Ανάλυση παραμόρφωσης σήματος Sin/Cos σε αναλυτές τύπου απροθυμίας υπό ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές - Αισθητήρας ανάλυσης EV

Σε εφαρμογές όπως ηλεκτροκινητήρες νέων ενεργειακών οχημάτων και βιομηχανικοί σερβομηχανισμοί, τύπου απροθυμίας Οι αναλυτές χρησιμοποιούνται ευρέως ως αισθητήρες θέσης ρότορα κινητήρα. Δεν περιέχουν τσιπ ημιαγωγών, αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες και αντιστέκονται στους κραδασμούς - φαίνονται πολύ «στιβαρά». Ωστόσο, πολλοί μηχανικοί αντιμετωπίζουν ένα αινιγματικό πρόβλημα επί τόπου: μόλις αυξηθεί η ισχύς του κινητήρα και αυξηθεί η συχνότητα μεταγωγής PWM, τα σήματα εξόδου ημιτονίου/συνημιτονοειδούς του αναλυτή αναπτύσσουν δυσλειτουργίες, επίπεδα και άλλες γωνίες που οδηγούν σε διάσπαση. jitter, κυματισμός ροπής, ακόμη και σφάλματα ελεγκτή.

I. Πώς μοιάζει ένα σήμα ημιτονοειδούς/συνημιτονοειδούς κανονικού αναλυτή;

Η δομή ενός αναλυτή τύπου απροθυμίας είναι σχετικά απλή: ο στάτορας φέρει μια περιέλιξη διέγερσης και δύο χωρικά ορθογώνιες περιελίξεις εξόδου, ενώ ο ρότορας είναι κατασκευασμένος από ειδικά διαμορφωμένους πόλους από χάλυβα πυριτίου χωρίς περιελίξεις. Μια ημιτονοειδής διέγερση υψηλής συχνότητας εφαρμόζεται στην περιέλιξη διέγερσης:

Όταν ο ρότορας περιστρέφεται κατά γωνία θ , οι δύο περιελίξεις εξόδου προκαλούν αντίστοιχα:

Στην πράξη, κάθε σήμα είναι διαφορικό, π.χ. S1-S3 και S2-S4. Όπως φαίνεται, η έξοδος του αναλυτή είναι ένας φορέας υψηλής συχνότητας του οποίου το πλάτος διαμορφώνεται από τη γωνία του δρομέα  θ  . Σε έναν παλμογράφο, οι κυματομορφές εμφανίζονται ως δύο φάκελοι που ποικίλλουν ανάλογα με τη γωνία ως ημιτονοειδές και συνημίτονο, αντίστοιχα.

Το τσιπ αποκωδικοποίησης -ο μετατροπέας αναλυτής σε ψηφιακό (RDC) - αποδιαμορφώνει αυτά τα σήματα, εξάγει τους φακέλους και υπολογίζει τη γωνία μέσω  

II. Από πού προέρχονται οι ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές

Ο αναλυτής είναι συνήθως τοποθετημένος στο άκρο του κινητήρα, που περιβάλλεται από ένα τυπικό περιβάλλον ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών:

·  Εναλλαγή υψηλής ταχύτητας IGBT/MOSFET : Η συχνότητα φέροντος PWM του ελεγκτή κινητήρα είναι συνήθως στην περιοχή από μερικά kHz έως δεκάδες kHz, αλλά οι ακμές μεταγωγής είναι μόνο δεκάδες έως εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα, με φάσματα που εκτείνονται έως και δεκάδες MHz.

·  Δίαυλος ισχύος και καλώδια φάσης : Οι γρήγορες αλλαγές στο υψηλό ρεύμα και την υψηλή τάση δημιουργούν ισχυρά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

·  Λειτουργίες επαφών και ρελέ : Παράγουν τόξους και παροδικούς παλμούς.

·  Μετατροπείς ισχύος : Κυματισμός και αρμονικές από τροφοδοτικά μεταγωγής.

Μόλις αυτές οι παρεμβολές συνδεθούν στις γραμμές σήματος του αναλυτή, υπερτίθενται στα κατά τα άλλα καθαρά σήματα ημιτονοειδούς/συνημιτονοειδούς.

III. Πώς οι παρεμβολές εισέρχονται στην αλυσίδα σημάτων

Υπάρχουν τέσσερις κύριες διαδρομές μέσω των οποίων η παρεμβολή εισέρχεται στην αλυσίδα σήματος του αναλυτή:

1. Σύζευξη ακτινοβολίας
Οι γραμμές ισχύος και οι κόμβοι μεταγωγής λειτουργούν σαν κεραίες εκπομπής, ενώ οι πλεξούδες καλωδίωσης του αναλυτή λειτουργούν σαν κεραίες λήψης. Όταν οι πλεξούδες του αναλυτή δρομολογούνται παράλληλα με τα καλώδια τροφοδοσίας, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία υψηλής συχνότητας προκαλούν τάσεις απευθείας στις πλεξούδες.

2. Η παρεμβολή αγώγιμης ζεύξης
εισέρχεται στο σύστημα ανάλυσης μέσω των γραμμών τροφοδοσίας ισχύος διέγερσης ή της τροφοδοσίας της πλακέτας αποκωδικοποιητή και, στη συνέχεια, συνδέεται στην πλευρά του σήματος.

3. Διαφορές δυναμικού γείωσης
Τα μεγάλα ρεύματα προκαλούν πτώσεις τάσης σε ίχνη γείωσης ή μεταλλικά περιβλήματα, δημιουργώντας άνισα δυναμικά γείωσης μεταξύ του άκρου του αναλυτή και του άκρου του αποκωδικοποιητή, σχηματίζοντας τάσεις κοινής λειτουργίας.

4. Παράλληλη συνομιλία μεταξύ γραμμών
Όταν οι πλεξούδες του αναλυτή λειτουργούν παράλληλα με τα καλώδια φάσης, τις ράβδους διαύλου κ.λπ., η παρασιτική χωρητικότητα και η αμοιβαία επαγωγή μεταξύ των γραμμών συνδέουν την παρεμβολή.

IV. Τυπικές εκδηλώσεις παραμόρφωσης

Σε έναν παλμογράφο, τα σήματα ημιτονοειδούς/συνημιτονοειδούς υπό ισχυρό EMI μπορεί να εμφανίζονται με τις ακόλουθες μορφές.

1. Υπέρθεση σφάλματος υψηλής συχνότητας
Αιχμές και κουδουνίσματα συγχρονισμένα με άκρες PWM εμφανίζονται στον φορέα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ρεύματα υψηλής συχνότητας που παράγονται κατά τις ροπές μεταγωγής συνδέονται σε γραμμές σήματος μέσω παρασιτικής χωρητικότητας. Τα πλάτη δυσλειτουργίας μπορεί να φτάσουν δεκάδες mV ή ακόμα και εκατοντάδες mV, ενώ τα κανονικά πλάτη διαφορικού σήματος είναι τυπικά μόνο λίγα βολτ, με αποτέλεσμα σημαντική πτώση στο SNR.

2. Θόρυβος κοινής λειτουργίας σε διαφορικό τρόπο λειτουργίας
Τα διαφορικά σήματα είναι θεωρητικά ευαίσθητα μόνο στη διαφορά τάσης μεταξύ των δύο καλωδίων και έχουν ικανότητα απόρριψης έναντι παρεμβολών κοινής λειτουργίας. Ωστόσο, τα πραγματικά καλώδια, οι σύνδεσμοι και τα δίκτυα φίλτρων δεν είναι ποτέ απόλυτα συμμετρικά. Όταν εισέρχονται παρεμβολές κοινής λειτουργίας υψηλής συχνότητας, μέρος της μετατρέπεται σε τάση διαφορικού τρόπου λειτουργίας και υπερτίθεται στα σήματα ημιτονοειδούς/συνημιτονοειδούς. Αυτός ο θόρυβος εμφανίζεται συχνά ως περιοδικός 'fuzz' στο φάκελο.

3. Κλείσιμο και κορεσμός
Όταν το πλάτος της παρεμβολής είναι μεγάλο και η υπερτιθέμενη κορυφή του σήματος υπερβαίνει το εύρος εισόδου RDC ή τις ράγες τροφοδοσίας οπ-ενισχυτή, οι κορυφές κυματομορφής 'κουρδίζονται'. Το ψαλίδισμα καταστρέφει άμεσα το φάκελο sin/cos, προκαλώντας σοβαρά μη γραμμικά σφάλματα στην αποκωδικοποιημένη γωνία.

4. Μετατόπιση μετατόπισης DC
Τα στοιχεία χαμηλής συχνότητας στις παρεμβολές, τα ρεύματα βρόχου γείωσης ή τα φαινόμενα διόρθωσης μπορεί να προκαλέσουν μετατόπιση DC στο σήμα, καθιστώντας την κυματομορφή ασύμμετρη. Η αποκωδικοποίηση RDC τυπικά προϋποθέτει καθαρά σήματα AC. Η μετατόπιση οδηγεί σε σφάλματα γωνίας και κυματισμό ταχύτητας.

5. Αρμονική παραμόρφωση
Η μη γραμμικότητα των μαγνητικών υλικών και η ενδοδιαμόρφωση μεταξύ παρεμβολής και φορέα διέγερσης δημιουργούν αρμονικές συνιστώσες. Μόλις οι αρμονικές εισέλθουν στο RDC, μπορούν να αποδιαμορφωθούν σε αρμονικά σφάλματα υψηλής τάξης στη γωνία, που εκδηλώνονται ως κυματισμός ροπής ή θόρυβος.

6. Ανισορροπία πλάτους ημιτονοειδούς/συνημιτονοειδούς και μετατόπιση φάσης
Εάν οι δύο διαδρομές σήματος για sin και cos έχουν διαφορετικές παραμέτρους φίλτρου, μήκη καλωδίου ή σύνθετες αντιστάσεις επαφής συνδετήρα, τα δύο κανάλια επηρεάζονται διαφορετικά υπό ισχυρές παρεμβολές, με αποτέλεσμα την αναντιστοιχία πλάτους ή τη μετατόπιση φάσης. Το RDC υπολογίζει τη γωνία με βάση το sinθ/cosθ. Το πλάτος ή η ανισορροπία φάσης παράγει άμεσα σφάλματα γωνίας.

V. Επίπτωση της παραμόρφωσης στο σύστημα

Η παραμόρφωση σήματος δεν είναι απλώς ένα «οπτικό ζήτημα» στον παλμογράφο. αντανακλά άμεσα την απόδοση του συστήματος:

·  Γωνιακό jitter εξόδου : Ο θόρυβος που αποδιαμορφώνεται από το RDC προκαλεί τρεμούλιασμα υψηλής συχνότητας στην τιμή της γωνίας, ενισχύοντας τον θόρυβο ανάδρασης ταχύτητας.

·  Περιοδικά σφάλματα γωνίας : Η παραμόρφωση του περιβλήματος και οι αρμονικές προκαλούν σφάλματα γωνίας που ποικίλλουν περιοδικά ανάλογα με τη θέση του ρότορα, οδηγώντας σε διακυμάνσεις του ρεύματος του άξονα dq και κυματισμό της ροπής.

·  Σφάλματα και απώλεια κλειδώματος : Σοβαρές παρεμβολές μπορεί να προκαλέσουν απώλεια κλειδώματος στον βρόχο παρακολούθησης RDC, με αποτέλεσμα πηδήματα γωνίας και ενεργοποίηση προστασίας από υπερένταση ή υπέρταση.

·  Υποβάθμιση της απόδοσης του συστήματος : Στα ηλεκτρικά οχήματα, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απόδοση του κινητήρα, αυξημένους κραδασμούς και θόρυβο, ακόμη και σε κίνδυνο για την ασφάλεια του οχήματος.

VI. Τρόπος αναγνώρισης και αντιμετώπισης προβλημάτων

Στον πρακτικό εντοπισμό σφαλμάτων, οι ακόλουθες μέθοδοι μπορούν να προσδιορίσουν γρήγορα εάν τα σήματα του επιλύτη επηρεάζονται από ισχυρό EMI:

·  Χρησιμοποιήστε  διαφορικούς ανιχνευτές  για τη μέτρηση των S1-S3 και S2-S4, αποφεύγοντας τους ανιχνευτές με ένα άκρο που μπορεί να εισάγουν βρόχους γείωσης.

·  Παρατηρήστε ταυτόχρονα το σήμα διέγερσης και τα σήματα εξόδου για να προσδιορίσετε εάν εισάγονται παρεμβολές μέσω της πλευράς διέγερσης.

·  Συγκρίνετε τις κυματομορφές με τον κινητήρα σε στάση έναντι λειτουργίας και με την ενεργοποίηση του PWM έναντι του απενεργοποιημένου, για να προσδιορίσετε εάν οι παρεμβολές προέρχονται από το κύκλωμα ισχύος.

·  Χρησιμοποιήστε το FFT του παλμογράφου για να αναλύσετε το φάσμα παρεμβολής και να ελέγξετε αν συμπίπτει με τη συχνότητα του φορέα PWM ή τις αρμονικές ακμών.

·  Μετρήστε την τάση κοινής λειτουργίας των δύο γραμμών στη γείωση για να αξιολογήσετε το επίπεδο παρεμβολής κοινής λειτουργίας.

VII. Μέτρα Καταστολής

Η καταστολή της παραμόρφωσης απαιτεί ταυτόχρονες προσπάθειες σε τρία μέτωπα: την πηγή παρεμβολής, τη διαδρομή σύζευξης και τον δέκτη.

1. Βελτιστοποιήστε την πλεξούδα καλωδίωσης και τη θωράκιση

·  Χρησιμοποιήστε θωρακισμένα συνεστραμμένα ζεύγη για γραμμές σήματος ανάλυσης, με τη θωράκιση γειωμένη σε ένα μόνο σημείο στο άκρο του αποκωδικοποιητή για να αποφύγετε βρόχους γείωσης που προκαλούνται από γείωση διπλού άκρου.

·  Δρομολογήστε τις γραμμές σήματος ξεχωριστά από τα καλώδια τροφοδοσίας, αποφεύγοντας μεγάλες παράλληλες διαδρομές. εάν η διέλευση είναι αναπόφευκτη, διασχίστε τα κάθετα.

·  Εάν είναι απαραίτητο, χρησιμοποιήστε μεταλλικούς αγωγούς ή θωράκιση διπλής στρώσης για να βελτιώσετε την αποτελεσματικότητα της θωράκισης υψηλής συχνότητας.

2. Φιλτράρισμα και προστασία

·  Προσθέστε τσοκ κοινής λειτουργίας και φίλτρα χαμηλής διέλευσης RC στην είσοδο RDC για να καταστείλετε τον θόρυβο κοινής λειτουργίας και τις δυσλειτουργίες υψηλής συχνότητας.

·  Η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου πρέπει να είναι υψηλότερη από τη συχνότητα διέγερσης του αναλυτή, αποφεύγοντας παράλληλα την υπερβολική καθυστέρηση φάσης, η οποία διαφορετικά θα δημιουργούσε νέα σφάλματα γωνίας.

·  Προσθέστε συσκευές προστασίας, όπως σωλήνες TVS, για να αποτρέψετε τις παροδικές υπερτάσεις να καταστρέψουν το κύκλωμα του αποκωδικοποιητή.

3. Διάταξη και γείωση

·  Τοποθετήστε την πλακέτα αποκωδικοποιητή όσο το δυνατόν πιο κοντά στην υποδοχή του αναλυτή για να συντομεύσετε τα ίχνη αναλογικού σήματος.

·  Διαχωρίστε την αναλογική γείωση από τη γείωση ισχύος, συνδέοντάς τα σε ένα μόνο σημείο για να αποτρέψετε τη ροή μεγάλων ρευμάτων μέσω της αναλογικής γείωσης.

·  Δώστε προσοχή στη συνέχεια της θωράκισης στην επιλογή του συνδετήρα, διασφαλίζοντας ότι η θωράκιση δεν έχει σπάσει στον σύνδεσμο.

4. Παράπλευρη θεραπεία διέγερσης

·  Χρησιμοποιήστε θωρακισμένα συνεστραμμένα ζεύγη και για γραμμές διέγερσης και προσθέστε φιλτράρισμα στο τροφοδοτικό διέγερσης.

·  Αποφύγετε την κοινή χρήση βυσμάτων ή πλεξούδων μεταξύ σημάτων διέγερσης και καλωδίων τροφοδοσίας.

5. Συστημικά και αλγοριθμικά μέτρα

·  Επιλέξτε τσιπ RDC με ισχυρή ικανότητα κατά των παρεμβολών, όπως αυτά με ενσωματωμένη σύγχρονη αποδιαμόρφωση και ψηφιακό φιλτράρισμα.

·  Στο λογισμικό, εφαρμόστε ελέγχους φιλτραρίσματος, περιορισμού ρυθμού και αληθοφάνειας στο σήμα γωνίας για να αποτρέψετε μεμονωμένους παλμούς παρεμβολής από το να προκαλέσουν ανωμαλίες ελέγχου.

·  Βελτιστοποιήστε τους ρυθμούς περιστροφής άκρων PWM και προσθέστε κυκλώματα snubber για να μειώσετε τις παρεμβολές στην πηγή.

VIII. Σύναψη

Ο αναλυτής μαγνητοαντίστασης είναι εγγενώς ένας στιβαρός αισθητήρας, αλλά οι έξοδοι ημιτονοειδούς/συνημιτόνου του είναι αναλογικά σήματα χαμηλού επιπέδου που είναι επιρρεπή σε παραμόρφωση υπό ισχυρό EMI. Η κατανόηση των πηγών παρεμβολών και των διαδρομών σύζευξης και η εφαρμογή της κατάλληλης θωράκισης, φιλτραρίσματος, γείωσης και διάταξης είναι απαραίτητα για τη διασφάλιση της ακρίβειας και της αξιοπιστίας της γωνιακής ανάδρασης.

Για τους μηχανικούς, η κυματομορφή στον παλμογράφο είναι η καλύτερη 'αναφορά υγείας'. Όσο νωρίτερα ανιχνεύεται παραμόρφωση σήματος, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα προβλημάτων του συστήματος.