Три основные проблемы резольверных датчиков EV: трудный компромисс между точностью, калибровкой и стоимостью

I. Что такое резольверный датчик?

В приводном двигателе электромобиля есть скромный, но важный компонент — вращающийся трансформатор, широко известный как «резольвер ». Его часто называют «глазами» и «ушами» системы управления двигателем.

Резольвер – это аналоговый датчик угла, работающий по принципу электромагнитной индукции. Его конструкция относительно проста: он состоит из статора и ротора. Статор оснащен катушкой возбуждения и катушками определения синусоидального/косинусоидального состояния, а ротор коаксиально установлен на валу двигателя. Когда контроллер двигателя подает сигнал переменного тока на катушку возбуждения, вращение ротора изменяет магнитную связь, индуцируя сигналы напряжения в синусоидальных и косинусоидальных катушках, которые изменяются в зависимости от угла. Измеряя амплитуды этих двух сигналов, можно точно рассчитать абсолютное положение ротора и направление вращения.

Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами широко используются в тяговых приводах электромобилей, и их управление во многом зависит от точной обратной связи по положению ротора. По сути, каждый угловой сигнал, выдаваемый резольвером, напрямую влияет на выходной крутящий момент двигателя, регулирование скорости, а также на общую безопасность и плавность вождения

Однако в практическом применении резольверные датчики сталкиваются с тремя неизбежными болезненными моментами — точностью, калибровкой и стоимостью, — которые образуют сложную компромиссную взаимосвязь.

II. Болевая точка 1: точность: промах так же хорош, как миля

Точность резольвера напрямую определяет качество управления двигателем. Если угловая ошибка слишком велика, это может вызвать дрожание двигателя, медленное ускорение, ненормальный шум или даже серьезные проблемы, такие как неконтролируемое ускорение или невозможность запуска. К сожалению, обеспечить точность резольвера далеко не так просто.

Во-первых, источники ошибок многочисленны и сложны.  Ошибки точности резольвера возникают на трех основных уровнях: ошибки проектирования (например, квадратурная ошибка и ошибка амплитуды), ошибки производственного процесса (например, ошибка нулевого положения) и ошибки установки/использования (например, ошибка нулевого положения, вызванная эксцентриситетом). Среди них распространенной проблемой является эксцентриситет установки: когда центры ротора и статора резольвера не совпадают с центром ротора двигателя, пиковые значения синусоидальных/косинусоидальных сигналов становятся несогласованными между полупериодами, что напрямую ставит под угрозу точность измерений. Более того, высокотемпературная среда внутри двигателя имеет тенденцию усугублять проблемы с эксцентриситетом.

Во-вторых, точность резко ухудшается на высоких скоростях.  Поскольку скорость электродвигателя продолжает расти, ограничения резольвера на высоких скоростях вращения становятся все более очевидными. В настоящее время скорость основных двигателей варьируется от 16 000 до 21 000 об/мин, а появление высоковольтных платформ привело к тому, что максимальные скорости превысили 30 000 об/мин. Частота сигнала возбуждения резольвера обычно составляет 10 кГц. На сверхвысоких скоростях количество улавливаемых циклов фундаментальных волн резко падает: при 20 000 об/мин доступный сигнал составляет лишь четверть от сигнала при 5 000 об/мин. Тогда сигнал установленного угла значительно отклоняется от истинного угла. Большинству современных резольверов требуется угловая точность в пределах ±33′ (механический угол, 4 пары полюсов), в то время как потребность промышленности в высокой точности уже достигла ±22,5′.

Более того, электромагнитные помехи являются основным убийцей точности.  Магнитные поля самого быстроходного двигателя вместе с коммутационными действиями IGBT в электрическом блоке управления генерируют электромагнитный шум, мешающий пути передачи сигнала резольвера. Частота возбуждения резольвера 10 кГц совпадает с частотой переключения IGBT, поэтому шум переключения IGBT может легко повлиять на исходную несущую волну, вызывая искажение демодулированного сигнала и дальнейшее ухудшение угловой точности.

III. Болевая точка 2: Калибровка: каждый двигатель уникален

Если точность — это врожденная «конституция» резольвера, то калибровка — это «тонкая настройка» после рождения. Каждый резольвер должен быть откалиброван после производства; в противном случае даже самая высокая точность окажется бесполезной.

Почему калибровка обязательна?  Резольвер измеряет механический угол, но для ориентированного на поле управления двигателем требуется электрический угол. Механический угол 0° резольвера не равен электрическому углу 0° магнитного полюса двигателя — из-за неизбежных допусков при обработке и сборке относительное положение варьируется от двигателя к двигателю. Без калибровки контроллер вычисляет неверный угол. Основная задача калибровки проста: определить фиксированное смещение между нулевым положением резольвера и нулевым положением магнитного полюса ротора двигателя, записать его в контроллер и добиться точного выравнивания нуля.

Калибровка сама по себе является сложной задачей.  Традиционная калибровка основана на ручном режиме — использовании осциллографа для ручного обнуления резольвера, что отнимает много времени и часто недостаточно точно. По мере увеличения объемов производства автоматическая поточная калибровка стала нормой: двигатель фиксируется на испытательном стенде, а главный компьютер отправляет команды калибровки для автоматического поиска нуля. Однако автоматическая калибровка также сталкивается с трудностями: длительное время калибровки и непостоянная точность. В некоторых патентных источниках прямо указывается, что существующие методы калибровки резольвера с нулевым смещением страдают «длительностью и низкой точностью». Повышение эффективности калибровки при одновременном обеспечении точности является практической дилеммой на производственной линии.

Точность калибровки также ограничивается измерительным оборудованием.  Статическая и динамическая калибровка резольверов по измерению углов требует использования высокоточных эталонных устройств, таких как поворотные столы, круглые решетки и фотоэлектрические автоколлиматоры. Эти инструменты являются дорогостоящими, что еще больше увеличивает инвестиции в калибровку. В последние годы появились интегрированные резольверные анализаторы, сочетающие в себе функции нескольких традиционных приборов, что позволяет снизить стоимость оборудования на 70%. Тем не менее, калибровка по-прежнему требует значительных затрат времени и денег в приложениях резольверов.

IV. Болевая точка 3: Стоимость — игра от 400 до 100 юаней

Среди трех болевых точек наиболее непосредственной «реальностью бизнеса» является стоимость.

Структура стоимости резольвера особенная.  В затратах на материалы преобладают листы из кремнистой стали. Устройство сложно спроектировать и трудно изготовить, оно включает в себя трудоемкие процессы, такие как намотка и пайка, что затрудняет снижение затрат с помощью простых средств. Кроме того, для обработки сигналов резольверу требуется специальный чип декодера (RDC, преобразователь резольвер-цифра), что приводит к значительным затратам. Ежегодное мировое производство чипов-декодеров-резольверов автомобильного класса достигает десятков миллионов единиц, при этом средняя цена реализации составляет около 3,6 долларов США за чип.

Раньше на этом рынке долгое время доминировали иностранные компании.  До начала внутреннего замещения импортные резольверные датчики стоили более 400 юаней за единицу, что повышало стоимость транспортных средств и делало цепочки поставок уязвимыми. В последние годы китайские компании, такие как Huaxuan Sensing, добились серьезных технологических прорывов, снизив цены на датчики с более чем 400 юаней до примерно 100 юаней — всего лишь четверть прежней цены. Отечественные резольверы уже вошли в цепочки поставок крупных автопроизводителей, включая SAIC, BYD, Li Auto и XPeng.

Снижение затрат продолжается.  За последнее десятилетие отпускные цены на резольверы падали в среднем примерно на 10% ежегодно. Снижение затрат происходит по двум основным направлениям: во-первых, внедрение промышленной автоматизации производства, повышающей годовую эффективность на 20% и снижающей производственные затраты; во-вторых, переход от высококачественной кремнистой стали японской Nippon Steel к отечественным сталям Baosteel и Shougang с использованием заменителей более низкого качества, что снижает затраты на материалы на 8–10% в год. Кроме того, появляются решения для программного декодирования, в которых используются встроенные модули микроконтроллеров и программные алгоритмы для декодирования сигналов без использования специальных чипов-декодеров, что значительно снижает затраты на оборудование. Некоторые схемы позволили снизить стоимость спецификации с более чем 15 долларов США до примерно 1,5 долларов США.

V. Трудный компромисс между тремя

Точность, калибровка и стоимость не являются независимыми друг от друга; они взаимодействуют и ограничивают друг друга — улучшение одного часто происходит за счет другого.

Для достижения  более высокой точности  обычно требуются более точные производственные процессы, лучшие материалы и более сложные структурные конструкции — все это указывает на  более высокие затраты . В то же время высокоточный резольвер требует более строгой точности установки, что увеличивает сложность и стоимость  калибровки..

Стремление  к снижению затрат  может привести к «понижению качества» материалов (например, замене высококачественной кремнистой стали на низкосортную) или упрощению процессов, что неизбежно снижает  точность . На производственной линии  повышение эффективности калибровки  (для снижения затрат) может привести к некоторому снижению точности калибровки, в то время как обеспечение точности калибровки требует больше времени и оборудования, что снова приводит к увеличению  затрат..

Это образует своего рода «невозможный треугольник»: трудно достичь одновременно точности, эффективности (калибровки) и стоимости.

Вот почему отрасль исследовала различные решения. Например, схема «резервной связи с двумя резольверами низкой точности» использует два недорогих резольвера вместе для достижения высокоточных измерений. Другой подход — дифференциальное декодирование положения с двойной выборкой — повышает точность декодирования положения более чем на 80% без увеличения стоимости оборудования. Кроме того, технология самообучения нулевого угла резольвера позволяет контроллеру автоматически обнаруживать и корректировать смещения нулевой точки. Все эти попытки направлены на то, чтобы сломать жесткие ограничения треугольника.

VI. Перспективы: новые пути к разрыву треугольника

В долгосрочной перспективе треугольник резольверных датчиков «точность-калибровка-стоимость» постепенно раскрывается.

Что касается  точности , новые конструкции магниторезистивных резольверов постоянно оптимизируются, при этом некоторые продукты уже успешно решают проблему низкой точности датчиков положения в высокоскоростных двигателях, значительно повышая максимальную скорость двигателя и точность управления. При  калибровке методы адаптивного прогнозирования на основе нейронных сетей и автоматизированные системы калибровки переводят процесс от «ручного опыта» к подходам, «управляемым данными». Что касается  стоимости , то волна отечественного замещения далека от чрезмерной: локализация материалов, автоматизация процессов и программное декодирование продвигаются параллельно, оставляя дополнительные возможности для снижения затрат.

История резольверных датчиков — это, по сути, микрокосм пути индустрии транспортных средств на новой энергии от «функционального» к «отличному» и «доступному». Компромисс между точностью, калибровкой и стоимостью не имеет идеального ответа — только все более близкие приближения посредством неустанной инженерной оптимизации. И именно в этом заключается истинная прелесть технического прогресса.