Wie sind die Winkelgenauigkeit des Resolvers und der elektrische Fehler zu interpretieren?

Bei der Motorsteuerung, bei Elektroantrieben für neue Energiefahrzeuge, bei der Auswahl oder beim Testen von Servosystemen fragen Ingenieure am häufigsten: „Wie hoch ist die Genauigkeit dieses Resolvers?“ In Datenblättern werden jedoch häufig Parameter wie „Elektrischer Fehler ≤ ±10′“, „Winkelgenauigkeit ±15′“, „Auflösung 16 Bit“ usw. aufgeführt, was Menschen leicht verwirren kann.

Sind elektrischer Fehler und Winkelgenauigkeit dasselbe? Wie groß ist 10′ genau? Wie soll man das Datenblatt lesen, ohne sich von den Zahlen täuschen zu lassen?

I. Unterscheiden Sie zunächst zwei Konzepte: Winkelgenauigkeit ≠ Elektrischer Fehler

Ein Resolver selbst gibt analoge Sinus-/Cosinussignale aus, nicht direkt einen digitalen Winkel. Um den Winkelwert zu erhalten, ist ein anschließender RDC (Resolver-zu-Digital-Wandler) oder eine Software-Demodulation erforderlich.

Daher handelt es sich bei dem, was wir üblicherweise als „Winkelgenauigkeit“ bezeichnen, tatsächlich um eine  Spezifikation auf Systemebene  , die mindestens Folgendes umfasst:

• Der elektrische Fehler des Resolvers

• Decoder-Fehler (RDC).

• Montageexzentrizität und Montagetoleranzen

• Fehler durch Kabel, Abschirmung und Signalaufbereitung

„Elektrischer Fehler“ ist die inhärente Winkelabweichung des Resolverkörpers unter idealen Decodierungsbedingungen. Es kann als die „rohe Genauigkeit“ des Resolvers verstanden werden.

Eine Analogie:

• Der elektrische Fehler des Resolvers ist wie der Teilungsfehler eines Lineals selbst;

• Die Winkelgenauigkeit ist wie der endgültige Messfehler, wenn Sie dieses Lineal zum Messen eines Werkstücks verwenden.

• Ob das Lineal genau ist, hängt vom elektrischen Fehler ab; Ob die Messung genau ist, hängt auch davon ab, wie ruhig Ihre Hand ist und wie genau Sie sie ablesen.

Elektrische Fehler sind also die Kernspezifikation des Resolvers, sie sind jedoch nicht die einzige Aussage für die Systemgenauigkeit.

II. Was ist ein elektrischer Fehler und woher kommt er?

Unter idealen Anregungs- und idealen Decodierungsbedingungen ist die Abweichung zwischen dem aus den Resolver-Ausgangssignalen berechneten Winkel und dem wahren mechanischen Winkel der elektrische Fehler.

Die übliche Einheit ist die Bogenminute, die mit „′“ bezeichnet wird.

Konvertierung:

•  1° = 60′

•  10′ = 10/60° ≈ 0,167°

•  1′ ≈ 0,0167°

Wenn im Datenblatt beispielsweise „Elektrischer Fehler ≤ ±10′“ steht, bedeutet dies, dass an keiner Position die Abweichung zwischen dem dekodierten Winkel und dem wahren Winkel 10 Bogenminuten, also etwa 0,167°, nicht überschreitet.

Zu den Hauptquellen elektrischer Fehler gehören:

Diese Faktoren bilden zusammen die elektrische Fehlerkurve des Resolvers.

III. Wie lese ich „Elektrischer Fehler“ in einem Datenblatt?

Wenn Sie in einem Datenblatt „Elektrischer Fehler ≤ ±10′“ sehen, achten Sie nicht nur auf die Zahl. Stellen Sie zunächst drei Fragen:

1. Handelt es sich bei der Einheit um einen mechanischen oder einen elektrischen Winkel?

Dies ist besonders wichtig für mehrpolige Resolver.

Bei einem einpoligen Resolver ist der mechanische Winkel gleich dem elektrischen Winkel, sodass keine Unterscheidung erforderlich ist. Aber für mehrpolige Resolver:

Elektrischer Winkel = Mechanischer Winkel × Anzahl der Polpaare

Wenn ein 4-Polpaar-Resolver „Elektrischer Fehler ≤ ±10′“ angibt und sich auf einen elektrischen Winkelfehler bezieht, beträgt der äquivalente mechanische Winkelfehler nur:

10′ ÷ 4 = 2,5′

Die mechanische Genauigkeit ist tatsächlich höher.

Wenn jedoch ein mechanischer Winkelfehler von ±10′ angegeben wird, beträgt der äquivalente elektrische Winkelfehler:

10′ × 4 = 40′ ≈ 0,667° elektrisch

Dies könnte sich der Obergrenze für FOC-Anwendungen (feldorientierte Steuerung) nähern.

Wenn Sie daher einen elektrischen Fehler sehen, prüfen Sie zunächst, ob es sich um einen mechanischen Winkelfehler oder einen elektrischen Winkelfehler handelt.  Viele Resolver-Hersteller verwenden standardmäßig den elektrischen Winkelbereichsfehler, die Vorgehensweisen variieren jedoch. Bitten Sie bei Bedarf den Originalhersteller um Klärung.

2. Wie sind die Testbedingungen?

Elektrischer Fehler ist nicht behoben; Es wird durch Temperatur, Geschwindigkeit, Erregerspannung und Frequenz beeinflusst.

Zu den gängigen Datenblattaussagen gehören:

·  Elektrischer Fehler bei Raumtemperatur ≤ ±10′

·  Elektrischer Fehler bei voller Temperatur ≤ ±15′

·  0~10000 U/min dynamischer Fehler ≤ ±20′

Eine alleinige Betrachtung der Raumtemperaturangabe reicht nicht aus. Bei Elektroantrieben von Fahrzeugen mit neuer Energie, Hochtemperatur-Servoanwendungen usw. müssen Sie auf den elektrischen Fehler über den gesamten Temperatur- und Geschwindigkeitsbereich achten.

3. Handelt es sich um den maximalen Fehler, Spitze-zu-Spitze oder RMS?

Elektrische Fehler können auf verschiedene Arten ausgedrückt werden:

•  Maximaler absoluter Fehler : die maximale absolute Abweichung zwischen allen gemessenen Punkten

•  Spitze-zu-Spitze-Fehler : die Differenz zwischen der maximalen positiven Abweichung und der maximalen negativen Abweichung

•  RMS-Fehler : quadratischer Mittelwert, der den Gesamtfehlergrad widerspiegelt

Datenblätter geben normalerweise den „maximalen elektrischen Fehler“ oder den „elektrischen Spitze-zu-Spitze-Fehler“ an. Wenn einfach „Genauigkeit ±10′“ steht, wird darunter im Allgemeinen der maximale absolute Fehler verstanden.

IV. Wie ist die Fehlerkurve zu interpretieren?

Wenn Sie den Resolver-Testbericht erhalten können, ist es am besten, die Fehlerkurve direkt zu überprüfen.

Eine typische elektrische Fehlerkurve weist einen mechanischen Winkel auf der horizontalen Achse und einen Fehler auf der vertikalen Achse auf. Die Form der Kurve hilft bei der Identifizierung von Fehlerquellen.

Häufige Fehlermerkmale:

Allgemeine Regel:

Je glatter und regelmäßiger die Fehlerkurve ist, desto stabiler ist der Resolver-Herstellungsprozess und der Fehler ist vorhersehbar und kompensierbar.
Wenn die Kurve viele Störungen oder große Sprünge aufweist, überprüfen Sie zunächst die Testumgebung, die Abschirmung und die Qualität des Erregungssignals, anstatt voreilig die Genauigkeit des Resolvers zu beurteilen.

Bei Servoantrieben oder elektrischen Antriebssystemen implementieren einige Lösungen Fehlerkompensationstabellen. Voraussetzung für die Kompensation ist jedoch, dass der Fehler wiederholbar ist. Wenn der Fehler bei jedem Test variiert, ist eine Kompensation bedeutungslos.

V. Kurze praktische Methode zur Messung elektrischer Fehler

Wenn Sie den elektrischen Fehler des Resolvers selbst messen möchten, ist der grundlegende Ansatz:

1. Verwenden Sie als Winkelreferenz einen hochpräzisen Encoder, ein optisches Gitter oder einen Indexierkopf.

2. Stellen Sie dem Resolver Standard-Erregersignale zur Verfügung.

3. Erfassen Sie gleichzeitig die Sinus-/Cosinus-Ausgänge des Resolvers.

4. Dekodieren Sie den Winkel über einen RDC oder Algorithmus.

5. Vergleichen Sie mit dem Referenzwinkel und zeichnen Sie den Fehler über 360° auf.

6. Berechnen Sie den maximalen Fehler, Spitze-zu-Spitze, RMS, und zeichnen Sie die Fehlerkurve auf.

Vorsichtsmaßnahmen beim Testen:

• Halten Sie die Geschwindigkeit niedrig, um dynamische Fehler zu vermeiden.

• Verwenden Sie kurze Kabel, differenzielle Erfassung und Abschirmung.

• Stellen Sie die Erregerfrequenz und -spannung entsprechend den tatsächlichen Betriebsbedingungen ein.

• Notieren Sie bei mehrpoligen Resolvern deutlich, ob das Ergebnis ein elektrischer oder mechanischer Winkel ist.

VI. Wie nutzt man diese Spezifikationen bei der Auswahl?

Beispiel:

Angenommen, ein Motor hat 4 Polpaare und die FOC-Steuerung erfordert, dass der elektrische Winkelfehler innerhalb von 1° elektrisch gesteuert wird.

Wenn der elektrische Fehler des Resolvers ±10‘ elektrisch beträgt, also etwa ±0,167° elektrisch, ist der Gehäusefehler gering. Nach dem Hinzufügen von Decoder- und Montagefehlern kann der elektrische Winkelfehler des Gesamtsystems immer noch innerhalb von 1° gehalten werden, sodass die Lösung machbar ist.

Wenn jedoch ein anderer Resolver einen mechanischen Winkelfehler von ±10′ angibt, wird der elektrische Winkelfehler bei einem 4-Polpaar-Motor auf etwa ±0,667° verstärkt. Nach dem Hinzufügen von Dekodierungs- und Montagetoleranzen kann der gesamte elektrische Winkelfehler 1° erreichen oder sogar überschreiten, was eine Neubewertung erforderlich macht.

Vergleichen Sie daher bei der Auswahl eines Resolvers nicht einfach Zahlen; Konvertieren Sie alles gleichmäßig in den elektrischen Winkel und fügen Sie dann das Systemfehlerbudget hinzu.

Abschluss

Der elektrische Fehler ist der zentrale Indikator für die Genauigkeit des Resolverkörpers, aber er ist nicht die ganze Wahrheit über die Winkelgenauigkeit des Systems. Um die Resolvergenauigkeit richtig zu verstehen, sind drei wichtige Punkte wichtig:

1. Unterscheiden Sie zwischen elektrischem Fehler und Winkelgenauigkeit auf Systemebene.

2. Bestätigen Sie, ob es sich bei der Einheit um einen mechanischen oder elektrischen Winkel handelt.

3. Berücksichtigen Sie Testbedingungen, Fehlerkurven und tatsächliche Betriebsbedingungen.

Ob die Zahl auf dem Papier gut aussieht, ist eine Sache; Ob es bei der Integration in das System stabil und genau ist, ist das entscheidende Kriterium.