تحليل تشويه إشارة Sin/Cos في أجهزة الحل من النوع المتردد تحت مستشعر التداخل الكهرومغناطيسي القوي -EV

في تطبيقات مثل المحركات الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة والماكينات الصناعية، من النوع الممانع أجهزة الحل على نطاق واسع كأجهزة استشعار لموضع الدوار للمحرك. تُستخدم إنها لا تحتوي على رقائق أشباه الموصلات، وتتحمل درجات الحرارة العالية، وتقاوم الاهتزاز - تبدو 'قاسية' للغاية. ومع ذلك، يواجه العديد من المهندسين مشكلة محيرة في الموقع: بمجرد زيادة قوة المحرك وارتفاع تردد تبديل PWM، تتطور إشارات خرج الجيب/جيب التمام الخاصة بالمحلل إلى مواطن الخلل، والسطح المسطح، وتشويه الغلاف، وغيرها من الحالات الشاذة، مما يؤدي إلى ارتعاش الزاوية، وتموج عزم الدوران، وحتى أخطاء وحدة التحكم.

I. كيف تبدو إشارة الجيب/جيب التمام العادية؟

هيكل محلل من النوع الممانعة بسيط نسبيًا: الجزء الثابت يحمل ملف إثارة ولفيتين خرج متعامدتين مكانيًا، في حين أن الجزء الدوار مصنوع من أعمدة بارزة من الصلب والسيليكون ذات شكل خاص بدون ملفات. يتم تطبيق الإثارة الجيبية عالية التردد على ملف الإثارة:

عندما يدور الجزء المتحرك بزاوية θ ، فإن ملفي الخرج يتولدان على التوالي:

ومن الناحية العملية، تكون كل إشارة تفاضلية، على سبيل المثال، S1-S3 وS2-S4. كما يمكن أن نرى، فإن خرج وحدة الحل عبارة عن موجة حاملة عالية التردد يتم تعديل اتساعها بواسطة زاوية الدوار  θ  . على راسم الذبذبات، تظهر أشكال الموجات على شكل غلافين يختلفان باختلاف الزاوية مثل جيب التمام وجيب التمام، على التوالي.

تقوم شريحة فك التشفير - محول المحلل إلى الرقمي (RDC) - بتعديل هذه الإشارات واستخراج الأظرف وحساب الزاوية عبر  

ثانيا. من أين يأتي التداخل الكهرومغناطيسي القوي؟

عادة ما يتم تركيب المحلل في نهاية المحرك، محاطًا ببيئة تداخل كهرومغناطيسي قوية نموذجية:

·  التبديل عالي السرعة لـ IGBTs/MOSFETs : عادة ما يكون تردد الموجة الحاملة PWM لوحدة التحكم في المحرك في نطاق بضعة كيلو هرتز إلى عشرات كيلو هرتز، لكن حواف التبديل لا تتجاوز عشرات إلى مئات النانو ثانية، مع أطياف تمتد حتى عشرات ميجاهرتز.

·  قضبان التوصيل الكهربائية وكابلات الطور : التغيرات السريعة في التيار العالي والجهد العالي تولد مجالات كهربائية ومغناطيسية قوية.

·  عمليات الكونتاكتور والمرحل : إنتاج نبضات قوسية وعابرة.

·  محولات الطاقة : التموج والتوافقيات الناتجة عن تبديل مصادر الطاقة.

بمجرد اقتران هذه التداخلات بخطوط إشارة المحلل، فإنها تتراكب على إشارات الجيب/جيب التمام النظيفة.

ثالثا. كيف يدخل التداخل إلى سلسلة الإشارة

هناك أربعة مسارات رئيسية يدخل من خلالها التداخل إلى سلسلة إشارة المحلل:

1. الاقتران الإشعاعي
تعمل خطوط الطاقة وعقد التبديل مثل هوائيات الإرسال، في حين تعمل أسلاك جهاز الحل مثل هوائيات الاستقبال. عندما يتم توجيه أحزمة المحلل بالتوازي مع كابلات الطاقة، فإن المجالات الكهرومغناطيسية عالية التردد تحفز الفولتية مباشرة على الأحزمة.

2. يدخل تداخل الاقتران الموصل
إلى نظام المحلل من خلال خطوط إمداد طاقة الإثارة أو مصدر طاقة لوحة فك التشفير، ثم يقترن في جانب الإشارة.

3. اختلافات الجهد الأرضي
تتسبب التيارات الكبيرة في انخفاض الجهد على الآثار الأرضية أو العلب المعدنية، مما يخلق إمكانات أرضية غير متساوية بين طرف وحدة التحليل ونهاية وحدة فك التشفير، مما يشكل جهدًا مشتركًا.

4. الحديث المتبادل بين الخطوط
عندما تعمل أحزمة المحلل بالتوازي مع كابلات الطور، وأشرطة التوصيل، وما إلى ذلك، فإن السعة الطفيلية والمحاثة المتبادلة بين الخطوط تتداخل مع بعضها البعض.

رابعا. المظاهر النموذجية للتشويه

على راسم الذبذبات، قد تظهر إشارات الجيب/جيب التمام تحت EMI القوي في الأشكال التالية.

1. تراكب خلل عالي التردد
تظهر مسامير ورنين متزامنة مع حواف PWM على الناقل. وذلك لأن التيارات عالية التردد المتولدة أثناء لحظات التبديل تقترن بخطوط الإشارة من خلال السعة الطفيلية. قد تصل سعات الخلل إلى عشرات الميلي فولت أو حتى مئات الميلي فولت، في حين أن اتساع الإشارة التفاضلية العادية تكون عادةً بضعة فولتات فقط، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).

2. الوضع المشترك لضوضاء الوضع التفاضلي
الإشارات التفاضلية حساسة نظريًا فقط لفرق الجهد بين السلكين ولها قدرة الرفض ضد تداخل الوضع المشترك. ومع ذلك، فإن الكابلات والموصلات وشبكات التصفية الفعلية لا تكون متماثلة تمامًا على الإطلاق. عندما يدخل تداخل الوضع المشترك عالي التردد، يتم تحويل جزء منه إلى جهد الوضع التفاضلي ويتم تثبيته على إشارات الجيب/جيب التمام. غالبًا ما تظهر هذه الضوضاء على شكل 'ضجيج' دوري على الظرف.

3. القطع والتشبع
عندما يكون سعة التداخل كبيرًا، وتتجاوز ذروة الإشارة المتراكبة نطاق إدخال RDC أو قضبان إمداد op-amp، يتم 'قص' قمم شكل الموجة. يؤدي القطع مباشرة إلى تدمير غلاف sin/cos، مما يتسبب في أخطاء غير خطية شديدة في الزاوية التي تم فك تشفيرها.

4. انجراف إزاحة التيار المستمر
قد تتسبب مكونات التردد المنخفض في التداخل، أو تيارات الحلقة الأرضية، أو تأثيرات التصحيح في إزاحة التيار المستمر في الإشارة، مما يجعل شكل الموجة غير متماثل. يفترض فك تشفير RDC عادةً إشارات تيار متردد نقية؛ يؤدي الإزاحة إلى أخطاء الزاوية وتموج السرعة.

5. التشوه التوافقي
عدم الخطية للمواد المغناطيسية والتشكيل البيني بين التداخل وحامل الإثارة يولد مكونات توافقية. بمجرد دخول التوافقيات إلى RDC، قد يتم إزالة تشكيلها إلى أخطاء توافقية عالية الترتيب في الزاوية، والتي تظهر على شكل تموج عزم الدوران أو الضوضاء.

6. اختلال توازن سعة جيب التمام/جيب التمام وتحول الطور
إذا كان مساري الإشارة لـ sin وcos لهما معلمات مرشح مختلفة، أو أطوال كابل، أو ممانعات تلامس الموصل، فإن القناتين تتأثران بشكل مختلف في ظل التداخل القوي، مما يؤدي إلى عدم تطابق السعة أو تحول الطور. يحسب RDC الزاوية بناءً على sinθ/cosθ؛ يؤدي عدم توازن السعة أو الطور إلى حدوث أخطاء في الزاوية بشكل مباشر.

V. تأثير التشويه على النظام

تشويه الإشارة ليس مجرد 'مشكلة بصرية' على راسم الذبذبات؛ وينعكس بشكل مباشر على أداء النظام:

·  اهتزاز زاوية الخرج : تتسبب الضوضاء التي تمت إزالة تشكيلها بواسطة RDC في حدوث اهتزاز عالي التردد في قيمة الزاوية، مما يؤدي إلى تضخيم ضوضاء ردود الفعل السريعة.

·  أخطاء الزاوية الدورية : يتسبب تشويه الغلاف والتوافقيات في حدوث أخطاء زاوية تختلف بشكل دوري مع موضع الجزء الدوار، مما يؤدي إلى تقلبات تيار المحور dq وتموج عزم الدوران.

·  الأخطاء وفقدان القفل : قد يؤدي التداخل الشديد إلى فقدان حلقة تتبع RDC للقفل، مما يؤدي إلى قفزات زاوية وتحفيز الحماية من التيار الزائد أو الجهد الزائد.

·  تدهور أداء النظام : في السيارات الكهربائية، قد يؤدي ذلك إلى انخفاض كفاءة المحرك، وزيادة الاهتزاز والضوضاء، وحتى تعريض سلامة السيارة للخطر.

سادسا. كيفية تحديد واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

في التصحيح العملي، يمكن للطرق التالية أن تحدد بسرعة ما إذا كانت إشارات وحدة الحل تتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي القوي:

·  استخدم  مجسات تفاضلية  لقياس S1-S3 وS2-S4، وتجنب المجسات ذات النهاية الواحدة التي قد تؤدي إلى حلقات أرضية.

·  مراقبة كل من إشارة الإثارة وإشارات الخرج في وقت واحد لتحديد ما إذا كان يتم إدخال التداخل من خلال جانب الإثارة.

·  قارن الأشكال الموجية مع المحرك الثابت مقابل التشغيل، ومع تشغيل PWM مقابل إيقاف التشغيل، لتحديد ما إذا كان التداخل ينشأ من دائرة الطاقة.

·  استخدم محول FFT الخاص بمرسمة الذبذبات لتحليل طيف التداخل والتحقق مما إذا كان يتزامن مع تردد الموجة الحاملة PWM أو توافقيات الحافة.

·  قياس جهد الوضع المشترك للخطين إلى الأرض لتقييم مستوى التداخل في الوضع المشترك.

سابعا. تدابير القمع

يتطلب قمع التشوه جهودًا متزامنة على ثلاث جبهات: مصدر التداخل، ومسار الاقتران، والمستقبل.

1. تحسين تسخير الأسلاك والتدريع

·  استخدم أزواجًا ملتوية محمية لخطوط إشارة المحلل، مع تأريض الدرع عند نقطة واحدة عند طرف وحدة فك التشفير لتجنب التكرارات الأرضية الناتجة عن التأريض المزدوج.

·  توجيه خطوط الإشارة بشكل منفصل عن كابلات الطاقة، مع تجنب المسارات المتوازية الطويلة. إذا كان العبور لا مفر منه، اعبرهما بشكل عمودي.

·  إذا لزم الأمر، استخدم قنوات معدنية أو درع مزدوج الطبقة لتحسين فعالية التدريع عالي التردد.

2. التصفية والحماية

·  أضف ملفات الاختناق ذات الوضع الشائع ومرشحات التمرير المنخفض RC عند مدخل RDC لقمع ضوضاء الوضع الشائع ومواطن الخلل عالية التردد.

·  يجب أن يكون تردد قطع المرشح أعلى من تردد إثارة جهاز التحليل مع تجنب تأخير الطور المفرط، والذي قد يؤدي إلى حدوث أخطاء زاوية جديدة.

·  إضافة أجهزة حماية مثل أنابيب TVS لمنع الجهد الزائد العابر من إتلاف دوائر جهاز فك التشفير.

3. التخطيط والتأريض

·  ضع لوحة فك التشفير في أقرب مكان ممكن من موصل المحلل لتقصير آثار الإشارة التناظرية.

·  فصل الأرض التناظرية عن أرض الطاقة، وربطهما في نقطة واحدة لمنع التيارات الكبيرة من التدفق عبر الأرض التناظرية.

·  انتبه إلى استمرارية الدرع في اختيار الموصل، مما يضمن عدم كسر الدرع عند الموصل.

4. علاج جانب الإثارة

·  استخدم أزواجًا ملتوية محمية لخطوط الإثارة أيضًا، وأضف التصفية إلى مصدر طاقة الإثارة.

·  تجنب مشاركة الموصلات أو الأسلاك بين إشارات الإثارة وكابلات الطاقة.

5. التدابير النظامية والخوارزمية

·  اختر شرائح RDC ذات القدرة القوية على مقاومة التداخل، مثل تلك التي تحتوي على إزالة التشكيل المتزامن والتصفية الرقمية.

·  في البرمجيات، يتم تطبيق التصفية وتحديد المعدل والتحقق من معقولية إشارة الزاوية لمنع نبضات التداخل الفردية من التسبب في حدوث خلل في التحكم.

·  تحسين معدلات تدفق حافة PWM وإضافة دوائر عازلة لتقليل التداخل عند المصدر.

ثامنا. خاتمة

يعتبر محلل المقاومة المغناطيسية بطبيعته مستشعرًا متينًا، ولكن مخرجات الجيب/جيب التمام الخاصة به عبارة عن إشارات تناظرية منخفضة المستوى تكون عرضة للتشويه في ظل EMI القوي. يعد فهم مصادر التداخل ومسارات الاقتران وتنفيذ الحماية والتصفية والتأريض والتخطيط المناسب أمرًا ضروريًا لضمان دقة وموثوقية ردود الفعل الزاوية.

بالنسبة للمهندسين، يعتبر الشكل الموجي الموجود على راسم الذبذبات هو أفضل 'تقرير صحي'. وكلما تم اكتشاف تشوه الإشارة مبكرًا، قل احتمال حدوث مشكلات في النظام.