Auswahl des Resolversensors für den Hauptantriebsmotor von New Energy: Fünf technische Urteile, die leicht zu unterschätzen sind

Für die Auswahl des Positionssensors in Hauptantriebsmotoren ist der Resolver ist fast unvermeidbar. Aber die „Auswahl eines Resolvers“ selbst ist nicht schwierig. Schwierig ist es, die wenigen Urteile hinter dem Datenblatt zu fällen, die wirklich die Leistung der Massenproduktion bestimmen: ob die Polpaare zum Motor passen, wie sehr man der Genauigkeitszahl vertrauen kann, welche Betriebsbedingungen für die Temperatur- und Vibrationsvalidierung verwendet werden sollen, ob die Dekodierungskette richtig abgestimmt ist und welches funktionale Sicherheitsniveau erreicht werden muss. Jedes dieser fünf Probleme reicht aus, um ein Projekt im Prototypenstadium völlig normal aussehen zu lassen, während es in der Massenproduktion oder unter extremen Bedingungen Probleme aufdeckt.

Klären Sie zunächst, warum Hauptantriebsanwendungen immer noch nicht an Resolvern vorbeikommen

Angesichts hoher Temperaturen, Ölverschmutzung und starker elektromagnetischer Störungen im Motorraum sind die Codescheiben und Optokoppler optischer Encoder von Natur aus fragil, während Hall-basierte Lösungen Schwierigkeiten haben, die Genauigkeits- und Konsistenzanforderungen der Hauptantriebssteuerung zu erfüllen. Das Wesen eines Resolvers ist ein elektromagnetischer Transformator: Auf dem Rotor befinden sich keine elektronischen Komponenten. Zur Ausgabe von Sinus- und Cosinus-Hüllkurvensignalen beruht es ausschließlich auf der Variation der magnetischen Kopplung zwischen der Erregerwicklung des Stators und der Ausprägung des Rotors, wobei die gesamte Signalverarbeitung auf der Statorseite und in der Decodierschaltung erfolgt. Diese „passive Rotor“-Struktur führt dazu, dass die unteren Grenzwerte für Temperaturbeständigkeit, Ölbeständigkeit und Vibrationsbeständigkeit weitaus höher liegen als bei Lösungen, die auf aktiven Komponenten am Rotor basieren.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass der Resolver in jeder Dimension optimal ist. Auch seine Mängel liegen auf der Hand: Änderungen im Motordesign beeinflussen ihn erheblich und seine Plattformkompatibilität ist schlechter als bei Wirbelstromlösungen. In aufkommenden Szenarien wie 800-V-Systemen und ultrahohen Geschwindigkeiten gewinnen Wirbelstrom-Positionssensoren allmählich an Bedeutung. Daher ist die Voraussetzung für die Auswahl eines Resolvers, dass die Hauptantriebsanwendung mehr Wert auf „dauerhafte Zuverlässigkeit unter rauen Umgebungen“ als auf „Flexibilität bei der Wiederverwendung der Plattform“ legt. Wenn diese Prämisse zutrifft, sind die folgenden fünf Urteile wirklich aussagekräftig.

Urteil 1: Beim Polpaar-Matching geht es nicht nur um „Matching“.

Die Polpaare des Resolvers müssen eine eindeutige Beziehung zu den Polpaaren des Motors haben, aber für die „Ausrichtung“ selbst gibt es zwei sehr unterschiedliche Implementierungsstrategien mit deutlich unterschiedlichen Kosten.

Die bevorzugte Lösung ist RPP = MPP (Resolverpolpaare gleich Motorpolpaare).  Hauptantriebsmotoren von Pkw haben typischerweise 4 bis 10 Polpaare. Durch die Abstimmung der Resolver-Polpaare wird verhindert, dass Bearbeitungs- und Montagefehler durch die Motorpolpaare verstärkt werden, und sorgt für eine höhere stationäre Genauigkeit der FOC-Steuerung. Dies ist der Weg, bei dem die Genauigkeit an erster Stelle steht, allerdings muss der Resolver für jeden Motor individuell angepasst werden, was zu einer geringen Plattformkompatibilität führt.

Das andere ist RPP = 1 (Single-Pole-Pair-Resolver, ein Plattform-Kompromiss).  Der Vorteil besteht darin, dass ein Resolver mehrere Motoren abdecken kann, Fehler wie mechanische Exzentrizität und Montageabweichung werden jedoch mit den Polpaaren des Motors multipliziert und treten besonders wahrscheinlich als Drehmomentwelligkeit im Hochgeschwindigkeits-Feldschwächungsbereich auf. Wenn dieser Weg gewählt wird, muss bei strukturellen Toleranzen und Montageprozessen ein ausreichender Genauigkeitsspielraum reserviert werden, um den Verstärkungseffekt zu „absorbieren“. Andernfalls wird die elektrische Genauigkeit, egal wie gut sie im Datenblatt aussieht, durch mechanische Fehler aufgebraucht, sobald sie am Motor installiert ist.

Urteil 2: Zerlegen Sie die Genauigkeitszahl. Meist sind mechanische Fehler die Hauptursache

Der „elektrische Fehler ±X Bogenminuten“ in einem Datenblatt wird unter idealen Installations- und Ausrichtungsbedingungen gemessen. Zu den Fehlerquellen zählen nach der eigentlichen Montage am Motor mindestens auch Montageexzentrizität, Axialspiel und Stator-Rotor-Fehlausrichtung, die sich jeweils zum Gesamtfehler addieren.

Dies bedeutet, dass ein häufiger Fehler bei der Auswahl darin besteht, wiederholt die Genauigkeit des Resolvers selbst zu vergleichen und gleichzeitig die Toleranzkette an der Montageschnittstelle nicht genau zu prüfen. Geteilte Resolver mit getrennt montiertem Stator und Rotor stellen höhere Anforderungen an die Konstruktion und Montageprozesse, sind aber platzeffizienter; Integrierte Resolver sind einfacher zu montieren, kosten aber mehr Volumen. Dieser Kompromiss sollte während der Strukturüberprüfungsphase festgelegt werden, anstatt zu versuchen, ihn nach der Werkzeugbereitstellung durch „Umstellung auf einen Resolver mit höherer Genauigkeit“ zu beheben. Wenn die mechanische Genauigkeit nicht ausreicht, kann kein Decodierungschip das Ergebnis speichern.

Im Branchenvergleich liegt der elektrische Fehler gängiger Reluktanzresolver in Automobilqualität etwa im Bereich von ±25′ bis ±30′, und einige optimierte Designs können bei tatsächlichen Messungen niedrigere Werte erzielen. Die eigentliche Frage bei der Auswahl ist: Unter welchen Einbaubedingungen wurde dieser Wert ermittelt? Kann meine strukturelle Toleranzkette die gleichen Bedingungen aufrechterhalten?

Beurteilung 3: Validieren Sie Temperatur und Vibration unter den „Worst-Case-Betriebsbedingungen“, aber der Bereich mit den meisten Ausfällen ist oft nicht das Resolvergehäuse

Die untere Betriebstemperaturgrenze für Antriebsmotor-Resolver muss normalerweise -40 °C betragen, während die Obergrenze nicht durch die durchschnittliche Temperatur des Motorgehäuses bestimmt werden kann. Wicklungsnahe Stellen sind deutlich heißer als das Gehäuse. Die Temperaturobergrenzen gängiger Automobilprodukte in der Branche liegen im Bereich von 150 °C bis 155 °C, und Szenarien in der Nähe von Wärmequellen erfordern eine Validierung mit einer höheren Marge. Vibrationen und Stöße sollten ebenfalls Stück für Stück anhand zufälliger Vibrations- und mechanischer Stoßprofile im Automobilbereich überprüft werden und nicht nur durch das Bestehen statischer Tests bei Raumtemperatur erfüllt werden.

Was jedoch leichter zu unterschätzen ist als die Temperaturbeständigkeit des Körpers, ist der  Verbindungsabschnitt . Bei tatsächlichen Projekten, bei denen Signalanomalien auftreten, handelt es sich bei einem erheblichen Teil nicht um Ausfälle der Resolverwicklungen oder des Magnetkreises, sondern um eine Verschlechterung der Dichtung, schlechten Kontakt oder Interferenzen zwischen den Drähten in Kabelbäumen und Steckverbindern bei Temperaturschwankungen und Vibrationen. Wenn bei der Auswahl nur die Temperaturbewertung des Resolvergehäuses überprüft wird, während die Auswahl des Kabelbaummaterials, die Steckerabdichtung und die Zugentlastung später „nach Bedarf“ behandelt werden, bleibt das schwächste Glied in der Zuverlässigkeitskette bis zum Ende übrig.

Urteil 4: Elektrische Parameter und die Dekodierungskette müssen an derselben Tabelle verglichen werden

Der Resolver gibt amplitudenmodulierte Sinus- und Cosinussignale auf einem Träger aus. Die Winkelinformationen sind in der Hülle verborgen und müssen demoduliert werden, bevor sie in einen digitalen Winkel umgewandelt werden können, der von der MCU verwendet werden kann. Die Wahl des Decodierungsschemas erlegt den elektrischen Parametern des Resolverkörpers direkt umgekehrte Beschränkungen auf.

Die harte Dekodierung (RDC-Chip)  folgt dem dedizierten Resolver-zu-Digital-Wandler-Weg mit einer typischen Auflösung von 12 bis 16 Bit und einer Tracking-Latenz im Bereich von zehn bis hundert Mikrosekunden. Es verfügt über eine integrierte ausgereifte PLL-Schleife und verbraucht nahezu keine MCU-Rechenleistung, wodurch es für Massenproduktionsplattformen mit engen Kalibrierungsplänen geeignet ist. Der Preis dafür ist eine feste Schleifenbandbreite, die nicht umfassend an die dynamischen Eigenschaften eines bestimmten Motors angepasst werden kann.

Durch die sanfte Dekodierung (DSADC + Softwarealgorithmus)  wird der externe RDC eliminiert und der On-Chip-Delta-Sigma-ADC der MCU verwendet, um die amplitudenmodulierten Signale direkt abzutasten. Anschließend führt die Software die gesamte Berechnung durch. Das hohe Überabtastverhältnis und die digitale Filterung des DSADC können das Quantisierungsrauschen auf hohe Frequenzen verschieben und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis für die Niederfrequenzhüllkurve auf einem 5–10-kHz-Träger erzielen, während gleichzeitig die Flexibilität zur Anpassung der Berechnungsparameter an die dynamischen Eigenschaften des Motors erhalten bleibt. Die Kosten hängen von der Nutzung der MCU-Rechenleistung und Entwicklungsressourcen ab, und die Qualität der Lösung hängt stark von der Softwarereife ab.

Welcher Weg auch immer gewählt wird, zu den Parametern, die bei der Auswahl angepasst werden müssen, gehören mindestens: Erregerfrequenz (gängige RDCs decken einen Erregerbereich von 2 kHz bis 20 kHz ab, und typische Resolver sind für etwa 10 kHz ausgelegt), Transformationsverhältnis (üblicherweise im Bereich von 0,286 bis 0,5), Erregerimpedanz sowie die Antriebsfähigkeit und der Eingangsbereich des Decodierungschips. Die Folgen einer Verstärkungsfehlanpassung sind direkt: Eine unzureichende Amplitude verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis, während eine Amplitudensättigung zu einer Beschneidung der Wellenform führt. In beiden Fällen ist die Winkelinformation verfälscht. Der Vergleich des Resolver-Datenblatts mit dem Dekodier-Chip-Handbuch Stück für Stück im Stadium des Hardware-Schaltplans kostet nur einen halben Tag und erspart später endlose Debugging-Nacharbeit.

Urteil 5: Funktionale Sicherheit endet nicht mit der „Auswahl eines ASIL-bewerteten Modells“

Der Hauptantriebspositionssensor ist der Ausgangspunkt des geschlossenen Regelkreises der Drehmomentregelung. Fällt das Winkelsignal aus, reichen die Folgen von Drehmomentschwankungen bis hin zu Stromunterbrechungen oder unbeabsichtigtem Drehmoment. Daher können Überlegungen zur funktionalen Sicherheit nicht auf der Ebene „der Lieferant behauptet Unterstützung für ASIL X“ enden; Sie müssen im spezifischen Design von  Single-Point-Fehlern und redundanter Architektur umgesetzt werden.

Die branchenübliche Praxis besteht darin, ASIL C (SEooC) auf der Ebene des Resolverkörpers oder des Sensorelements zu erreichen und das Gesamtsystem dabei zu unterstützen, ASIL D durch Redundanzdesign auf Systemebene zu erreichen – Zweikanalwicklungen, Doppeldecodierungsketten oder parallele Überprüfung von „physikalischem Sensor + sensorloser Schätzung“. Zu den bei der Auswahl zu stellenden Fragen gehören: Welche Fehlermodi deckt das Sicherheitshandbuch des Lieferanten ab? Wie hoch ist der Diagnoseumfang? Wie wird bei Verwendung eines Zweikanalschemas die Unabhängigkeit der beiden Kanäle sichergestellt und Ausfälle gemeinsamer Ursache ausgeschlossen? Diese Fragen sind in Spezifikationsvergleichstabellen normalerweise unsichtbar, bestimmen jedoch direkt, ob das Argument der funktionalen Sicherheit abgeschlossen werden kann.

Zurück zum Sinn für Ordnung bei der Auswahl

Wenn man diese fünf Beurteilungen miteinander verbindet, ist die Logik der Auswahl tatsächlich klar:  Zuerst wird die Polpaarstrategie bestimmt (Genauigkeit zuerst oder Plattform zuerst), dann wird die Strukturform und die Installationstoleranzkette festgelegt, dann werden Temperatur und Vibration unter Worst-Case-Bedingungen validiert und der Verbindungsteil in dieselbe Zuverlässigkeitscheckliste aufgenommen, als nächstes werden die elektrischen Parameter und die Dekodierungskette als ein System abgeglichen und schließlich wird anhand der funktionalen Sicherheitsanforderungen überprüft, ob die redundante Architektur gültig ist.  Nach diesen fünf Schritten bleiben normalerweise nur noch ein oder zwei Kandidatenmodelle übrig, und die Unterschiede zwischen diesen ein oder zwei sind der Teil, der es wirklich wert ist, beim Prototypenvergleich Zeit zu investieren.

Der Resolver ist nicht die einzige Wahl für Positionssensoren des Hauptantriebs, aber in Massenproduktionsprojekten für Hauptantriebe, bei denen Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit oberste Priorität haben, ist der Resolver immer noch eine Komponente, die „richtig ausgewählt“ und nicht „zufällig ausgewählt“ werden muss. Der Schlüssel zur richtigen Auswahl ist nicht die herausragendste Genauigkeitszahl im Datenblatt, sondern ob die fünf oben genannten Beurteilungen zu Beginn des Projekts ernsthaft berücksichtigt wurden.