Ba điểm khó khăn chính của cảm biến bộ phân giải EV: Sự cân bằng khó khăn giữa độ chính xác, hiệu chuẩn và chi phí

I. Cảm biến giải quyết là gì?

Trong động cơ truyền động của xe điện, có một bộ phận đơn giản nhưng quan trọng—máy biến áp quay, thường được gọi là 'bộ phân giải .' Nó thường được mô tả là 'mắt' và 'tai' của hệ thống điều khiển động cơ.

Bộ phân giải là một cảm biến góc tương tự hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Cấu trúc của nó tương đối đơn giản: nó bao gồm một stato và một rôto. Stator mang một cuộn dây kích thích và cuộn dây phát hiện sin/cos, trong khi rôto được gắn đồng trục trên trục động cơ. Khi bộ điều khiển động cơ cấp tín hiệu AC vào cuộn dây kích thích, chuyển động quay của rôto sẽ làm thay đổi khớp nối từ, tạo ra tín hiệu điện áp trong cuộn dây hình sin và cos thay đổi theo góc. Bằng cách đo biên độ của hai tín hiệu này, có thể tính toán chính xác vị trí tuyệt đối của rôto và hướng quay.

Ngày nay, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong bộ truyền động lực kéo EV và việc điều khiển chúng phụ thuộc rất nhiều vào phản hồi vị trí rôto chính xác. Về bản chất, mọi tín hiệu góc phát ra bởi bộ phân giải đều ảnh hưởng trực tiếp đến công suất mô-men xoắn, khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ cũng như sự an toàn và êm ái khi lái xe tổng thể của xe.

Tuy nhiên, cảm biến của bộ phân giải phải đối mặt với ba điểm yếu không thể tránh khỏi trong các ứng dụng thực tế—độ chính xác, hiệu chuẩn và chi phí—tạo thành mối quan hệ đánh đổi phức tạp.

II. Điểm yếu 1: Độ chính xác—Một sai sót lớn như một dặm

Độ chính xác của bộ phân giải quyết định trực tiếp đến chất lượng điều khiển động cơ. Nếu sai số góc quá lớn, nó có thể gây ra hiện tượng giật động cơ, tăng tốc chậm, tiếng ồn bất thường hoặc thậm chí các vấn đề nghiêm trọng như tăng tốc không kiểm soát được hoặc không khởi động được. Thật không may, việc đảm bảo độ chính xác của trình phân giải không hề đơn giản.

Đầu tiên, nguồn lỗi rất nhiều và phức tạp.  Lỗi về độ chính xác của bộ giải xuất phát từ ba cấp độ chính: lỗi thiết kế (chẳng hạn như lỗi cầu phương và lỗi biên độ), lỗi quy trình sản xuất (chẳng hạn như lỗi vị trí 0) và lỗi cài đặt/sử dụng (chẳng hạn như lỗi vị trí 0 do lệch tâm gây ra). Trong số này, độ lệch tâm lắp đặt là một vấn đề phổ biến—khi tâm của rôto bộ phân giải và stato không thẳng hàng với tâm rôto động cơ, thì giá trị đỉnh của tín hiệu sin/cos trở nên không nhất quán giữa các nửa chu kỳ, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo. Hơn nữa, môi trường nhiệt độ cao bên trong động cơ có xu hướng làm trầm trọng thêm các vấn đề về độ lệch tâm.

Thứ hai, độ chính xác giảm mạnh ở tốc độ cao.  Khi tốc độ động cơ EV tiếp tục tăng lên, giới hạn của bộ phân giải ở tốc độ quay cao ngày càng trở nên rõ ràng. Hiện tại, tốc độ động cơ phổ thông dao động từ 16.000 đến 21.000 vòng/phút và sự gia tăng của nền tảng điện áp cao đã đẩy tốc độ tối đa vượt quá 30.000 vòng/phút. Tần số tín hiệu kích thích của bộ phân giải thường là 10 kHz. Ở tốc độ cực cao, số chu kỳ sóng cơ bản thu được giảm đáng kể—ở tốc độ 20.000 vòng/phút, tín hiệu khả dụng chỉ bằng một phần tư số đó ở tốc độ 5.000 vòng/phút. Tín hiệu góc được trang bị sau đó lệch đáng kể so với góc thực. Hầu hết các bộ phân giải hiện tại đều yêu cầu độ chính xác góc trong phạm vi ±33′ (góc cơ học, 4 cặp cực), trong khi nhu cầu của ngành về độ chính xác cao đã đạt tới ±22,5′.

Hơn nữa, nhiễu điện từ là yếu tố tiêu diệt độ chính xác lớn.  Từ trường của chính động cơ tốc độ cao, cùng với hoạt động chuyển mạch của IGBT trong bộ điều khiển điện, tạo ra nhiễu điện từ làm cản trở đường truyền tín hiệu của bộ phân giải. Tần số kích thích 10 kHz của bộ phân giải trùng với tần số chuyển mạch IGBT, do đó nhiễu chuyển mạch IGBT có thể dễ dàng ảnh hưởng đến sóng mang ban đầu, gây ra biến dạng trong tín hiệu giải điều chế và làm giảm độ chính xác góc hơn nữa.

III. Vấn đề thứ 2: Hiệu chuẩn—Mỗi động cơ đều là duy nhất

Nếu độ chính xác là 'hiến pháp' bẩm sinh của người phân giải, thì hiệu chỉnh là 'tinh chỉnh' sau khi ra đời. Mọi bộ phân giải phải được hiệu chỉnh sau khi sản xuất; nếu không thì ngay cả độ chính xác tốt nhất cũng vô dụng.

Tại sao việc hiệu chuẩn là bắt buộc?  Bộ phân giải đo góc cơ học, nhưng điều khiển hướng trường của động cơ yêu cầu góc điện. Góc cơ học 0° của bộ phân giải không bằng góc điện 0° của cực từ của động cơ—do dung sai gia công và lắp ráp không thể tránh khỏi, vị trí tương đối thay đổi tùy theo động cơ. Nếu không hiệu chỉnh, bộ điều khiển sẽ tính sai góc. Nhiệm vụ cốt lõi của việc hiệu chuẩn rất đơn giản: xác định độ lệch cố định giữa vị trí 0 của bộ phân giải và vị trí 0 cực từ của rôto động cơ, ghi nó vào bộ điều khiển và đạt được sự căn chỉnh điểm 0 chính xác.

Bản thân việc hiệu chuẩn đã là một thách thức.  Hiệu chuẩn truyền thống dựa vào thao tác thủ công—sử dụng máy hiện sóng để đưa bộ phân giải về mức 0 theo cách thủ công, việc này tốn thời gian và thường không đủ chính xác. Khi khối lượng sản xuất tăng lên, việc hiệu chuẩn nội tuyến tự động đã trở thành tiêu chuẩn: động cơ được cố định trên bàn thử nghiệm và máy tính chủ sẽ gửi các lệnh hiệu chuẩn để tự động thực hiện tìm kiếm số 0. Tuy nhiên, hiệu chuẩn tự động cũng gặp khó khăn: thời gian hiệu chuẩn lâu và độ chính xác không nhất quán. Một số tài liệu bằng sáng chế chỉ ra rõ ràng rằng các phương pháp hiệu chuẩn độ lệch bằng 0 của bộ phân giải hiện tại có 'thời gian dài và độ chính xác kém.' Cải thiện hiệu quả hiệu chuẩn trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác là một vấn đề nan giải thực tế trên dây chuyền sản xuất.

Độ chính xác hiệu chuẩn cũng bị hạn chế bởi thiết bị đo lường.  Hiệu chuẩn đo góc tĩnh và động của các bộ phân giải yêu cầu các thiết bị tham chiếu có độ chính xác cao, chẳng hạn như bàn quay, cách tử tròn và máy chuẩn trực tự động quang điện. Những thiết bị này đắt tiền, làm tăng thêm đầu tư vào hiệu chuẩn. Trong những năm gần đây, các máy phân tích độ phân giải tích hợp kết hợp chức năng của một số thiết bị truyền thống đã xuất hiện, giúp giảm 70% chi phí thiết bị. Tuy nhiên, hiệu chuẩn vẫn là một chi phí đáng kể về thời gian và tiền bạc trong các ứng dụng giải quyết.

IV. Điểm đau 3: Chi phí—Trò chơi từ 400 Nhân dân tệ đến 100 Nhân dân tệ

Trong số ba điểm khó khăn, chi phí là điểm có 'thực tế kinh doanh' ngay lập tức nhất.

Cấu trúc chi phí của một bộ phân giải là đặc biệt.  Chi phí vật liệu bị chi phối bởi tấm thép silicon. Thiết bị này có thiết kế phức tạp và khó sản xuất, bao gồm các quy trình sử dụng nhiều lao động như cuộn dây và hàn, khiến việc giảm chi phí bằng các phương pháp đơn giản trở nên khó khăn. Ngoài ra, bộ phân giải yêu cầu một chip giải mã chuyên dụng (RDC, bộ chuyển đổi bộ phân giải sang số) để xử lý tín hiệu, điều này làm tăng thêm chi phí đáng kể. Sản lượng chip giải mã độ phân giải cấp ô tô hàng năm trên toàn cầu đạt hàng chục triệu chiếc, với giá bán trung bình khoảng 3,6 USD mỗi chip.

Trước đây, thị trường này từ lâu đã bị chi phối bởi các công ty nước ngoài.  Trước khi sự thay thế trong nước bắt đầu, các cảm biến phân giải nhập khẩu có giá hơn 400 nhân dân tệ mỗi chiếc, làm tăng chi phí phương tiện và khiến chuỗi cung ứng dễ bị tổn thương. Trong những năm gần đây, các công ty Trung Quốc như Huaxuan Sensing đã đạt được những đột phá công nghệ cốt lõi, giảm giá cảm biến từ hơn 400 nhân dân tệ xuống còn khoảng 100 nhân dân tệ, chỉ bằng 1/4 so với giá trước đây. Các nhà phân giải trong nước đã tham gia vào chuỗi cung ứng của các nhà sản xuất ô tô lớn bao gồm SAIC, BYD, Li Auto và XPeng.

Việc giảm chi phí vẫn tiếp tục.  Trong thập kỷ qua, giá bán máy phân giải đã giảm trung bình khoảng 10% mỗi năm. Việc giảm chi phí đến từ hai hướng chính: thứ nhất, đưa tự động hóa công nghiệp vào sản xuất, nâng hiệu suất hàng năm lên 20% và giảm chi phí sản xuất; thứ hai, chuyển nguyên liệu từ thép silicon cao cấp của Nippon Steel của Nhật Bản sang thép có nguồn gốc trong nước từ Baosteel và Shougang, sử dụng các sản phẩm thay thế cấp thấp hơn giúp giảm chi phí nguyên vật liệu từ 8% -10% mỗi năm. Ngoài ra, các giải pháp giải mã dựa trên phần mềm đang nổi lên—sử dụng các mô-đun vi điều khiển tích hợp và thuật toán phần mềm để giải mã tín hiệu mà không cần chip giải mã chuyên dụng, giúp cắt giảm đáng kể chi phí phần cứng. Một số chương trình đã giảm chi phí BOM từ hơn 15 USD xuống còn khoảng 1,5 USD.

V. Sự đánh đổi khó khăn giữa ba điều

Độ chính xác, hiệu chuẩn và chi phí không độc lập; chúng tương tác và hạn chế lẫn nhau—việc cải thiện cái này thường gây thiệt hại cho cái khác.

Việc theo đuổi  độ chính xác cao hơn  thường đòi hỏi quy trình sản xuất chính xác hơn, vật liệu tốt hơn và thiết kế kết cấu phức tạp hơn - tất cả đều dẫn đến  chi phí cao hơn . Đồng thời, bộ phân giải có độ chính xác cao yêu cầu độ chính xác cài đặt chặt chẽ hơn, điều này làm tăng độ khó và chi phí  hiệu chuẩn.

Việc theo đuổi  chi phí thấp hơn  có thể buộc các vật liệu phải 'hạ cấp' (ví dụ: thay thế thép silicon cấp cao bằng thép silicon cấp thấp hơn) hoặc đơn giản hóa các quy trình—điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến  độ chính xác . Trên dây chuyền sản xuất,  việc nâng cao hiệu quả hiệu chuẩn  (để giảm chi phí) có thể hy sinh một số độ chính xác hiệu chuẩn, trong khi việc đảm bảo độ chính xác hiệu chuẩn đòi hỏi nhiều thời gian và thiết bị hơn—một lần nữa làm tăng  chi phí.

Điều này tạo thành một loại 'tam giác không thể': độ chính xác, hiệu quả (hiệu chuẩn) và chi phí khó đạt được đồng thời.

Đó là lý do tại sao ngành công nghiệp đã khám phá nhiều giải pháp khác nhau. Ví dụ: sơ đồ 'khớp dự phòng bộ phân giải kép có độ chính xác thấp' sử dụng hai bộ phân giải chi phí thấp cùng nhau để đạt được phép đo có độ chính xác cao. Một cách tiếp cận khác—giải mã vị trí vi phân lấy mẫu kép—cải thiện độ chính xác của việc giải mã vị trí lên hơn 80% mà không làm tăng chi phí phần cứng. Ngoài ra, công nghệ tự học góc 0 của bộ phân giải cho phép bộ điều khiển tự động phát hiện và hiệu chỉnh độ lệch 0. Những nỗ lực này đều nhằm mục đích phá vỡ những ràng buộc cứng nhắc của tam giác.

VI. Triển vọng: Những con đường mới để phá vỡ tam giác

Về lâu dài, tam giác 'độ chính xác-hiệu chuẩn-chi phí' của các cảm biến của bộ phân giải đang dần được mở ra.

Về  độ chính xác , các thiết kế bộ phân giải từ điện trở mới liên tục được tối ưu hóa, với một số sản phẩm đã giải quyết thành công vấn đề độ chính xác thấp của cảm biến vị trí trong động cơ tốc độ cao, nâng cao đáng kể tốc độ động cơ tối đa và độ chính xác điều khiển. Trong  hiệu chuẩn , các phương pháp bù dự đoán thích ứng dựa trên mạng thần kinh và hệ thống hiệu chỉnh tự động đang chuyển quy trình từ 'trải nghiệm thủ công' sang phương pháp tiếp cận 'dựa trên dữ liệu'. Về  chi phí , làn sóng thay thế trong nước còn lâu mới kết thúc—nội địa hóa vật liệu, tự động hóa quy trình và giải mã dựa trên phần mềm đang tiến triển song song, tạo thêm cơ hội cho việc giảm chi phí.

Câu chuyện về cảm biến độ phân giải về cơ bản là một mô hình thu nhỏ trong hành trình của ngành công nghiệp xe năng lượng mới từ 'chức năng' đến 'xuất sắc' đến 'giá cả phải chăng.'. Sự cân bằng giữa độ chính xác, hiệu chuẩn và chi phí không có câu trả lời hoàn hảo—chỉ có những giá trị gần đúng ngày càng gần hơn thông qua tối ưu hóa kỹ thuật không ngừng. Và đó chính xác là sức hấp dẫn thực sự của tiến bộ công nghệ.