전기 자동차의 구동 모터에는 소박하지만 중요한 구성 요소인 회전 변압기가 있습니다.리졸버 .' 모터 제어 시스템의 '눈'과 '귀'로 종종 설명됩니다.
리졸버는 전자기 유도 원리에 따라 작동하는 아날로그 각도 센서입니다. 구조는 비교적 간단합니다. 고정자와 회전자로 구성됩니다. 고정자는 여자 코일과 사인/코사인 감지 코일을 갖고 있으며, 회전자는 모터 샤프트에 동축으로 장착되어 있습니다. 모터 컨트롤러가 여기 코일에 AC 신호를 적용하면 회전자의 회전이 자기 결합을 변경하여 각도에 따라 달라지는 사인 및 코사인 코일에 전압 신호를 유도합니다. 이 두 신호의 진폭을 측정하면 절대적인 회전자 위치와 회전 방향을 정확하게 계산할 수 있습니다.
오늘날 영구 자석 동기 모터는 EV 트랙션 드라이브에 널리 사용되며 제어는 정확한 로터 위치 피드백에 크게 좌우됩니다. 본질적으로 리졸버에서 출력되는 모든 각도 신호는 모터의 토크 출력, 속도 조절 및 차량의 전반적인 주행 안전성과 부드러움에 직접적인 영향을 미칩니다.
그러나 리졸버 센서는 실제 응용 분야에서 정확도, 교정 및 비용이라는 세 가지 피할 수 없는 문제점에 직면해 있으며 이는 복잡한 균형 관계를 형성합니다.
II. 문제점 1: 정확성 - 실패는 마일만큼 좋습니다
리졸버의 정확도는 모터 제어 품질을 직접적으로 결정합니다. 각도 오차가 너무 크면 모터 지터, 느린 가속, 비정상적인 소음은 물론 제어되지 않는 가속이나 시동 실패와 같은 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 불행하게도 리졸버의 정확성을 보장하는 것은 결코 간단하지 않습니다.
첫째, 오류 원인은 많고 복잡합니다. 리졸버 정확도 오류는 설계 오류(예: 직교 오류 및 진폭 오류), 제조 공정 오류(예: 영점 위치 오류), 설치/사용 오류(예: 편심으로 인한 영점 위치 오류)의 세 가지 주요 수준에서 발생합니다. 이 중에서 설치 편심은 일반적인 문제입니다. 리졸버 회전자와 고정자의 중심이 모터 회전자 중심과 정렬되지 않으면 사인/코사인 신호의 피크 값이 반주기 사이에서 일관되지 않아 측정 정확도가 직접적으로 손상됩니다. 또한 모터 내부의 고온 환경은 편심 문제를 악화시키는 경향이 있습니다.
둘째, 고속에서는 정확도가 급격히 저하됩니다. EV 모터 속도가 계속 증가함에 따라 높은 회전 속도에서 리졸버의 한계가 점점 더 분명해지고 있습니다. 현재 주류 모터 속도 범위는 16,000~21,000rpm이며, 고전압 플랫폼의 등장으로 최대 속도가 30,000rpm을 넘어섰습니다. 리졸버의 여기 신호 주파수는 일반적으로 10kHz입니다. 초고속에서는 캡처된 기본 파동 사이클 수가 급격히 감소합니다. 20,000rpm에서는 사용 가능한 신호가 5,000rpm의 1/4에 불과합니다. 그러면 피팅된 각도 신호가 실제 각도에서 크게 벗어납니다. 대부분의 현재 리졸버는 ±33'(기계적 각도, 4극 쌍) 이내의 각도 정확도를 요구하는 반면, 높은 정밀도에 대한 업계 요구는 이미 ±22.5'에 도달했습니다.
게다가 전자기 간섭은 정확도를 떨어뜨리는 주요 요인입니다. 고속 모터 자체의 자기장은 전기 제어 장치에 있는 IGBT의 스위칭 동작과 함께 리졸버의 신호 전송 경로를 방해하는 전자기 노이즈를 생성합니다. 리졸버의 10kHz 여기 주파수는 IGBT 스위칭 주파수와 일치하므로 IGBT 스위칭 잡음은 원래 반송파에 쉽게 영향을 미쳐 복조된 신호에 왜곡을 일으키고 각도 정확도를 더욱 저하시킬 수 있습니다.
III. 문제점 2: 교정 - 모든 모터는 고유합니다.
정확도가 리졸버의 기본 '구성'이라면 교정은 출생 후의 '미세 조정'입니다. 모든 리졸버는 생산 후에 교정되어야 합니다. 그렇지 않으면 최고의 정밀도조차 쓸모가 없습니다.
교정이 필수인 이유는 무엇입니까? 리졸버는 기계적 각도를 측정하지만 모터의 자속 기준 제어에는 전기적 각도가 필요합니다. 리졸버의 0° 기계적 각도는 모터 자극의 0° 전기 각도와 동일하지 않습니다. 불가피한 가공 및 조립 공차로 인해 상대 위치는 모터마다 다릅니다. 보정하지 않으면 컨트롤러가 잘못된 각도를 계산합니다. 교정의 핵심 작업은 간단합니다. 리졸버 영점 위치와 모터 회전자 자극 영점 위치 사이의 고정 오프셋을 결정하고 이를 컨트롤러에 기록하여 정확한 영점 정렬을 달성하는 것입니다.
교정 자체가 어려운 일입니다. 기존의 교정은 오실로스코프를 사용하여 리졸버를 수동으로 영점 조정하는 수동 작업에 의존하는데, 이는 시간이 많이 걸리고 정밀도가 충분하지 않은 경우가 많습니다. 생산량이 증가함에 따라 자동화된 인라인 교정이 표준이 되었습니다. 모터는 테스트 벤치에 고정되어 있으며 호스트 컴퓨터는 교정 명령을 보내 제로 검색을 자동으로 수행합니다. 그러나 자동 교정에는 긴 교정 시간과 일관되지 않은 정밀도라는 어려움도 있습니다. 일부 특허 문헌에서는 기존 리졸버 제로 오프셋 교정 방법이 '지속 시간이 길고 정확도가 낮음'으로 어려움을 겪고 있음을 명시적으로 지적하고 있습니다. 정밀도를 보장하면서 교정 효율성을 높이는 것은 생산 라인의 실질적인 딜레마입니다.
교정 정확도는 측정 장비에 의해서도 제한됩니다. 리졸버의 정적 및 동적 각도 측정 교정에는 회전 테이블, 원형 격자, 광전 자동 시준기와 같은 고정밀 참조 장치가 필요합니다. 이러한 장비는 비용이 많이 들고 교정에 대한 투자가 더욱 증가합니다. 최근에는 여러 기존 계측기의 기능을 결합한 통합 리졸버 분석기가 등장하여 장비 비용을 70% 절감했습니다. 그럼에도 불구하고 교정은 리졸버 응용 분야에서 여전히 상당한 시간과 비용을 소모합니다.
IV. 문제점 3: 비용 - 게임 가격이 400위안에서 100위안으로
세 가지 문제점 중 비용은 가장 즉각적인 '비즈니스 현실'입니다.
리졸버의 비용 구조는 특별합니다. 재료비의 대부분은 규소강판이 차지합니다. 이 장치는 설계가 복잡하고 제조가 어렵고 권선, 납땜 등 노동 집약적인 공정이 필요하기 때문에 간단한 수단으로는 비용을 절감하기가 어렵습니다. 또한, 리졸버는 신호 처리를 위해 전용 디코더 칩(RDC, Resolver-to-Digital Converter)이 필요하므로 상당한 비용이 추가됩니다. 자동차 등급 리졸버 디코더 칩의 전 세계 연간 생산량은 수천만 개에 이르며, 칩당 평균 판매 가격은 약 US$3.6입니다.
과거 이 시장은 오랫동안 외국 기업이 장악해왔습니다. 국내 대체가 시작되기 전에는 수입 리졸버 센서의 가격이 대당 400위안 이상이어서 차량 비용이 상승하고 공급망이 취약해졌습니다. 최근 몇 년 동안 Huaxuan Sensing과 같은 중국 기업은 핵심 기술 혁신을 달성하여 센서 가격을 400위안에서 100위안 정도로 인하했습니다. 이는 이전 가격의 4분의 1에 불과합니다. 국내 리졸버는 이미 SAIC, BYD, Li Auto, XPeng 등 주요 자동차 제조사의 공급망에 진입했습니다.
비용 절감은 계속됩니다. 지난 10년간 리졸버 판매가격은 연평균 약 10% 하락했다. 비용 절감은 두 가지 주요 방향에서 나옵니다. 첫째, 생산에 산업 자동화를 도입하여 연간 효율성을 20% 높이고 제조 비용을 낮추는 것입니다. 둘째, 재료를 일본 Nippon Steel의 고급 실리콘강에서 Baosteel 및 Shougang의 국내 조달 철강으로 전환하고, 연간 재료비를 8~10% 절감하는 하위 등급 대체재를 사용합니다. 또한 전용 디코더 칩 없이 신호를 디코딩하는 내장 마이크로컨트롤러 모듈과 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 하드웨어 비용을 대폭 절감하는 소프트웨어 기반 디코딩 솔루션이 등장하고 있습니다. 일부 계획에서는 BOM 비용을 US$15 이상에서 약 US$1.5로 줄였습니다.
V. 세 가지 중 어려운 절충안
정확도, 교정 및 비용은 독립적이지 않습니다. 그들은 상호작용하고 서로를 제약합니다. 한 가지를 개선하는 것은 종종 다른 것을 희생하면서 발생합니다.
추구하려면 더 높은 정확도를 일반적으로 더 정밀한 제조 공정, 더 나은 재료, 더 복잡한 구조 설계가 필요하며, 이 모두는 더 높은 비용을 초래합니다 . 동시에 고정밀 리졸버는 보다 엄격한 설치 정밀도를 요구하므로 교정 의 어려움과 비용이 증가합니다..
추구하면 비용 절감을 재료의 '다운그레이드'(예: 고급 실리콘강을 낮은 등급의 실리콘강으로 교체) 또는 공정 단순화가 불가피해 정확도가 저하될 수 있습니다 . 생산 라인에서 비용 절감을 위해 교정 효율성을 높이면 교정 정밀도가 일부 희생될 수 있으며, 교정 정밀도를 보장하려면 더 많은 시간과 장비가 필요하므로 다시 상승합니다. 비용이 .
이는 일종의 '불가능한 삼각형'을 형성합니다. 정확성, 효율성(교정) 및 비용은 동시에 달성하기 어렵습니다.
이것이 바로 업계가 다양한 솔루션을 모색한 이유입니다. 예를 들어, '낮은 정확도의 이중 리졸버 중복 결합' 방식은 두 개의 저비용 리졸버를 함께 사용하여 고정밀 측정을 달성합니다. 또 다른 접근 방식인 이중 샘플링 차동 위치 디코딩은 하드웨어 비용을 늘리지 않고도 위치 디코딩 정확도를 80% 이상 향상시킵니다. 또한 리졸버 영각 자체 학습 기술을 통해 컨트롤러는 영점 오프셋을 자동으로 감지하고 수정할 수 있습니다. 이러한 시도는 모두 삼각형의 엄격한 제약을 깨기 위한 것입니다.
6. 전망: 삼각관계를 깨는 새로운 길
장기적으로 리졸버 센서의 '정확도-보정-비용' 삼각형은 점차 열려지고 있습니다.
측면에서 정확도 새로운 자기 저항 리졸버 설계는 지속적으로 최적화되고 있으며, 일부 제품은 이미 고속 모터 위치 센서의 정밀도가 낮은 문제를 성공적으로 해결하여 최대 모터 속도와 제어 정확도를 크게 향상시켰습니다. 에서 교정 신경망 기반 적응형 예측 보상 방법과 자동화된 교정 시스템은 프로세스를 '수동 경험'에서 '데이터 기반' 접근 방식으로 이동시키고 있습니다. 측면에서 비용 국내 대체 물결은 아직 끝나지 않았습니다. 자재 국산화, 프로세스 자동화, 소프트웨어 기반 디코딩이 동시에 진행되어 비용 절감의 여지가 더욱 커지고 있습니다.
리졸버 센서의 이야기는 본질적으로 '기능적'에서 '우수', '저렴한'으로의 신에너지 차량 산업 여정의 축소판입니다. 정확성, 교정 및 비용 간의 균형에는 완벽한 답이 없으며, 끊임없는 엔지니어링 최적화를 통해 점점 더 가까워지는 근사치만 있을 뿐입니다. 그리고 그것이 바로 기술 진보의 진정한 매력입니다.
