Tre pikat kryesore të dhimbjes së sensorëve të zgjidhësve EV: Ndërrimi i Vështirë Midis Saktësisë, Kalibrimit dhe Kostos

I. Çfarë është një sensor zgjidhës?

Në motorin lëvizës të një automjeti elektrik, ekziston një komponent i thjeshtë por kritik - transformatori rrotullues, i njohur zakonisht si ''zgjidhës .' Shpesh përshkruhet si 'sytë' dhe 'veshët' të sistemit të kontrollit të motorit.

Një zgjidhës është një sensor analog këndor që funksionon në parimin e induksionit elektromagnetik. Struktura e tij është relativisht e thjeshtë: përbëhet nga një stator dhe një rotor. Statori mbart një spirale ngacmimi dhe mbështjellje të zbulimit të sinusit/kosinusit, ndërsa rotori është montuar në mënyrë koaksiale në boshtin e motorit. Kur kontrolluesi i motorit aplikon një sinjal AC në bobinën e ngacmimit, rrotullimi i rotorit ndryshon bashkimin magnetik, duke nxitur sinjale tensioni në mbështjelljet e sinusit dhe kosinusit që ndryshojnë me këndin. Duke matur amplitudat e këtyre dy sinjaleve, pozicioni absolut i rotorit dhe drejtimi i rrotullimit mund të llogariten me saktësi.

Sot, motorët sinkron me magnet të përhershëm përdoren gjerësisht në disqet tërheqëse EV dhe kontrolli i tyre varet shumë nga reagimet e sakta të pozicionit të rotorit. Në thelb, çdo dalje e sinjalit këndor nga zgjidhësi ndikon drejtpërdrejt në prodhimin e çift rrotullues të motorit, rregullimin e shpejtësisë dhe sigurinë dhe butësinë e përgjithshme të drejtimit të automjetit.

Sidoqoftë, sensorët zgjidhës përballen me tre pika dhimbjeje të pashmangshme në aplikimet praktike - saktësinë, kalibrimin dhe koston - të cilat formojnë një marrëdhënie komplekse shkëmbimi.

II. Pika e dhimbjes 1: Saktësia - Një zonjushë është aq e mirë sa një milje

Saktësia e një zgjidhësi përcakton drejtpërdrejt cilësinë e kontrollit të motorit. Nëse gabimi këndor është shumë i madh, mund të shkaktojë tronditje të motorit, përshpejtim të ngadaltë, zhurmë jonormale ose edhe probleme të rënda si nxitimi i pakontrolluar ose dështimi në nisje. Fatkeqësisht, sigurimi i saktësisë së zgjidhësit nuk është aspak i thjeshtë.

Së pari, burimet e gabimeve janë të shumta dhe komplekse.  Gabimet e saktësisë së zgjidhjes rrjedhin nga tre nivele kryesore: gabimet e projektimit (si gabimi i kuadraturës dhe gabimi i amplitudës), gabimet e procesit të prodhimit (si gabimi i pozicionit zero) dhe gabimet e instalimit/përdorimit (si gabimi i pozicionit zero të shkaktuar nga ekscentriciteti). Midis tyre, ekscentriciteti i instalimit është një problem i zakonshëm - kur qendrat e rotorit të zgjidhësit dhe statorit nuk përputhen me qendrën e rotorit të motorit, vlerat e pikut të sinjaleve të sinusit/kosinusit bëhen të paqëndrueshme midis gjysmë cikleve, duke kompromentuar drejtpërdrejt saktësinë e matjes. Për më tepër, mjedisi me temperaturë të lartë brenda motorit tenton të përkeqësojë çështjet e ekscentricitetit.

Së dyti, saktësia përkeqësohet ndjeshëm me shpejtësi të lartë.  Ndërsa shpejtësitë e motorit EV vazhdojnë të rriten, kufizimi i zgjidhësit në shpejtësi të larta rrotulluese bëhet gjithnjë e më i dukshëm. Aktualisht, shpejtësitë kryesore të motorit variojnë nga 16,000 deri në 21,000 rpm, dhe rritja e platformave të tensionit të lartë i ka shtyrë shpejtësitë maksimale përtej 30,000 rpm. Frekuenca e sinjalit të ngacmimit të zgjidhësit është zakonisht 10 kHz. Me shpejtësi ultra të larta, numri i cikleve themelore të valëve të kapura bie në mënyrë dramatike - në 20,000 rpm, sinjali i disponueshëm është vetëm një e katërta e atij në 5,000 rpm. Sinjali i këndit të montuar më pas devijon ndjeshëm nga këndi i vërtetë. Shumica e zgjidhësve aktualë kërkojnë një saktësi këndore brenda ±33′ (këndi mekanik, 4 çifte polesh), ndërsa kërkesa e industrisë për saktësi të lartë tashmë ka arritur ±22.5′.

Për më tepër, ndërhyrja elektromagnetike është një vrasës i madh i saktësisë.  Fushat magnetike të vetë motorit me shpejtësi të lartë, së bashku me veprimet e kalimit të IGBT-ve në njësinë e kontrollit elektrik, gjenerojnë zhurmë elektromagnetike që ndërhyn në rrugën e transmetimit të sinjalit të zgjidhësit. Frekuenca e ngacmimit 10 kHz e zgjidhësit ndodh që përkon me frekuencën e kalimit IGBT, kështu që zhurma e ndërrimit IGBT mund të ndikojë lehtësisht në valën origjinale të bartësit, duke shkaktuar shtrembërim në sinjalin e demoduluar dhe duke degraduar më tej saktësinë këndore.

III. Pika e dhimbjes 2: Kalibrimi—Çdo motor është unik

Nëse saktësia është 'konstitucioni' i lindur i zgjidhësit, atëherë kalibrimi është 'rregullimi i imët' pas lindjes. Çdo zgjidhës duhet të kalibrohet pas prodhimit; përndryshe, edhe saktësia më e mirë është e padobishme.

Pse është i detyrueshëm kalibrimi?  Zgjidhësi mat këndin mekanik, por kontrolli i motorit i orientuar drejt fushës kërkon kënd elektrik. Këndi mekanik 0° i zgjidhësit nuk është i barabartë me këndin elektrik 0° të polit magnetik të motorit - për shkak të tolerancave të pashmangshme të përpunimit dhe montimit, pozicioni relativ ndryshon nga motori në motor. Pa kalibrim, kontrolluesi llogarit këndin e gabuar. Detyra kryesore e kalibrimit është e thjeshtë: përcaktoni zhvendosjen fikse midis pozicionit zero të zgjidhësit dhe pozicionit zero të polit magnetik të rotorit të motorit, shkruajeni atë në kontrollues dhe arrini një shtrirje të saktë zero.

Kalibrimi në vetvete është një sfidë.  Kalibrimi tradicional mbështetet në funksionimin manual - duke përdorur një oshiloskop për të zeruar manualisht zgjidhësin, i cili kërkon kohë dhe shpesh është i pamjaftueshëm i saktë. Ndërsa vëllimet e prodhimit rriten, kalibrimi i automatizuar në linjë është bërë normë: motori është i fiksuar në një stol testimi dhe një kompjuter pritës dërgon komanda kalibrimi për të kryer automatikisht kërkimin zero. Megjithatë, kalibrimi i automatizuar përballet gjithashtu me vështirësi: kohë të gjata kalibrimi dhe saktësi jokonsistente. Disa literaturë të patentave theksojnë në mënyrë eksplicite se metodat ekzistuese të kalibrimit me kompensim zero të zgjidhësve vuajnë nga 'kohëzgjatja e gjatë dhe saktësia e dobët'. Përmirësimi i efikasitetit të kalibrimit duke siguruar saktësinë është një dilemë praktike në linjën e prodhimit.

Saktësia e kalibrimit kufizohet gjithashtu nga pajisjet matëse.  Kalibrimi statik dhe dinamik i matjes së këndit të zgjidhësve kërkon pajisje referimi me precizion të lartë, të tilla si tavolina rrotulluese, grila rrethore dhe autokolimatorë fotoelektrikë. Këto instrumente janë të kushtueshme, duke rritur më tej investimin në kalibrim. Vitet e fundit, janë shfaqur analizues të integruar zgjidhës që kombinojnë funksionet e disa instrumenteve tradicionale, duke ulur kostot e pajisjeve me 70%. Megjithatë, kalibrimi mbetet një shpenzim i rëndësishëm kohe dhe parash në aplikacionet e zgjidhësve.

IV. Pika e dhimbjes 3: Kostoja - Loja nga 400 në 100 juanë

Ndër tre pikat e dhimbjes, kostoja është ajo me 'realitetin e biznesit' më të menjëhershëm.

Struktura e kostos së një zgjidhësi është e veçantë.  Kostot materiale dominohen nga fletët e çelikut të silikonit. Pajisja është komplekse për t'u projektuar dhe e vështirë për t'u prodhuar, duke përfshirë procese intensive të punës si dredha-dredha dhe saldimi, duke e bërë të vështirë uljen e kostove me mjete të thjeshta. Për më tepër, një zgjidhës kërkon një çip dekoderi të dedikuar (RDC, konvertues zgjidhës në dixhital) për të përpunuar sinjalet, gjë që shton shpenzime të konsiderueshme. Prodhimi vjetor global i çipave dekoder zgjidhës të kategorisë së automobilave arrin në dhjetëra miliona njësi, me një çmim mesatar shitjeje prej rreth 3,6 dollarë amerikanë për çip.

Në të kaluarën, ky treg ka qenë i dominuar prej kohësh nga kompani të huaja.  Para se të fillonte zëvendësimi i brendshëm, sensorët e importuar të zgjidhësve kushtonin mbi 400 juanë për njësi, duke rritur kostot e automjeteve dhe duke i lënë zinxhirët e furnizimit të cenueshëm. Në vitet e fundit, kompanitë kineze si Huaxuan Sensing kanë arritur përparime thelbësore teknologjike, duke ulur çmimet e sensorëve nga mbi 400 juanë në rreth 100 juanë - vetëm një e katërta e çmimit të mëparshëm. Zgjidhësit vendas tashmë kanë hyrë në zinxhirët e furnizimit të prodhuesve kryesorë të automjeteve, duke përfshirë SAIC, BYD, Li Auto dhe XPeng.

Ulja e kostos vazhdon.  Gjatë dekadës së fundit, çmimet e shitjes së zgjidhësve kanë rënë mesatarisht me rreth 10% në vit. Uljet e kostos vijnë nga dy drejtime kryesore: së pari, futja e automatizimit industrial në prodhim, rritja e efikasitetit vjetor me 20% dhe ulja e kostove të prodhimit; së dyti, zhvendosja e materialeve nga çeliku i silikonit të cilësisë së lartë nga Nippon Steel i Japonisë në çeliqet me burim vendas nga Baosteel dhe Shougang, duke përdorur zëvendësues të klasës më të ulët që reduktojnë kostot e materialit me 8%-10% në vit. Për më tepër, zgjidhjet e dekodimit të bazuara në softuer po shfaqen - duke përdorur module të integruara të mikrokontrolluesve dhe algoritme softuerësh për të deshifruar sinjalet pa çipa dekoderues të dedikuar, duke ulur në mënyrë dramatike kostot e harduerit. Disa skema kanë reduktuar kostot e BOM nga mbi 15 dollarë në rreth 1,5 dollarë.

V. Shkëmbimi i vështirë mes të treve

Saktësia, kalibrimi dhe kostoja nuk janë të pavarura; ato ndërveprojnë dhe kufizojnë njëri-tjetrin – përmirësimi i njërit shpesh vjen në kurriz të tjetrit.

Ndjekja e  saktësisë më të lartë  zakonisht kërkon procese më të sakta prodhimi, materiale më të mira dhe dizajne strukturore më komplekse - të gjitha këto tregojnë për  kosto më të larta . Në të njëjtën kohë, një zgjidhës me saktësi të lartë kërkon saktësi më të rreptë instalimi, gjë që rrit vështirësinë dhe koston e  kalibrimit.

Ndjekja e  kostove më të ulëta  mund të detyrojë 'zvogëlimin' të materialeve (p.sh., zëvendësimin e çelikut të cilësisë së lartë me çelik silikoni të cilësisë më të ulët) ose thjeshtimin e proceseve—që në mënyrë të pashmangshme rrezikon  saktësinë . Në linjën e prodhimit,  përmirësimi i efikasitetit të kalibrimit  (për të ulur koston) mund të sakrifikojë njëfarë saktësie të kalibrimit, ndërsa garantimi i saktësisë së kalibrimit kërkon më shumë kohë dhe pajisje—përsëri rrit  koston.

Kjo formon një lloj 'trekëndëshi i pamundur': saktësia, efikasiteti (kalibrimi) dhe kostoja janë të vështira për t'u arritur njëkohësisht.

Kjo është arsyeja pse industria ka eksploruar zgjidhje të ndryshme. Për shembull, një skemë 'bashkim i tepërt me zgjidhës të dyfishtë me saktësi të ulët' përdor dy zgjidhës me kosto të ulët së bashku për të arritur matje me saktësi të lartë. Një qasje tjetër - dekodimi i pozicionit diferencial me mostra të dyfishta - përmirëson saktësinë e dekodimit të pozicionit me më shumë se 80% pa rritur koston e harduerit. Gjithashtu, teknologjia e vetëmësimit me kënd zero të zgjidhësit lejon kontrolluesin të zbulojë dhe korrigjojë automatikisht zhvendosjet zero. Të gjitha këto përpjekje po përpiqen të thyejnë kufizimet e ngurtë të trekëndëshit.

VI. Outlook: Shtigje të reja për të thyer trekëndëshin

Në terma afatgjatë, trekëndëshi 'saktësia-kalibrim-kosto' i sensorëve të zgjidhësve po hapet gradualisht.

Për sa i përket  saktësisë , dizajnet e reja të zgjidhësve magnetorezistues janë duke u optimizuar vazhdimisht, me disa produkte që trajtojnë tashmë me sukses çështjen me saktësi të ulët të sensorëve të pozicionit në motorët me shpejtësi të lartë, duke rritur ndjeshëm shpejtësinë maksimale të motorit dhe saktësinë e kontrollit. Në  kalibrim , metodat e kompensimit të parashikimit përshtatës të bazuar në rrjetin nervor dhe sistemet e automatizuara të kalibrimit po e zhvendosin procesin nga 'përvoja manuale' drejt qasjeve 'të drejtuara nga të dhënat'. Për sa i përket  kostos , vala e zëvendësimit të brendshëm nuk ka tejkaluar - lokalizimi i materialit, automatizimi i procesit dhe dekodimi i bazuar në softuer po avancojnë paralelisht, duke lënë hapësirë ​​të mëtejshme për uljen e kostos.

Historia e sensorëve zgjidhës është në thelb një mikrokozmos i udhëtimit të industrisë së automjeteve me energji të re nga 'funksional' në 'shkëlqyeshëm' në 'të përballueshëm' Marrëveshja midis saktësisë, kalibrimit dhe kostos nuk ka përgjigje perfekte—vetëm përafrime gjithnjë e më të afërta përmes optimizimit të pamëshirshëm inxhinierik. Dhe pikërisht kjo është sharmi i vërtetë i përparimit teknologjik.