Tri glavne boleče točke senzorjev EV Resolver: Težaven kompromis med natančnostjo, kalibracijo in stroški

I. Kaj je razločevalni senzor?

V pogonskem motorju električnega vozila je skromna, a kritična komponenta – rotacijski transformator, splošno znan kot 'razreševalec .' Pogosto ga opisujejo kot 'oči' in 'ušesa' sistema za krmiljenje motorja.

Rezolutor je analogni kotni senzor, ki deluje na principu elektromagnetne indukcije. Njegova zgradba je relativno preprosta: sestavljen je iz statorja in rotorja. Stator nosi vzbujalno tuljavo in tuljave za zaznavanje sinusa/kosinusa, medtem ko je rotor koaksialno nameščen na gredi motorja. Ko krmilnik motorja uporabi AC signal za vzbujalno tuljavo, vrtenje rotorja spremeni magnetno sklopitev, inducira napetostne signale v sinusnih in kosinusnih tuljavah, ki se spreminjajo glede na kot. Z merjenjem amplitud teh dveh signalov je mogoče natančno izračunati absolutni položaj rotorja in smer vrtenja.

Danes se sinhroni motorji s trajnimi magneti pogosto uporabljajo v pogonih električnih vozil, njihov nadzor pa je močno odvisen od natančne povratne informacije o položaju rotorja. V bistvu vsak kotni signal, ki ga oddaja razreševalec, neposredno vpliva na izhodni navor motorja, regulacijo hitrosti ter splošno varnost in gladkost vožnje vozila.

Vendar pa se senzorji za razreševanje soočajo s tremi neizogibnimi težavami v praktičnih aplikacijah – natančnostjo, kalibracijo in stroški – ki tvorijo zapleteno razmerje kompromisov.

II. Bolečina 1: Natančnost – gospodična je dobra kot milja

Natančnost razreševalnika neposredno določa kakovost krmiljenja motorja. Če je kotna napaka prevelika, lahko povzroči tresenje motorja, počasno pospeševanje, neobičajen hrup ali celo resne težave, kot je nenadzorovano pospeševanje ali neuspešen zagon. Na žalost zagotavljanje natančnosti razreševalnika še zdaleč ni preprosto.

Prvič, viri napak so številni in zapleteni.  Napake natančnosti razreševalnika izvirajo iz treh glavnih ravni: napak pri načrtovanju (kot je kvadraturna napaka in napaka amplitude), napak proizvodnega procesa (kot je napaka ničelne lege) in napak pri namestitvi/uporabi (kot je napaka ničelne lege, ki jo povzroči ekscentričnost). Med temi je ekscentričnost namestitve pogosta težava – ko središča rotorja in statorja razreševalnika niso poravnana s središčem rotorja motorja, postanejo najvišje vrednosti sinusnih/kosinusnih signalov nedosledne med polcikli, kar neposredno ogroža natančnost meritev. Poleg tega visokotemperaturno okolje v motorju ponavadi poslabša težave z ekscentričnostjo.

Drugič, natančnost se pri visokih hitrostih močno poslabša.  Ko se hitrost motorja EV še naprej dviguje, postanejo omejitve razreševalnika pri visokih vrtilnih hitrostih vse bolj očitne. Trenutno se glavne hitrosti motorjev gibljejo od 16.000 do 21.000 vrtljajev na minuto, vzpon visokonapetostnih platform pa je maksimalne hitrosti dvignil nad 30.000 vrtljajev na minuto. Frekvenca vzbujalnega signala razločevalnika je običajno 10 kHz. Pri ultravisokih hitrostih se število zajetih osnovnih valovnih ciklov dramatično zmanjša – pri 20.000 obratih na minuto je razpoložljivi signal le ena četrtina signala pri 5000 obratih na minuto. Vgrajeni kotni signal potem močno odstopa od pravega kota. Večina trenutnih razreševalcev zahteva kotno natančnost znotraj ±33′ (mehanski kot, 4 pari polov), medtem ko je industrijsko povpraševanje po visoki natančnosti že doseglo ±22,5′.

Poleg tega so elektromagnetne motnje glavni morilec natančnosti.  Magnetna polja samega hitrega motorja skupaj s preklapljanjem IGBT-jev v električni krmilni enoti ustvarjajo elektromagnetni šum, ki moti pot prenosa signala razreševalnika. Frekvenca vzbujanja 10 kHz razreševalnika slučajno sovpada s preklopno frekvenco IGBT, zato lahko preklopni šum IGBT zlahka vpliva na prvotni nosilni val, kar povzroči popačenje v demoduliranem signalu in dodatno poslabša kotno natančnost.

III. Bolečina 2: Kalibracija – vsak motor je edinstven

Če je natančnost prirojena 'konstitucija', potem je kalibracija 'natančna nastavitev' po rojstvu. Vsak razreševalec mora biti po izdelavi umerjen; drugače je tudi najboljša natančnost neuporabna.

Zakaj je kalibracija obvezna?  Razločevalnik meri mehanski kot, toda krmiljenje motorja, usmerjeno v polje, zahteva električni kot. Mehanski kot 0° razreševalnika ni enak električnemu kotu 0° magnetnega pola motorja – zaradi neizogibnih toleranc obdelave in sestavljanja se relativni položaj razlikuje od motorja do motorja. Brez kalibracije krmilnik izračuna napačen kot. Osnovna naloga kalibracije je preprosta: določite fiksni odmik med ničelnim položajem razreševalnika in ničelnim položajem magnetnega pola rotorja motorja, ga zapišite v krmilnik in dosežete natančno ničelno poravnavo.

Sama kalibracija je izziv.  Tradicionalna kalibracija se zanaša na ročno delovanje – z uporabo osciloskopa za ročno ničlo razreševalnika, kar je dolgotrajno in pogosto nezadostno natančno. Ko se obseg proizvodnje povečuje, je avtomatizirana kalibracija v liniji postala norma: motor je pritrjen na preskusni napravi, gostiteljski računalnik pa pošilja ukaze za kalibracijo, da samodejno izvede ničelno iskanje. Vendar pa se avtomatizirana kalibracija sooča tudi s težavami: dolgi časi kalibracije in nedosledna natančnost. Nekatera patentna literatura izrecno poudarja, da obstoječe metode kalibracije ničelnega odmika razreševalnika trpijo zaradi 'dolgega trajanja in slabe natančnosti'. Izboljšanje učinkovitosti kalibracije ob zagotavljanju natančnosti je praktična dilema na proizvodni liniji.

Natančnost kalibracije omejuje tudi merilna oprema.  Statična in dinamična kalibracija rezolverjev za merjenje kota zahteva visoko natančne referenčne naprave, kot so rotacijske mize, krožne rešetke in fotoelektrični avtokolimatorji. Ti instrumenti so dragi, kar dodatno poveča naložbo v kalibracijo. V zadnjih letih so se pojavili integrirani analizatorji razreševalcev, ki združujejo funkcije več tradicionalnih instrumentov, kar zmanjša stroške opreme za 70 %. Kljub temu ostaja kalibracija pomemben časovni in denarni strošek v aplikacijah za razreševanje.

IV. Pain Point 3: Cena—igra s 400 juanov na 100 juanov

Med tremi bolečimi točkami je strošek tisti, ki ima najbolj neposredno 'poslovno realnost'.

Struktura stroškov razreševalnika je posebna.  Pri stroških materiala prevladujejo pločevine iz silikonskega jekla. Napravo je zapleteno načrtovati in težko izdelati, vključuje delovno intenzivne postopke, kot sta navijanje in spajkanje, zaradi česar je težko zmanjšati stroške s preprostimi sredstvi. Poleg tega razreševalnik za obdelavo signalov potrebuje namenski dekodirni čip (RDC, pretvornik razreševalca v digitalni pretvornik), kar pomeni znatne stroške. Globalna letna proizvodnja dekodirnih čipov za razreševanje avtomobilskega razreda doseže več deset milijonov enot s povprečno prodajno ceno približno 3,6 USD na čip.

V preteklosti so na tem trgu dolgo prevladovala tuja podjetja.  Preden se je začela domača zamenjava, so uvoženi senzorji razreševalcev stali več kot 400 juanov na enoto, kar je zvišalo stroške vozil in povzročilo ranljivost dobavnih verig. V zadnjih letih so kitajska podjetja, kot je Huaxuan Sensing, dosegla temeljni tehnološki preboj in znižala cene senzorjev z več kot 400 juanov na približno 100 juanov – le četrtino prejšnje cene. Domači razreševalci so že vstopili v dobavne verige večjih proizvajalcev avtomobilov, vključno s SAIC, BYD, Li Auto in XPeng.

Zniževanje stroškov se nadaljuje.  V zadnjem desetletju so prodajne cene razreševalnikov v povprečju padle za približno 10 % letno. Znižanje stroškov prihaja iz dveh glavnih smeri: prvič, uvedba industrijske avtomatizacije v proizvodnji, povečanje letne učinkovitosti za 20 % in znižanje proizvodnih stroškov; drugič, preusmeritev materialov iz visoko kakovostnega silicijevega jekla iz japonskega Nippon Steel na domača jekla iz Baosteel in Shougang z uporabo nadomestkov nižjega razreda, ki zmanjšajo stroške materiala za 8 %-10 % na leto. Poleg tega se pojavljajo rešitve za dekodiranje, ki temeljijo na programski opremi – z uporabo vgrajenih mikrokrmilniških modulov in programskih algoritmov za dekodiranje signalov brez namenskih čipov za dekodiranje, kar močno zniža stroške strojne opreme. Nekatere sheme so znižale stroške BOM z več kot 15 USD na približno 1,5 USD.

V. Težaven kompromis med tremi

Natančnost, kalibracija in stroški niso neodvisni; medsebojno delujejo in omejujejo drug drugega – izboljšanje enega pogosto pride na račun drugega.

Prizadevanje  za večjo natančnost  običajno zahteva natančnejše proizvodne postopke, boljše materiale in bolj zapletene strukturne zasnove – vse to kaže na  višje stroške . Hkrati visokonatančni razreševalec zahteva strožjo natančnost namestitve, kar poveča težave in stroške  kalibracije..

Prizadevanje  za nižje stroške  lahko prisili k 'zmanjšanju' materialov (npr. zamenjava visokokakovostnega s silicijevim jeklom nižje kakovosti) ali poenostavitvi postopkov—kar neizogibno ogrozi  natančnost . Na proizvodni liniji lahko  izboljšanje učinkovitosti kalibracije  (za zmanjšanje stroškov) žrtvuje nekaj natančnosti kalibracije, medtem ko zagotavljanje natančnosti kalibracije zahteva več časa in opreme – kar spet poveča  stroške.

To tvori nekakšen 'nemogoč trikotnik': natančnost, učinkovitost (kalibracija) in stroške je težko doseči hkrati.

Zato je industrija raziskala različne rešitve. Na primer, shema 'nizkonatančne redundantne sklopke z dvojnim razločevalcem' uporablja dva poceni razločevalca skupaj za doseganje visoko natančne meritve. Drug pristop – diferencialno dekodiranje položaja z dvojnim vzorčenjem – izboljša natančnost dekodiranja položaja za več kot 80 % brez povečanja stroškov strojne opreme. Tehnologija samoučečega ničelnega kota razreševalca tudi omogoča krmilniku samodejno zaznavanje in popravljanje ničelnih odmikov. Vsi ti poskusi poskušajo razbiti toge omejitve trikotnika.

VI. Outlook: Nove poti za prekinitev trikotnika

Dolgoročno se trikotnik 'natančnost-umerjanje-strošek' med senzorji razreševalnika postopoma odpira.

Kar zadeva  natančnost , se nove zasnove magnetorezivnega razreševalnika nenehno optimizirajo, pri čemer nekateri izdelki že uspešno rešujejo težavo z nizko natančnostjo senzorjev položaja v motorjih z visoko hitrostjo, s čimer znatno povečajo največjo hitrost motorja in natančnost krmiljenja. Pri  umerjanju metode kompenzacije prilagodljivega predvidevanja, ki temeljijo na nevronski mreži, in avtomatizirani sistemi za umerjanje premikajo proces od 'ročne izkušnje' k pristopom, ki temeljijo na 'podatkih'. Kar zadeva  stroške , val domače zamenjave še zdaleč ni končan – lokalizacija materialov, avtomatizacija procesov in dekodiranje na podlagi programske opreme napredujejo vzporedno, kar pušča dodaten prostor za znižanje stroškov.

Zgodba o senzorjih za razreševanje je v bistvu mikrokozmos potovanja industrije novih energetskih vozil od 'funkcionalnega' do 'odličnega' do 'cenovno dostopnega'. Kompromis med natančnostjo, kalibracijo in ceno nima popolnega odgovora – le vedno bližji približki z neusmiljeno inženirsko optimizacijo. In prav to je pravi čar tehnološkega napredka.