Analýza zkreslení signálu Sin/Cos v reluktančních rozlišovačích při silném elektromagnetickém rušení – EV Resolver Sensor

V aplikacích, jako jsou elektrické pohony nových energetických vozidel a průmyslová serva, reluktančního typu resolvery jsou široce používány jako snímače polohy rotoru motoru. Neobsahují žádné polovodičové čipy, odolávají vysokým teplotám a vibracím – zdají se být velmi 'drsné'. Mnoho inženýrů však na místě narazí na záhadný problém: jakmile se zvýší výkon motoru a zvýší se spínací frekvence PWM, výstupní signály sinusového/kosinusového resolveru vyvinou závady, ploché překrytí, zkreslení obálkového úhlu a další anomálie, což vede dokonce ke zvlnění regulátoru krouticího momentu.

I. Jak vypadá sinusový/kosinusový signál normálního rozlišovače?

Konstrukce rezolveru reluktančního typu je poměrně jednoduchá: stator nese budicí vinutí a dvě prostorově ortogonální výstupní vinutí, zatímco rotor je vyroben ze speciálně tvarovaných vyčnívajících pólů z křemíkové oceli bez vinutí. Na budicí vinutí je aplikováno vysokofrekvenční sinusové buzení:

Když se rotor otáčí o úhel θ , dvě výstupní vinutí indukují příslušně:

V praxi je každý signál rozdílový, např. S1-S3 a S2-S4. Jak je vidět, výstup resolveru je vysokofrekvenční nosná, jejíž amplituda je modulována úhlem rotoru  θ  . Na osciloskopu se průběhy jeví jako dvě obálky, které se mění s úhlem jako sinus a kosinus.

Dekódovací čip – Resolver-to-Digital Converter (RDC) – demoduluje tyto signály, extrahuje obálky a vypočítává úhel pomocí  

II. Odkud pochází silné elektromagnetické rušení

Rezolver je obvykle namontován na konci motoru, obklopený typickým silným elektromagnetickým rušením:

·  Vysokorychlostní přepínání IGBT/MOSFETů : Nosná frekvence PWM ovladače motoru je obvykle v rozsahu několika kHz až desítek kHz, ale spínací hrany jsou pouze desítky až stovky nanosekund, se spektry dosahujícími až desítek MHz.

·  Napájecí přípojnice a fázové kabely : Rychlé změny vysokého proudu a vysokého napětí vytvářejí silná elektrická a magnetická pole.

·  Stykače a relé : Vytvářejí obloukové a přechodové impulsy.

·  Výkonové měniče : Zvlnění a harmonické ze spínaných zdrojů.

Jakmile se tyto interference spojí se signálovými vedeními resolveru, superponují se na jinak čisté sinusové/kosinové signály.

III. Jak rušení vstupuje do signálového řetězce

Existují čtyři hlavní cesty, kterými interference vstupuje do signálového řetězce resolveru:

1. Radiační vazba
Silová vedení a spínací uzly fungují jako vysílací antény, zatímco kabelové svazky resolveru fungují jako přijímací antény. Když jsou kabelové svazky resolveru vedeny paralelně k napájecím kabelům, vysokofrekvenční elektromagnetická pole indukují napětí přímo na svazcích.

2. Vodivá vazba Rušení
vstupuje do systému resolveru přes napájecí vedení buzení nebo napájení desky dekodéru a poté se spojuje na signálovou stranu.

3. Rozdíly zemního potenciálu
Velké proudy způsobují poklesy napětí na zemnicích nebo kovových pouzdrech, čímž se vytvářejí nestejné zemní potenciály mezi koncem resolveru a koncem dekodéru, čímž se tvoří napětí v běžném režimu.

4. Přeslechy mezi linkami
Když svazky resolveru běží paralelně s fázovými kabely, přípojnicemi atd., parazitní kapacita a vzájemná indukčnost mezi linkami přenášejí rušení.

IV. Typické projevy zkreslení

Na osciloskopu se sinusové/kosinové signály při silném EMI mohou objevit v následujících formách.

1. Vysokofrekvenční glitch superpozice
Na nosiči se objevují špičky a zvonění synchronizované s hranami PWM. Je to proto, že vysokofrekvenční proudy generované během spínacích momentů se spojují do signálových vedení prostřednictvím parazitní kapacity. Závadové amplitudy mohou dosahovat desítek mV nebo dokonce stovek mV, zatímco normální amplitudy diferenciálního signálu jsou typicky pouze několik voltů, což má za následek významný pokles SNR.

2. Šum mezi shodným a diferenciálním režimem
Diferenciální signály jsou teoreticky citlivé pouze na rozdíl napětí mezi dvěma vodiči a mají schopnost potlačit rušení shodného režimu. Skutečné kabely, konektory a filtrační sítě však nikdy nejsou dokonale symetrické. Když vstoupí vysokofrekvenční rušení v součinném režimu, jeho část se převede na napětí v diferenciálním režimu a superponuje se na sinusové/kosinové signály. Tento šum se na obálce často objevuje jako periodický 'fuzz'.

3. Oříznutí a saturace
Když je amplituda rušení velká a vrchol superponovaného signálu přesahuje vstupní rozsah RDC nebo napájecí kolejnice operačních zesilovačů, vrcholy tvaru vlny jsou 'oříznuty'. Ořezávání přímo ničí obálku sin/cos, což způsobuje vážné nelineární chyby v dekódovaném úhlu.

4. Posun DC offsetu
Nízkofrekvenční složky v rušení, proudy zemní smyčky nebo usměrňovací efekty mohou způsobit DC offset v signálu, čímž se tvar vlny stane asymetrickým. RDC dekódování typicky předpokládá čisté AC signály; offset vede k chybám úhlu a zvlnění rychlosti.

5. Harmonické zkreslení
Nelinearita magnetických materiálů a intermodulace mezi interferencí a budicí nosnou generují harmonické složky. Jakmile harmonické vstoupí do RDC, mohou být demodulovány na harmonické chyby vyššího řádu v úhlu, projevující se jako zvlnění točivého momentu nebo šum.

6. Nevyváženost amplitudy sinus/kosinus a fázový posun
Pokud mají dvě signálové cesty pro sin a cos různé parametry filtru, délky kabelů nebo impedance kontaktů konektoru, jsou oba kanály při silném rušení ovlivněny rozdílně, což má za následek nesoulad amplitudy nebo fázový posun. RDC vypočítá úhel na základě sinθ/cosθ; amplitudová nebo fázová nevyváženost přímo vytváří úhlové chyby.

V. Dopad zkreslení na systém

Zkreslení signálu není pouze 'vizuální problém' osciloskopu; to se přímo odráží na výkonu systému:

·  Jitter úhlu výstupu : Hluk demodulovaný RDC způsobuje vysokofrekvenční kolísání v hodnotě úhlu a zesiluje hluk zpětné vazby rychlosti.

·  Periodické úhlové chyby : Obálkové zkreslení a harmonické způsobují úhlové chyby, které se periodicky mění s polohou rotoru, což vede ke kolísání proudu v ose dq a zvlnění točivého momentu.

·  Chyby a ztráta uzamčení : Silné rušení může způsobit ztrátu uzamčení sledovací smyčky RDC, což má za následek skoky v úhlu a spuštění nadproudové nebo přepěťové ochrany.

·  Snížení výkonu systému : U elektrických vozidel to může vést ke snížené účinnosti motoru, zvýšeným vibracím a hluku a dokonce k ohrožení bezpečnosti vozidla.

VI. Jak identifikovat a řešit problémy

Při praktickém ladění mohou následující metody rychle určit, zda jsou signály resolveru ovlivněny silným EMI:

· K měření S1-S3 a S2-S4  používejte  diferenciální sondy  , vyhněte se sondám s jedním koncem, které mohou zavádět zemní smyčky.

·  Sledujte současně budicí signál i výstupní signály, abyste zjistili, zda je rušení zaváděno přes stranu buzení.

·  Porovnejte průběhy se stojícím motorem vs. běžícím a se zapnutým a vypnutým PWM, abyste zjistili, zda rušení pochází ze silového obvodu.

·  Použijte FFT osciloskopu k analýze interferenčního spektra a zkontrolujte, zda se shoduje s nosnou frekvencí PWM nebo hranovými harmonickými.

·  Změřte součinné napětí dvou linek vůči zemi, abyste posoudili úroveň souosého rušení.

VII. Opatření na potlačení

Potlačení zkreslení vyžaduje současné úsilí na třech frontách: zdroj rušení, spojovací cesta a přijímač.

1. Optimalizujte kabelový svazek a stínění

·  Pro signální vedení resolveru používejte stíněné kroucené dvoulinky se stíněním uzemněným v jednom bodě na konci dekodéru, aby se zabránilo zemním smyčkám způsobeným oboustranným uzemněním.

·  Signální vedení veďte odděleně od napájecích kabelů, vyhněte se dlouhým paralelním vedením; je-li křížení nevyhnutelné, přejeďte je kolmo.

·  V případě potřeby použijte kovové trubky nebo dvouvrstvé stínění pro zlepšení účinnosti vysokofrekvenčního stínění.

2. Filtrace a ochrana

·  Přidejte běžné tlumivky a RC nízkopropustné filtry na vstup RDC pro potlačení šumu v běžném režimu a vysokofrekvenčních závad.

·  Mezní frekvence filtru by měla být vyšší než frekvence buzení resolveru a zároveň se vyhnout nadměrnému fázovému zpoždění, které by jinak zavádělo nové úhlové chyby.

·  Přidejte ochranná zařízení, jako jsou elektronky TVS, abyste zabránili poškození obvodů dekodéru přechodným přepětím.

3. Uspořádání a uzemnění

·  Umístěte desku dekodéru co nejblíže ke konektoru resolveru, abyste zkrátili průběh analogového signálu.

·  Oddělte analogové uzemnění od silového uzemnění a připojte je v jednom bodě, aby se zabránilo protékání velkých proudů analogovým uzemněním.

·  Při výběru konektoru věnujte pozornost kontinuitě stínění a ujistěte se, že stínění není na konektoru porušeno.

4. Léčba excitační strany

·  Pro budicí vedení použijte také stíněné kroucené páry a do napájecího zdroje buzení přidejte filtrování.

·  Vyhněte se sdílení konektorů nebo svazků mezi budicími signály a napájecími kabely.

5. Systémová a algoritmická opatření

·  Vyberte si čipy RDC se silnou schopností proti rušení, jako jsou čipy s vestavěnou synchronní demodulací a digitálním filtrováním.

·  V softwaru aplikujte na úhlový signál filtrování, omezení rychlosti a věrohodnosti, abyste zabránili tomu, že jednotlivé rušivé impulsy způsobí anomálie řízení.

·  Optimalizujte rychlost přeběhu okraje PWM a přidejte odlehčovací obvody pro snížení rušení u zdroje.

VIII. Závěr

Magnetorezistivní resolver je ze své podstaty odolný snímač, ale jeho sinusové/kosinové výstupy jsou nízkoúrovňové analogové signály, které jsou náchylné ke zkreslení při silném EMI. Pochopení zdrojů rušení a vazebních cest a implementace správného stínění, filtrování, uzemnění a rozvržení jsou zásadní pro zajištění přesnosti a spolehlivosti úhlové zpětné vazby.

Pro inženýry je tvar vlny na osciloskopu nejlepší 'zprávou o stavu'. Čím dříve je detekováno zkreslení signálu, tím nižší je pravděpodobnost systémových problémů.