Три головні недоліки датчиків EV Resolver: складний компроміс між точністю, калібруванням і вартістю

I. Що таке датчик резольвера?

У приводному двигуні електромобіля є невибагливий, але важливий компонент — обертовий трансформатор, широко відомий як 'резольвер .' Його часто описують як 'очі' і 'вуха' системи керування двигуном.

Резолвер - це аналоговий кутовий датчик, який працює за принципом електромагнітної індукції. Його конструкція відносно проста: він складається зі статора і ротора. Статор містить котушку збудження та котушки визначення синуса/косинуса, а ротор коаксіально встановлений на валу двигуна. Коли контролер двигуна подає сигнал змінного струму на котушку збудження, обертання ротора змінює магнітний зв’язок, індукуючи сигнали напруги в синусних і косинусних котушках, які змінюються залежно від кута. Вимірюючи амплітуди цих двох сигналів, можна точно розрахувати абсолютне положення ротора та напрямок обертання.

Сьогодні синхронні двигуни з постійними магнітами широко використовуються в тягових приводах електромобілів, і їх керування значною мірою залежить від точного зворотного зв’язку щодо положення ротора. По суті, кожен вихід кутового сигналу від резольвера безпосередньо впливає на вихідний крутний момент двигуна, регулювання швидкості та загальну безпеку та плавність руху автомобіля.

Однак датчики резольвера стикаються з трьома неминучими проблемними моментами в практичних застосуваннях — точністю, калібруванням і ціною, — які утворюють складні компромісні відносини.

II. Болісна точка 1: Точність — промах сягає милі

Точність резольвера безпосередньо визначає якість управління двигуном. Якщо кутова похибка занадто велика, це може спричинити тремтіння двигуна, повільне прискорення, ненормальний шум або навіть серйозні проблеми, такі як неконтрольоване прискорення або неможливість запуску. На жаль, забезпечити точність резольвера далеко не просто.

По-перше, джерела помилок численні та складні.  Помилки точності резольвера виникають на трьох основних рівнях: помилки проектування (такі як квадратурна помилка та помилка амплітуди), помилки виробничого процесу (такі як помилка нульового положення) та помилки встановлення/використання (такі як помилка нульового положення, спричинена ексцентриситетом). Серед них поширеною проблемою є ексцентриситет встановлення — коли центри ротора резольвера та статора не збігаються з центром ротора двигуна, пікові значення сигналів синуса/косинуса стають неузгодженими між півперіодами, що безпосередньо погіршує точність вимірювання. Крім того, високотемпературне середовище всередині двигуна має тенденцію посилювати проблеми ексцентриситету.

По-друге, на високих швидкостях різко погіршується точність.  Оскільки швидкість електродвигуна продовжує зростати, обмеження резольвера на високих швидкостях обертання стають все більш очевидними. В даний час частота обертів основних двигунів коливається від 16 000 до 21 000 об/хв, а розвиток високовольтних платформ підштовхнув максимальну швидкість до 30 000 об/хв. Частота сигналу збудження резольвера зазвичай становить 10 кГц. На надвисоких швидкостях кількість зафіксованих циклів основної хвилі різко падає — при 20 000 об/хв доступний сигнал становить лише одну чверть сигналу при 5000 об/хв. Сигнал підігнаного кута тоді значно відхиляється від справжнього кута. Більшість сучасних резольверів вимагають кутової точності в межах ±33′ (механічний кут, 4 пари полюсів), тоді як вимоги промисловості до високої точності вже досягли ±22,5′.

Крім того, електромагнітні перешкоди є головним вбивцею точності.  Магнітні поля самого високошвидкісного двигуна разом із діями перемикання IGBT в електричному блоці керування створюють електромагнітний шум, який заважає шляху передачі сигналу резольвера. Частота збудження 10 кГц резольвера збігається з частотою перемикання IGBT, тому шум перемикання IGBT може легко впливати на вихідну несучу хвилю, викликаючи спотворення демодульованого сигналу та подальше погіршення кутової точності.

III. Проблема 2: Калібрування — кожен двигун унікальний

Якщо точність є вродженою 'конституцією', тоді калібрування є 'тонким налаштуванням' після народження. Кожен резольвер повинен бути відкалібрований після виробництва; інакше навіть найкраща точність марна.

Чому калібрування є обов'язковим?  Резолвер вимірює механічний кут, але орієнтоване на поле керування двигуном вимагає електричного кута. Механічний кут 0° резольвера не дорівнює електричному куту 0° магнітного полюса двигуна — через неминучі допуски на обробку та складання відносне положення змінюється від двигуна до двигуна. Без калібрування контролер обчислює неправильний кут. Основне завдання калібрування просте: визначити фіксований зсув між нульовим положенням резольвера та нульовим положенням магнітного полюса ротора двигуна, записати його в контролер і досягти точного вирівнювання нуля.

Калібрування саме по собі є проблемою.  Традиційне калібрування покладається на ручну операцію — використання осцилографа для ручного обнулення резольвера, що займає багато часу та часто є недостатньо точним. Зі збільшенням обсягів виробництва автоматичне калібрування всередині стало нормою: двигун закріплюється на випробувальному стенді, а головний комп’ютер надсилає команди калібрування для автоматичного пошуку нуля. Однак автоматичне калібрування також стикається з труднощами: тривалий час калібрування та непостійна точність. Деякі патентні літератури прямо вказують на те, що існуючі методи калібрування нульового зсуву резольвера страждають від «довготривалості та низької точності». Підвищення ефективності калібрування при забезпеченні точності є практичною дилемою на виробничій лінії.

Точність калібрування також обмежена вимірювальним обладнанням.  Статичне та динамічне калібрування резольверів для вимірювання кутів вимагає високоточних еталонних пристроїв, таких як поворотні столи, круглі решітки та фотоелектричні автоколіматори. Ці прилади є дорогими, що додатково збільшує інвестиції в калібрування. Останніми роками з’явилися комплексні аналізатори резольвера, які поєднують функції кількох традиційних приладів, що дозволяє знизити вартість обладнання на 70%. Тим не менш, калібрування залишається значною витратою часу та грошей у додатках резольвера.

IV. Pain Point 3: Вартість — гра від 400 до 100 юанів

Серед трьох болючих точок вартість є тією, яка найбільше відповідає «бізнес-реальності».

Структура вартості резольвера особлива.  У витратах на матеріали переважають силіконові сталеві листи. Пристрій є складним для розробки та важким у виготовленні, що включає трудомісткі процеси, такі як намотування та паяння, що ускладнює зниження витрат простими засобами. Крім того, для обробки сигналів резольверу потрібна спеціальна мікросхема декодера (RDC, перетворювач резольвера в цифровий), що додає значні витрати. Глобальне річне виробництво чіпів-декодерів автомобільного класу сягає десятків мільйонів одиниць із середньою ціною продажу близько 3,6 доларів США за чіп.

У минулому на цьому ринку тривалий час домінували іноземні компанії.  До того, як внутрішня заміна розпочалася, імпортні датчики резольвера коштували понад 400 юанів за одиницю, що збільшувало витрати на транспортні засоби та залишало вразливими ланцюжки поставок. В останні роки китайські компанії, такі як Huaxuan Sensing, досягли основних технологічних проривів, знизивши ціни на датчики з понад 400 юанів до приблизно 100 юанів — лише чверть від колишньої ціни. Домашні резольвери вже увійшли в ланцюги поставок великих автовиробників, включаючи SAIC, BYD, Li Auto та XPeng.

Зниження витрат триває.  За останнє десятиліття відпускні ціни на резольвер падали в середньому приблизно на 10% щорічно. Зменшення витрат відбувається за двома основними напрямками: по-перше, впровадження промислової автоматизації у виробництво, підвищення річної ефективності на 20% і зниження виробничих витрат; по-друге, перехід матеріалів із високоякісної кремнієвої сталі від японської Nippon Steel на вітчизняні сталі від Baosteel і Shougang, використовуючи замінники нижчого класу, що знижує витрати на матеріали на 8%-10% на рік. Крім того, з’являються програмні рішення для декодування, які використовують вбудовані модулі мікроконтролерів і програмні алгоритми для декодування сигналів без спеціальних чіпів декодера, що значно скорочує витрати на обладнання. Деякі схеми зменшили витрати на специфікацію з понад 15 доларів США до приблизно 1,5 доларів США.

V. Важкий компроміс між трьома

Точність, калібрування та вартість не є незалежними; вони взаємодіють і обмежують одне одного — покращення одного часто відбувається за рахунок іншого.

Прагнення  до вищої точності  зазвичай вимагає більш точних виробничих процесів, кращих матеріалів і складніших конструкцій — усе це вказує на  вищі витрати . У той же час високоточний резольвер вимагає суворішої точності установки, що збільшує складність і вартість  калібрування.

Прагнення  знизити витрати  може змусити «понизити» матеріали (наприклад, замінити високоякісну кремнієву сталь нижчого сорту) або спростити процеси, що неминуче погіршить  точність . На виробничій лінії  підвищення ефективності калібрування  (з метою зменшення витрат) може призвести до певної часткової втрати точності калібрування, тоді як гарантування точності калібрування вимагає більше часу та обладнання, що знову підвищує  вартість.

Це утворює такий собі 'неможливий трикутник': точність, ефективність (калібрування) і вартість важко досягти одночасно.

Ось чому галузь досліджує різні рішення. Наприклад, схема «надлишкового зв’язку з подвійним резольвером із низькою точністю» використовує разом два недорогі резольвери для досягнення високоточного вимірювання. Інший підхід — диференціальне декодування позиції з подвійною дискретизацією — покращує точність декодування позиції більш ніж на 80% без збільшення вартості обладнання. Крім того, технологія самонавчання нульового кута резольвера дозволяє контролеру автоматично виявляти та виправляти зміщення нуля. Усі ці спроби намагаються порушити жорсткі обмеження трикутника.

VI. Перспектива: нові шляхи розірвання трикутника

У довгостроковій перспективі трикутник 'точність-калібрування-вартість' датчиків резольвера поступово розкривається.

З точки зору  точності , нові конструкції магніторезистивного резольвера постійно оптимізуються, при цьому деякі продукти вже успішно вирішують проблему низької точності датчиків положення у високошвидкісних двигунах, значно підвищуючи максимальну швидкість двигуна та точність керування. У  калібруванні адаптивні методи компенсації передбачення на основі нейронної мережі та автоматизовані системи калібрування переміщують процес від «ручного досвіду» до підходів, «керованих даними». Що стосується  вартості , хвиля внутрішнього заміщення далека від завершення — локалізація матеріалів, автоматизація процесів і програмне декодування розвиваються паралельно, залишаючи додаткові можливості для зниження витрат.

Історія датчиків резольвера — це, по суті, мікросвіт шляху індустрії транспортних засобів з новою енергією від 'функціонального' до 'відмінного' до 'доступного'. Компроміс між точністю, калібруванням і вартістю не має ідеальної відповіді — лише дедалі ближчі наближення через невпинну інженерну оптимізацію. І саме в цьому полягає справжня принадність технічного прогресу.