Analyse af Sin/Cos-signalforvrængning i reluktanstype-resolvere under stærk elektromagnetisk interferens -EV-resolversensor

I applikationer såsom nye energikøretøjer elektriske drev og industrielle servoer, modvilje-type resolvere er meget udbredt som motorrotorpositionssensorer. De indeholder ingen halvlederchips, modstår høje temperaturer og modstår vibrationer - de virker meget 'robuste.' Mange ingeniører støder dog på et forvirrende problem på stedet: Når først motoreffekten stiger, og PWM-omskiftningsfrekvensen stiger, udvikler resolverens sinus/cosinus-udgangssignaler fejl, flad-topping, hvilket fører til envelope-forvridning, og andre vinkelforvridninger, krusning og endda controllerfejl.

I. Hvordan ser et normal resolver sinus/cosinussignal ud?

Strukturen af ​​en reluktans-type resolver er relativt enkel: Statoren bærer en excitationsvikling og to rumligt ortogonale udgangsviklinger, mens rotoren er lavet af specielt formede siliciumstål fremspringende poler uden viklinger. En højfrekvent sinusformet excitation påføres excitationsviklingen:

Når rotoren roterer med en vinkel θ , inducerer de to udgangsviklinger henholdsvis:

I praksis er hvert signal differentielt, f.eks. S1-S3 og S2-S4. Som det kan ses, er resolverudgangen en højfrekvent bærebølge, hvis amplitude er moduleret af rotorvinklen  θ  . På et oscilloskop optræder bølgeformerne som to konvolutter, der varierer med vinklen som henholdsvis sinus og cosinus.

Afkodningschippen -Resolver-to-Digital Converter (RDC) -demodulerer disse signaler, udtrækker konvolutterne og beregner vinklen vha.  

II. Hvor kommer stærk elektromagnetisk interferens fra

Resolveren er typisk monteret i motorenden, omgivet af et typisk stærkt elektromagnetisk interferensmiljø:

·  Højhastigheds-omskiftning af IGBT'er/MOSFET'er : Motorstyringens PWM-bærefrekvens er normalt i området fra nogle få kHz til titusinder af kHz, men omskiftningskanterne er kun ti til hundrede af nanosekunder, med spektre, der strækker sig op til titusinder af MHz.

·  Strømskinne og fasekabler : Hurtige ændringer i høj strøm og højspænding genererer stærke elektriske og magnetiske felter.

·  Kontaktor- og relæoperationer : Frembringer lysbue- og transientimpulser.

·  Strømomformere : Rippling og harmoniske fra skiftende strømforsyninger.

Når først disse interferenser kobles ind i resolverens signallinjer, overlejrer de de ellers rene sinus/cosinus-signaler.

III. Hvordan interferens kommer ind i signalkæden

Der er fire hovedveje, hvorigennem interferens kommer ind i resolverens signalkæde:

1. Strålende kobling
Elledninger og switching noder fungerer som sendeantenner, mens resolver ledningsnet fungerer som modtageantenner. Når resolverledninger føres parallelt med strømkabler, inducerer højfrekvente elektromagnetiske felter spændinger direkte på ledningerne.

2. Ledende kobling
Interferens kommer ind i resolversystemet gennem magnetiseringsstrømforsyningsledningerne eller dekoderkortets strømforsyning og kobles derefter til signalsiden.

3. Jordpotentialforskelle
Store strømme forårsager spændingsfald på jordspor eller metalhuse, hvilket skaber ulige jordpotentialer mellem resolverenden og dekoderenden, hvilket danner common-mode spændinger.

4. Krydstale mellem linjer
Når resolver-ledninger løber parallelt med fasekabler, samleskinner osv., kobler parasitisk kapacitans og gensidig induktans mellem linjer interferens over.

IV. Typiske manifestationer af forvrængning

På et oscilloskop kan sinus/cosinus-signalerne under stærk EMI forekomme i følgende former.

1. Højfrekvent glitch-superposition
Pigge og ringning synkroniseret med PWM-kanter vises på bæreren. Dette skyldes, at højfrekvente strømme, der genereres under koblingsmomenter, kobles til signallinjer gennem parasitisk kapacitans. Glitch-amplituder kan nå titusinder af mV eller endda hundredvis af mV, mens normale differentielle signalamplituder typisk kun er nogle få volt, hvilket resulterer i et betydeligt fald i SNR.

2. Common-mode til differential-mode støj
Differentiale signaler er teoretisk kun følsomme over for spændingsforskellen mellem de to ledninger og har afvisningsevne mod common-mode interferens. Faktiske kabler, stik og filternetværk er dog aldrig perfekt symmetriske. Når højfrekvent common-mode interferens kommer ind, konverteres en del af den til differential-mode spænding og overlejres på sinus/cosinus-signalerne. Denne støj vises ofte som periodisk 'fuzz' på konvolutten.

3. Klipning og mætning
Når interferensamplituden er stor, og den overlejrede signalspids overstiger RDC-indgangsområdet eller op-forstærkerens forsyningsskinnerne, 'klippes' bølgeformstoppene. Klipning ødelægger direkte sin/cos-konvolutten, hvilket forårsager alvorlige ikke-lineære fejl i den afkodede vinkel.

4. DC-offset-drift
Lavfrekvente komponenter i interferensen, jordsløjfestrømme eller ensretningseffekter kan forårsage en DC-offset i signalet, hvilket gør bølgeformen asymmetrisk. RDC-afkodning forudsætter typisk rene AC-signaler; offset fører til vinkelfejl og hastighedsrippel.

5. Harmonisk forvrængning
Ulinearitet af magnetiske materialer og intermodulation mellem interferens og excitationsbæreren genererer harmoniske komponenter. Når først harmoniske kommer ind i RDC'en, kan de blive demoduleret til højordens harmoniske fejl i vinklen, der viser sig som drejningsmomentrippel eller støj.

6. Sinus/cosinus amplitudeubalance og faseforskydning
Hvis de to signalveje for sin og cos har forskellige filterparametre, kabellængder eller konnektorkontaktimpedanser, påvirkes de to kanaler forskelligt under kraftig interferens, hvilket resulterer i amplitudemismatch eller faseforskydning. RDC'en beregner vinklen baseret på sinθ/cosθ; amplitude eller faseubalance giver direkte vinkelfejl.

V. Indvirkning af forvrængning på systemet

Signalforvrængning er ikke kun et 'visuelt problem' på oscilloskopet; det afspejler direkte systemets ydeevne:

·  Vinkeludgangsjitter : Støj demoduleret af RDC forårsager højfrekvent jitter i vinkelværdien, hvilket forstærker hastighedsfeedbackstøj.

·  Periodiske vinkelfejl : Envelopeforvrængning og harmoniske forårsager vinkelfejl, der varierer periodisk med rotorens position, hvilket fører til strømudsving i dq-aksen og drejningsmomentrippel.

·  Fejl og tab af lås : Alvorlig interferens kan få RDC-sporingsløkken til at miste låsen, hvilket resulterer i vinkelspring og udløser overstrøms- eller overspændingsbeskyttelse.

·  Systemydeevneforringelse : I elektriske køretøjer kan dette føre til reduceret motoreffektivitet, øget vibration og støj og endda kompromittere køretøjets sikkerhed.

VI. Sådan identificeres og fejlfindes

Ved praktisk debugging kan følgende metoder hurtigt bestemme, om resolversignaler påvirkes af stærk EMI:

·  Brug  differentialsonder  til at måle S1-S3 og S2-S4, og undgå enkelt-endede sonder, der kan indføre jordsløjfer.

·  Observer både excitationssignalet og udgangssignalerne samtidigt for at afgøre, om der indføres interferens gennem excitationssiden.

·  Sammenlign bølgeformer med motoren stationær vs. kørende, og med PWM tænding vs. off, for at afgøre, om interferens stammer fra strømkredsløbet.

·  Brug oscilloskopets FFT til at analysere interferensspektret og kontrollere, om det falder sammen med PWM-bærefrekvensen eller kantharmoniske.

·  Mål common-mode spændingen af ​​de to ledninger til jord for at vurdere common-mode interferensniveauet.

VII. Undertrykkelsesforanstaltninger

Undertrykkelse af forvrængning kræver samtidig indsats på tre fronter: interferenskilden, koblingsvejen og modtageren.

1. Optimer ledningsnettet og afskærmningen

·  Brug skærmede snoede par til resolversignallinjer, med skjoldet jordet i et enkelt punkt ved dekoderenden for at undgå jordsløjfer forårsaget af dobbelt-ende jordforbindelse.

·  Før signalledninger adskilt fra strømkabler, undgå lange parallelle strækninger; hvis krydsning er uundgåelig, kryds dem vinkelret.

·  Brug om nødvendigt metalrør eller dobbeltlagsafskærmning for at forbedre effektiviteten af ​​højfrekvent afskærmning.

2. Filtrering og beskyttelse

·  Tilføj common-mode chokes og RC lavpasfiltre ved RDC-indgangen for at undertrykke common-mode støj og højfrekvente fejl.

·  Filterets afskæringsfrekvens bør være højere end resolverens excitationsfrekvens, samtidig med at man undgår for stor faseforsinkelse, som ellers ville introducere nye vinkelfejl.

·  Tilføj beskyttelsesenheder såsom TVS-rør for at forhindre forbigående overspændinger i at beskadige dekoderkredsløbet.

3. Layout og jording

·  Placer dekoderkortet så tæt som muligt på resolverstikket for at forkorte analoge signalspor.

·  Adskil analog jord fra strømjord ved at forbinde dem på et enkelt punkt for at forhindre store strømme i at strømme gennem den analoge jord.

·  Vær opmærksom på afskærmningens kontinuitet ved valg af stik, og sørg for, at afskærmningen ikke er brudt ved stikket.

4. Behandling af excitationsside

·  Brug også skærmede snoede par til excitationslinjer, og tilføj filtrering til excitationsstrømforsyningen.

·  Undgå at dele stik eller ledninger mellem magnetiseringssignaler og strømkabler.

5. System og algoritmiske mål

·  Vælg RDC-chips med stærk anti-interferenskapacitet, såsom dem med indbygget synkron demodulation og digital filtrering.

·  I software skal du anvende filtrering, hastighedsbegrænsning og plausibilitetstjek på vinkelsignalet for at forhindre individuelle interferensimpulser i at forårsage kontroluregelmæssigheder.

·  Optimer PWM edge slew rates og tilføj snubber kredsløb for at reducere interferens ved kilden.

VIII. Konklusion

Den magnetoresistive resolver er i sagens natur en robust sensor, men dens sinus/cosinus-output er analoge signaler på lavt niveau, der er modtagelige for forvrængning under stærk EMI. Forståelse af kilderne til interferens og koblingsveje og implementering af korrekt afskærmning, filtrering, jording og layout er afgørende for at sikre nøjagtigheden og pålideligheden af ​​vinkelfeedback.

For ingeniører er bølgeformen på oscilloskopet den bedste 'sundhedsrapport'. Jo tidligere signalforvrængning detekteres, jo lavere er sandsynligheden for systemproblemer.