Три главне болне тачке сензора ЕВ резолвера: тежак компромис између тачности, калибрације и цене

И. Шта је сензор резолвера?

У погонском мотору електричног возила, постоји скромна, али критична компонента — ротирајући трансформатор, познатији као 'резолвер .' Често се описује као 'очи' и 'уши' система управљања мотором.

Ресолвер је аналогни угаони сензор који ради на принципу електромагнетне индукције. Његова структура је релативно једноставна: састоји се од статора и ротора. Статор носи калем побуде и калем за детекцију синуса/косинуса, док је ротор коаксијално постављен на осовину мотора. Када контролер мотора примени АЦ сигнал на побудни калем, ротација ротора мења магнетну спрегу, изазивајући сигнале напона у синусним и косинусним калемовима који варирају са углом. Мерењем амплитуда ова два сигнала, апсолутни положај ротора и смер ротације могу се тачно израчунати.

Данас се синхрони мотори са трајним магнетима широко користе у погонима за вучу ЕВ, а њихова контрола у великој мери зависи од прецизне повратне информације о положају ротора. У суштини, сваки угаони сигнал који излази из резолвера директно утиче на излазни обртни момент мотора, регулацију брзине и укупну безбедност и углађеност вожње возила.

Међутим, сензори резолвера се суочавају са три неизбежне болне тачке у практичним применама – тачност, калибрација и цена – које чине сложен однос компромиса.

ИИ. Болна тачка 1: Тачност — промашај је добар као миља

Тачност резолвера директно одређује квалитет управљања мотором. Ако је угаона грешка превелика, то може да изазове подрхтавање мотора, споро убрзање, абнормалну буку или чак озбиљне проблеме као што је неконтролисано убрзање или неуспех при покретању. Нажалост, осигурање тачности резолвера је далеко од једноставног.

Прво, извори грешака су бројни и сложени.  Грешке у тачности резолвера потичу из три главна нивоа: грешке у пројектовању (као што су грешка квадратуре и грешка амплитуде), грешке производног процеса (као што је грешка нулте позиције) и грешке инсталације/употребе (као што је грешка нулте позиције изазване ексцентриитетом). Међу њима, ексцентрицитет инсталације је уобичајен проблем – када се центри ротора резолвера и статора не поклапају са центром ротора мотора, вршне вредности синусних/косинусних сигнала постају недоследне између полупериода, директно угрожавајући тачност мерења. Штавише, окружење високе температуре унутар мотора има тенденцију да погорша проблеме ексцентричности.

Друго, прецизност се нагло погоршава при великим брзинама.  Како брзине ЕВ мотора настављају да расту, ограничење резолвера при великим брзинама ротације постаје све очигледније. Тренутно се главне брзине мотора крећу од 16.000 до 21.000 о/мин, а пораст високонапонских платформи је померио максималне брзине преко 30 000 о/мин. Фреквенција побудног сигнала резолвера је типично 10 кХз. При ултра-високим брзинама, број снимљених циклуса основних таласа драматично опада - при 20.000 о/мин, расположиви сигнал је само једна четвртина оног при 5.000 о/мин. Сигнал уграђеног угла тада значајно одступа од правог угла. Већина актуелних резолвера захтева угаону тачност унутар ±33′ (механички угао, 4 пара пола), док је захтев индустрије за високом прецизношћу већ достигао ±22,5′.

Штавише, електромагнетне сметње су главни убица прецизности.  Магнетна поља самог мотора велике брзине, заједно са преклопним дејствима ИГБТ-ова у електричној контролној јединици, стварају електромагнетни шум који омета пут преноса сигнала резолвера. Ресолверова фреквенција побуђивања од 10 кХз се поклапа са фреквенцијом ИГБТ пребацивања, тако да ИГБТ шум пребацивања може лако да утиче на оригинални носећи талас, узрокујући изобличење у демодулисаном сигналу и даље умањујући угаону тачност.

ИИИ. Болна тачка 2: калибрација—сваки мотор је јединствен

Ако је прецизност урођена 'конституција' резолвера, онда је калибрација 'фино подешавање' након рођења. Сваки резовер мора бити калибрисан након производње; у супротном, чак и најбоља прецизност је бескорисна.

Зашто је калибрација обавезна?  Ресолвер мери механички угао, али контрола оријентисана на поље мотора захтева електрични угао. Механички угао резолвера од 0° није једнак електричном углу магнетног пола мотора од 0°—због неизбежних толеранција обраде и монтаже, релативни положај варира од мотора до мотора. Без калибрације, контролер израчунава погрешан угао. Основни задатак калибрације је једноставан: одредите фиксни помак између нулте позиције резолвера и нулте позиције магнетног пола ротора мотора, упишите то у контролер и постигнете тачно нулту позицију.

Сама калибрација је изазов.  Традиционална калибрација се ослања на ручни рад — коришћењем осцилоскопа за ручно нулирање резолвера, што је дуготрајно и често недовољно прецизно. Како се обим производње повећава, аутоматска ин-лине калибрација је постала норма: мотор је фиксиран на испитној клупи, а главни рачунар шаље команде за калибрацију како би аутоматски извршио нулту претрагу. Међутим, аутоматска калибрација се такође суочава са потешкоћама: дугим временима калибрације и недоследном прецизношћу. Нека патентна литература експлицитно истиче да постојеће методе калибрације са нултим помаком резолвера пате од „дугог трајања и лоше прецизности“. Побољшање ефикасности калибрације уз обезбеђивање прецизности је практична дилема на производној линији.

Тачност калибрације је такође ограничена мерном опремом.  Статичка и динамичка калибрација резолвера за мерење угла захтева високо прецизне референтне уређаје, као што су ротациони столови, кружне решетке и фотоелектрични аутоколиматори. Ови инструменти су скупи, што додатно повећава улагање у калибрацију. Последњих година су се појавили интегрисани анализатори резолвера који комбинују функције неколико традиционалних инструмената, смањујући трошкове опреме за 70%. Ипак, калибрација остаје значајан трошак времена и новца у апликацијама резолвера.

ИВ. Тачка бола 3: Цена—игра од 400 до 100 јуана

Међу три болне тачке, цена је она која има најнепосреднију „пословну стварност“.

Структура трошкова резолвера је посебна.  У трошковима материјала доминирају челични лимови од силикона. Уређај је сложен за дизајн и тежак за производњу, укључујући радно интензивне процесе као што су намотавање и лемљење, што отежава смањење трошкова једноставним средствима. Поред тога, резолверу је потребан наменски декодерски чип (РДЦ, претварач резолвер-дигитални) за обраду сигнала, што додаје знатне трошкове. Светска годишња производња чипова резолверских декодера за аутомобиле достиже десетине милиона јединица, са просечном продајном ценом од око 3,6 УСД по чипу.

У прошлости су овим тржиштем дуго доминирале стране компаније.  Пре него што је домаћа замена узела маха, увезени сензори резолвера коштали су преко 400 јуана по јединици, повећавајући трошкове возила и остављајући ланце снабдевања рањивим. Последњих година, кинеске компаније као што је Хуакуан Сенсинг постигле су суштинска технолошка открића, снизивши цене сензора са преко 400 јуана на око 100 јуана – само једну четвртину претходне цене. Домаћи произвођачи већ су ушли у ланце снабдевања великих произвођача аутомобила, укључујући САИЦ, БИД, Ли Ауто и КСПенг.

Смањење трошкова се наставља.  Током протекле деценије, продајне цене резолвера су у просеку пале за око 10% годишње. Смањење трошкова долази из два главна правца: прво, увођење индустријске аутоматизације у производњу, повећање годишње ефикасности за 20% и смањење трошкова производње; друго, пребацивање материјала са висококвалитетног силиконског челика са јапанског Ниппон Стеел-а на челик домаћег порекла из Баостеел-а и Схоуганг-а, користећи замене нижег квалитета које смањују трошкове материјала за 8%-10% годишње. Поред тога, појављују се решења за декодирање заснована на софтверу — коришћењем уграђених модула микроконтролера и софтверских алгоритама за декодирање сигнала без наменских декодерских чипова, драматично смањујући трошкове хардвера. Неке шеме су смањиле трошкове саставнице са преко 15 УСД на око 1,5 УСД.

В. Тежак компромис између тројице

Тачност, калибрација и цена нису независни; они међусобно делују и ограничавају једни друге — побољшање једног често долази на рачун другог.

Тежња  ка вишој прецизности  обично захтева прецизније производне процесе, боље материјале и сложеније структуралне дизајне — све то указује на  веће трошкове . Истовремено, резолвер високе прецизности захтева строжију прецизност инсталације, што повећава потешкоће и трошкове  калибрације.

Тежња  за нижим трошковима  може да примора на „снижавање квалитета“ материјала (нпр. замену високог квалитета силицијумским челиком нижег квалитета) или поједностављење процеса — што неизбежно угрожава  прецизност . На производној линији,  побољшање ефикасности калибрације  (да би се смањили трошкови) може жртвовати одређену прецизност калибрације, док гарантовање прецизности калибрације захтева више времена и опреме — опет повећава  трошкове.

Ово формира неку врсту 'немогућег троугла': прецизност, ефикасност (калибрација) и трошак је тешко постићи истовремено.

Због тога је индустрија истраживала различита решења. На пример, шема „ниске прецизности редундантног спајања са двоструким резолвером“ користи два јефтина резолвера заједно да би се постигло мерење високе прецизности. Други приступ — диференцијално декодирање положаја са двоструким узорковањем — побољшава тачност декодирања положаја за више од 80% без повећања трошкова хардвера. Такође, технологија самоучења нултог угла резолвера омогућава контролеру да аутоматски детектује и исправља нулте помаке. Сви ови покушаји покушавају да разбију крута ограничења троугла.

ВИ. Оутлоок: Нови путеви за разбијање троугла

Дугорочно гледано, троугао 'прецизност-калибрација-цена' сензора резолвера постепено се отвара.

Што се тиче  тачности , нови дизајн магнеторезистивних резолвера се континуирано оптимизује, а неки производи већ успешно решавају проблем ниске прецизности сензора положаја у моторима велике брзине, значајно повећавајући максималну брзину мотора и тачност контроле. У  калибрацији , методе компензације адаптивног предвиђања засноване на неуронској мрежи и аутоматизовани системи калибрације померају процес од „ручног искуства“ ка приступима „вођеним подацима“. Што се тиче  трошкова , талас домаће супституције је далеко од краја — локализација материјала, аутоматизација процеса и софтверско декодирање напредују паралелно, остављајући додатни простор за смањење трошкова.

Прича о сензорима резолвера је у суштини микрокосмос путовања индустрије нових енергетских возила од „функционалног“ до „одличног“ до „приступачног“. Компромис између тачности, калибрације и цене нема савршен одговор – само све ближе апроксимације кроз немилосрдну инжењерску оптимизацију. И управо у томе је права чар технолошког напретка.