで構成されています。ステーターには励磁コイルとサイン/コサイン検出コイルが搭載されており、ローターはモーターシャフトに同軸に取り付けられています。モーター コントローラーが励磁コイルに AC 信号を印加すると、ローターの回転によって磁気結合が変化し、サイン コイルとコサイン コイルに角度に応じて変化する電圧信号が誘導されます。これら 2 つの信号の振幅を測定することにより、ローターの絶対位置と回転方向を正確に計算できます。
現在、永久磁石同期モーターは EV トラクション ドライブで広く使用されており、その制御はローターの正確な位置フィードバックに大きく依存しています。本質的に、レゾルバが出力するすべての角度信号は、モーターのトルク出力、速度調整、車両全体の運転の安全性とスムーズさに直接影響します。
ただし、レゾルバ センサーは、実際のアプリケーションでは、精度、校正、コストという 3 つの避けられない問題点に直面しており、これらは複雑なトレードオフ関係を形成します。
II.問題点 1: 正確性 - ミスは 1 マイルと同じくらい重要
レゾルバの精度はモータ制御の品質に直接影響します。角度誤差が大きすぎると、モーターのジッター、加速の鈍さ、異音、さらには加速の制御不能や始動不能などの重大な問題が発生する可能性があります。残念ながら、レゾルバの精度を確保することは決して簡単ではありません。
まず、エラーの原因は多数あり、複雑です。 レゾルバの精度誤差は、設計誤差 (直交誤差や振幅誤差など)、製造プロセス誤差 (ゼロ位置誤差など)、設置/使用誤差 (偏心によるゼロ位置誤差など) の 3 つの主なレベルから生じます。中でも、取り付けの偏心は一般的な問題です。レゾルバのローターとステーターの中心がモーターのローターの中心と一致していない場合、サイン/コサイン信号のピーク値が半サイクル間で不一致になり、測定精度が直接損なわれます。さらに、モーター内部の高温環境は偏心の問題を悪化させる傾向があります。
第二に、高速になると精度が急激に低下します。 EVのモーター速度が上昇し続けるにつれて、高回転速度におけるレゾルバの限界がますます明らかになってきています。現在、主流のモーター速度の範囲は 16,000 ～ 21,000 rpm ですが、高電圧プラットフォームの台頭により、最高速度は 30,000 rpm を超えています。レゾルバの励起信号周波数は通常 10 kHz です。超高速では、捕捉される基本波サイクルの数は劇的に減少します。20,000 rpm では、利用可能な信号は 5,000 rpm の 4 分の 1 にすぎません。適合された角度信号は、真の角度から大幅に逸脱します。現在のほとんどのレゾルバは、±33 ' (機械角、4 極対) 以内の角度精度を必要としますが、業界の高精度に対する要求はすでに ±22.5 ' に達しています。
さらに、電磁干渉は精度を大きく損なうものです。 高速モーター自体の磁界と電子制御ユニット内の IGBT のスイッチング動作により電磁ノイズが発生し、レゾルバの信号伝送路に障害を与えます。レゾルバの 10 kHz 励起周波数はたまたま IGBT スイッチング周波数と一致するため、IGBT スイッチング ノイズが元の搬送波に影響を与えやすく、復調信号に歪みが生じ、角度精度がさらに低下する可能性があります。
Ⅲ．問題点 2: キャリブレーション - すべてのモーターは固有です
精度がレゾルバの生来の「体質」だとすれば、校正は後天的な「微調整」です。すべてのリゾルバは製造後に校正する必要があります。そうしないと、最高の精度であっても役に立ちません。
なぜ校正が必須なのでしょうか? レゾルバは機械角を測定しますが、モータの界磁指向制御には電気角が必要です。レゾルバの機械角 0° は、モータ磁極の電気角 0° と等しくありません。避けられない加工および組立公差により、相対位置はモータごとに異なります。キャリブレーションを行わないと、コントローラーは間違った角度を計算します。キャリブレーションの中心となるタスクは単純です。レゾルバのゼロ位置とモーターのローター磁極のゼロ位置の間の固定オフセットを決定し、それをコントローラーに書き込み、正確なゼロ位置合わせを実現します。
キャリブレーション自体が課題です。 従来のキャリブレーションは、オシロスコープを使用してレゾルバを手動でゼロ調整する手動操作に依存していましたが、時間がかかり、精度が不十分なことがよくありました。生産量が拡大するにつれて、自動インライン校正が標準になってきました。モータはテストベンチに固定され、ホストコンピュータが校正コマンドを送信して自動的にゼロサーチを実行します。しかし、自動校正には、長い校正時間と一貫性のない精度という問題もあります。一部の特許文献では、既存のレゾルバのゼロオフセット校正方法には「時間がかかり、精度が低い」という問題があると明確に指摘されています。精度を確保しながら校正効率を向上させることは、生産ラインにおける実際的なジレンマです。
校正精度は測定機器によっても制限されます。 レゾルバの静的および動的角度測定校正には、回転テーブル、円形回折格子、光電オートコリメータなどの高精度基準装置が必要です。これらの機器は高価であり、校正への投資がさらに増加します。近年、いくつかの従来の機器の機能を組み合わせた統合型レゾルバ・アナライザが登場し、機器コストが 70% 削減されています。それにもかかわらず、レゾルバ アプリケーションでは依然としてキャリブレーションにかなりの時間と費用がかかります。
IV.問題点 3: コスト - ゲームは 400 元から 100 元に
3 つの問題点の中で、最も直接的な「ビジネスの現実」が現れるのはコストです。
レゾルバのコスト構造は特殊です。 材料費の大半は珪素鋼板が占めます。このデバイスは設計が複雑で製造が難しく、巻き付けやはんだ付けなどの労働集約的なプロセスを伴うため、単純な手段でコストを削減するのは困難です。さらに、レゾルバは信号を処理するために専用のデコーダ チップ (RDC、レゾルバ/デジタル コンバータ) を必要とするため、かなりの費用がかかります。自動車グレードのレゾルバ デコーダ チップの世界的な年間生産量は数千万個に達しており、チップあたりの平均販売価格は約 3.6 米ドルです。
過去には、この市場は外国企業によって長い間独占されてきました。 国内での代替品が普及する前は、輸入されたレゾルバセンサーの価格は 1 台あたり 400 元を超え、車両コストが上昇し、サプライチェーンが脆弱なままでした。近年、Huaxuan Sensing などの中国企業は中核的な技術的進歩を達成し、センサーの価格を 400 元以上から、以前のわずか 4 分の 1 である約 100 元まで引き下げました。国内のリゾルバーはすでにSAIC、BYD、Li Auto、XPengなどの大手自動車メーカーのサプライチェーンに参入している。
コスト削減は継続中。 過去 10 年間、レゾルバーの販売価格は平均して年間約 10% 下落しました。コスト削減は主に 2 つの方向から行われます。1 つは生産における産業オートメーションの導入で、年間効率が 20% 向上し、製造コストが削減されます。 2つ目は、材料を日本の日本製鉄の高級ケイ素鋼から宝鋼と首鋼の国産鋼に切り替え、低品位の代替品を使用することで材料コストを年間8～10％削減することである。さらに、専用のデコーダ チップを使用せずに信号をデコードするための組み込みマイクロコントローラ モジュールとソフトウェア アルゴリズムを使用するソフトウェア ベースのデコード ソリューションが登場し、ハードウェア コストを大幅に削減します。一部のスキームでは、BOM コストが 15 米ドル以上から約 1.5 米ドルに削減されました。
V. 3 つの間の難しいトレードオフ
精度、校正、コストは独立しているわけではありません。それらは互いに影響し合い、制約し合うため、一方を改善するともう一方が犠牲になることがよくあります。
を追求するには より高い精度 、通常、より正確な製造プロセス、より優れた材料、より複雑な構造設計が必要となり、これらすべてが コストの上昇を引き起こします。同時に、高精度レゾルバにはより厳しい設置精度が要求されるため、 校正の難易度やコストが増加します。.
追求すると 低コストを 、材料の「グレードダウン」（高級シリコン鋼を低グレードのシリコン鋼に置き換えるなど）やプロセスの簡素化が余儀なくされる可能性があり、必然的に 精度が低下します。生産ラインでは、 （コストを削減するために） 校正効率を向上させると 、校正精度の一部が犠牲になる可能性がありますが、校正精度を保証するにはより多くの時間と設備が必要になり、再び コストが上昇します。.
これは一種の「不可能な三角形」を形成します。精度、効率 (校正)、コストを同時に達成するのは困難です。
そのため、業界はさまざまな解決策を模索してきました。たとえば、「低精度デュアルレゾルバ冗長結合」方式では、2 つの低コストレゾルバを併用して高精度測定を実現します。もう 1 つのアプローチであるデュアル サンプリング差分位置デコードでは、ハードウェアのコストを増加させることなく、位置デコードの精度が 80% 以上向上します。また、レゾルバのゼロ角度自己学習テクノロジーにより、コントローラーがゼロ オフセットを自動的に検出して修正できます。これらの試みはすべて、三角形の厳格な制約を打ち破ろうとしています。
VI.展望: 三角形を打破するための新たな道
長期的には、レゾルバセンサーの「精度、校正、コスト」の三角形が徐々にこじ開けられつつあります。
の点では 精度、新しい磁気抵抗レゾルバの設計は継続的に最適化されており、一部の製品はすでに高速モーターの位置センサーの低精度の問題に対処し、モーターの最大速度と制御精度を大幅に向上させています。では キャリブレーション、ニューラル ネットワーク ベースの適応予測補償法と自動キャリブレーション システムにより、プロセスが「手動経験」から「データ駆動型」アプローチに移行しています。の面では コスト、国内代替の波はまだ終わっていません。材料のローカリゼーション、プロセスの自動化、およびソフトウェアベースのデコードが並行して進んでおり、さらなるコスト削減の余地が残されています。
レゾルバ センサーの物語は本質的に、新エネルギー車業界の「機能的」から「優れた」、そして「手頃な価格」への道の縮図です。精度、校正、コストの間のトレードオフには完璧な答えはありません。たゆまぬエンジニアリングの最適化を通じて、より近似するしかありません。そしてそれこそが、テクノロジーの進歩の醍醐味なのです。
