Tiga Titik Sakit Utama Penderia Penyelesai EV: Pertukaran Sukar Antara Ketepatan, Penentukuran dan Kos

I. Apakah Penderia Penyelesai?

Dalam motor pemacu kenderaan elektrik, terdapat komponen yang sederhana namun kritikal—transformer berputar, biasanya dikenali sebagai 'penyelesai .' Ia sering digambarkan sebagai 'mata' dan 'telinga' sistem kawalan motor.

Penyelesai ialah sensor sudut analog yang beroperasi pada prinsip aruhan elektromagnet. Strukturnya agak mudah: ia terdiri daripada stator dan rotor. Stator membawa gegelung pengujaan dan gegelung pengesan sinus/kosinus, manakala pemutar dipasang secara sepaksi pada aci motor. Apabila pengawal motor menggunakan isyarat AC pada gegelung pengujaan, putaran pemutar mengubah gandingan magnet, mendorong isyarat voltan dalam gegelung sinus dan kosinus yang berbeza mengikut sudut. Dengan mengukur amplitud kedua-dua isyarat ini, kedudukan rotor mutlak dan arah putaran boleh dikira dengan tepat.

Hari ini, motor segerak magnet kekal digunakan secara meluas dalam pemacu daya tarikan EV, dan kawalannya sangat bergantung pada maklum balas kedudukan rotor yang tepat. Pada dasarnya, setiap keluaran isyarat sudut oleh penyelesai secara langsung memberi kesan kepada keluaran tork motor, peraturan kelajuan dan keselamatan dan kelancaran pemanduan keseluruhan kenderaan.

Walau bagaimanapun, penderia penyelesai menghadapi tiga titik kesakitan yang tidak dapat dielakkan dalam aplikasi praktikal—ketepatan, penentukuran dan kos—yang membentuk hubungan tukar ganti yang kompleks.

II. Titik Sakit 1: Ketepatan—Rindu Sama Baik Seperti Batu

Ketepatan penyelesai secara langsung menentukan kualiti kawalan motor. Jika ralat sudut terlalu besar, ia boleh menyebabkan kegelisahan motor, pecutan lembap, bunyi yang tidak normal atau masalah teruk seperti pecutan tidak terkawal atau kegagalan untuk dimulakan. Malangnya, memastikan ketepatan penyelesai adalah jauh dari mudah.

Pertama, sumber ralat adalah banyak dan kompleks.  Ralat ketepatan penyelesai berpunca daripada tiga peringkat utama: ralat reka bentuk (seperti ralat kuadratur dan ralat amplitud), ralat proses pembuatan (seperti ralat kedudukan sifar) dan ralat pemasangan/penggunaan (seperti ralat kedudukan sifar akibat kesipian). Antaranya, kesipian pemasangan ialah masalah biasa—apabila pusat pemutar dan pemegun penyelesai tidak sejajar dengan pusat pemutar motor, nilai puncak isyarat sinus/kosinus menjadi tidak konsisten antara separuh kitaran, secara langsung menjejaskan ketepatan pengukuran. Selain itu, persekitaran suhu tinggi di dalam motor cenderung untuk memburukkan lagi isu kesipian.

Kedua, ketepatan merosot secara mendadak pada kelajuan tinggi.  Apabila kelajuan motor EV terus meningkat, had penyelesai pada kelajuan putaran tinggi menjadi semakin jelas. Pada masa ini, kelajuan motor arus perdana berjulat dari 16,000 hingga 21,000 rpm, dan peningkatan platform voltan tinggi telah mendorong kelajuan maksimum melebihi 30,000 rpm. Kekerapan isyarat pengujaan penyelesai biasanya 10 kHz. Pada kelajuan ultra tinggi, bilangan kitaran gelombang asas yang ditangkap menurun secara mendadak—pada 20,000 rpm, isyarat yang tersedia hanya satu perempat daripadanya pada 5,000 rpm. Isyarat sudut yang dipasang kemudian menyimpang dengan ketara daripada sudut sebenar. Kebanyakan penyelesai semasa memerlukan ketepatan sudut dalam ±33′ (sudut mekanikal, 4 pasangan kutub), manakala permintaan industri untuk ketepatan tinggi telah mencapai ±22.5′.

Tambahan pula, gangguan elektromagnet adalah pembunuh ketepatan utama.  Medan magnet motor berkelajuan tinggi itu sendiri, bersama-sama dengan tindakan pensuisan IGBT dalam unit kawalan elektrik, menjana hingar elektromagnet yang mengganggu laluan penghantaran isyarat penyelesai. Frekuensi pengujaan 10 kHz penyelesai berlaku bertepatan dengan frekuensi pensuisan IGBT, jadi hingar pensuisan IGBT boleh menjejaskan gelombang pembawa asal dengan mudah, menyebabkan herotan dalam isyarat terdemodulasi dan seterusnya merendahkan ketepatan sudut.

III. Pain Point 2: Kalibrasi—Setiap Motor Adalah Unik

Jika ketepatan ialah 'perlembagaan' bawaan penyelesai, maka penentukuran ialah 'penalaan halus' selepas lahir. Setiap penyelesai mesti ditentukur selepas pengeluaran; jika tidak, ketepatan yang terbaik pun tidak berguna.

Mengapa penentukuran diwajibkan?  Penyelesai mengukur sudut mekanikal, tetapi kawalan berorientasikan medan motor memerlukan sudut elektrik. Sudut mekanikal 0° penyelesai tidak sama dengan sudut elektrik 0° kutub magnet motor—disebabkan toleransi pemesinan dan pemasangan yang tidak dapat dielakkan, kedudukan relatif berbeza dari motor ke motor. Tanpa penentukuran, pengawal mengira sudut yang salah. Tugas teras penentukuran adalah mudah: tentukan offset tetap antara kedudukan sifar penyelesai dan kedudukan sifar kutub magnet rotor motor, tuliskannya ke dalam pengawal, dan capai penjajaran sifar yang tepat.

Penentukuran itu sendiri adalah satu cabaran.  Penentukuran tradisional bergantung pada operasi manual—menggunakan osiloskop untuk mensifarkan penyelesai secara manual, yang memakan masa dan selalunya tidak cukup tepat. Apabila volum pengeluaran meningkat, penentukuran dalam talian automatik telah menjadi kebiasaan: motor dipasang pada bangku ujian, dan komputer hos menghantar arahan penentukuran untuk melakukan carian sifar secara automatik. Walau bagaimanapun, penentukuran automatik juga menghadapi kesukaran: masa penentukuran yang panjang dan ketepatan yang tidak konsisten. Beberapa literatur paten secara jelas menunjukkan bahawa kaedah penentukuran offset sifar penyelesai sedia ada mengalami 'tempoh yang panjang dan ketepatan yang lemah.' Meningkatkan kecekapan penentukuran sambil memastikan ketepatan adalah dilema praktikal pada barisan pengeluaran.

Ketepatan penentukuran juga dikekang oleh peralatan pengukuran.  Penentukuran ukuran sudut statik dan dinamik penyelesai memerlukan peranti rujukan berketepatan tinggi, seperti jadual berputar, jeriji bulat dan autokolimator fotoelektrik. Instrumen ini mahal, meningkatkan lagi pelaburan dalam penentukuran. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penganalisis penyelesai bersepadu yang menggabungkan fungsi beberapa instrumen tradisional telah muncul, mengurangkan kos peralatan sebanyak 70%. Namun begitu, penentukuran kekal sebagai perbelanjaan masa dan wang yang penting dalam aplikasi penyelesai.

IV. Pain Point 3: Kos—Permainan dari 400 Yuan hingga 100 Yuan

Antara tiga perkara yang menyakitkan, kos ialah kos yang mempunyai 'realiti perniagaan' paling segera.

Struktur kos penyelesai adalah istimewa.  Kos bahan dikuasai oleh kepingan keluli silikon. Peranti ini kompleks untuk reka bentuk dan sukar untuk dihasilkan, melibatkan proses intensif buruh seperti penggulungan dan pematerian, menjadikannya sukar untuk mengurangkan kos melalui cara yang mudah. Di samping itu, penyelesai memerlukan cip penyahkod khusus (RDC, penukar penyelesai-ke-digital) untuk memproses isyarat, yang menambah perbelanjaan yang besar. Pengeluaran tahunan global cip penyahkod penyelesai gred automotif mencecah puluhan juta unit, dengan purata harga jualan kira-kira AS$3.6 setiap cip.

Dahulu, pasaran ini telah lama dikuasai oleh syarikat asing.  Sebelum penggantian domestik bermula, penderia penyelesai yang diimport berharga lebih 400 yuan seunit, meningkatkan kos kenderaan dan menyebabkan rantaian bekalan terdedah. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, syarikat China seperti Huaxuan Sensing telah mencapai kejayaan teknologi teras, mengurangkan harga sensor daripada lebih 400 yuan kepada sekitar 100 yuan—hanya satu perempat daripada harga sebelumnya. Penyelesai domestik telah pun memasuki rantaian bekalan pembuat kereta utama termasuk SAIC, BYD, Li Auto dan XPeng.

Pengurangan kos berterusan.  Sepanjang dekad yang lalu, harga jualan penyelesai telah jatuh kira-kira 10% setiap tahun secara purata. Pengurangan kos datang dari dua arah utama: pertama, pengenalan automasi industri dalam pengeluaran, meningkatkan kecekapan tahunan sebanyak 20% dan menurunkan kos pembuatan; kedua, mengalihkan bahan daripada keluli silikon gred tinggi daripada Keluli Nippon Jepun kepada keluli sumber domestik daripada Baosteel dan Shougang, menggunakan pengganti gred rendah yang mengurangkan kos bahan sebanyak 8%-10% setahun. Di samping itu, penyelesaian penyahkodan berasaskan perisian sedang muncul—menggunakan modul mikropengawal terbina dalam dan algoritma perisian untuk menyahkod isyarat tanpa cip penyahkod khusus, mengurangkan kos perkakasan secara mendadak. Sesetengah skim telah mengurangkan kos BOM daripada lebih AS$15 kepada kira-kira AS$1.5.

V. Pertukaran Sukar Antara Tiga

Ketepatan, penentukuran dan kos tidak bebas; mereka berinteraksi dan mengekang satu sama lain—memperbaiki sesuatu selalunya mengorbankan yang lain.

Mengejar  ketepatan yang lebih tinggi  biasanya memerlukan proses pembuatan yang lebih tepat, bahan yang lebih baik dan reka bentuk struktur yang lebih kompleks—semuanya menunjukkan  kos yang lebih tinggi . Pada masa yang sama, penyelesai ketepatan tinggi menuntut ketepatan pemasangan yang lebih ketat, yang meningkatkan kesukaran dan kos  penentukuran.

Mengejar  kos yang lebih rendah  boleh memaksa bahan 'menurun taraf' (cth, menggantikan gred tinggi dengan keluli silikon gred rendah) atau memudahkan proses—yang pasti menjejaskan  ketepatan . Pada barisan pengeluaran,  meningkatkan kecekapan penentukuran  (untuk mengurangkan kos) mungkin mengorbankan beberapa ketepatan penentukuran, sementara menjamin ketepatan penentukuran memerlukan lebih banyak masa dan peralatan—sekali lagi meningkatkan  kos.

Ini membentuk sejenis 'segitiga mustahil': ketepatan, kecekapan (penentukuran) dan kos sukar dicapai secara serentak.

Itulah sebabnya industri telah meneroka pelbagai penyelesaian. Contohnya, skim 'gandingan berlebihan dwi-penyelesai ketepatan rendah' menggunakan dua penyelesai kos rendah bersama-sama untuk mencapai ukuran ketepatan tinggi. Pendekatan lain—penyahkodan kedudukan berbeza pensampelan dwi—meningkatkan ketepatan penyahkodan kedudukan lebih daripada 80% tanpa meningkatkan kos perkakasan. Selain itu, teknologi pembelajaran kendiri sudut sifar penyelesai membolehkan pengawal mengesan dan membetulkan offset sifar secara automatik. Percubaan ini semua cuba untuk memecahkan kekangan tegar segitiga.

VI. Tinjauan: Laluan Baharu untuk Memecah Segi Tiga

Dalam jangka panjang, segitiga 'ketepatan-tentukur-kos' bagi penderia penyelesai dibuka secara beransur-ansur.

Dari segi  ketepatan , reka bentuk penyelesai magnetoresistif baharu terus dioptimumkan, dengan beberapa produk telah berjaya menangani isu ketepatan rendah penderia kedudukan dalam motor berkelajuan tinggi, dengan ketara meningkatkan kelajuan motor maksimum dan ketepatan kawalan. Dalam  penentukuran , kaedah pampasan ramalan penyesuaian berdasarkan rangkaian saraf dan sistem penentukuran automatik sedang mengalihkan proses daripada 'pengalaman manual' ke arah pendekatan 'didorong data'. Dari  segi kos , gelombang penggantian domestik masih jauh dari tamat—penyetempatan bahan, automasi proses dan penyahkodan berasaskan perisian semakin maju secara selari, meninggalkan ruang lebih jauh untuk pengurangan kos.

Kisah penderia penyelesai pada asasnya ialah mikrokosmos perjalanan industri kenderaan tenaga baharu daripada 'berfungsi' kepada 'cemerlang' kepada 'berpatutan.' Pertukaran antara ketepatan, penentukuran dan kos tidak mempunyai jawapan yang sempurna—hanya anggaran yang lebih dekat melalui pengoptimuman kejuruteraan tanpa henti. Dan itu, tepatnya, adalah daya tarikan sebenar kemajuan teknologi.