Επιλογή αισθητήρα αναλυτή κινητήρα νέας κύριας μονάδας ενέργειας: Πέντε κρίσεις μηχανικής που είναι εύκολο να υποτιμηθούν

Για επιλογή αισθητήρα θέσης σε κινητήρες κύριας μετάδοσης κίνησης, το ο επιλύτης είναι σχεδόν αναπόφευκτος. Αλλά η ίδια η 'επιλογή ενός επιλύτη' δεν είναι δύσκολη. Αυτό που είναι δύσκολο είναι να κάνετε τις λίγες κρίσεις πίσω από το φύλλο δεδομένων που καθορίζουν πραγματικά την απόδοση της μαζικής παραγωγής: εάν τα ζεύγη πόλων ταιριάζουν με τον κινητήρα, πόσο να εμπιστευτείτε την ακρίβεια, ποιες συνθήκες λειτουργίας να χρησιμοποιηθούν για την επικύρωση θερμοκρασίας και κραδασμών, εάν η αλυσίδα αποκωδικοποίησης ταιριάζει σωστά και ποιο επίπεδο λειτουργικής ασφάλειας πρέπει να επιτευχθεί. Κάθε ένα από αυτά τα πέντε θέματα είναι αρκετό για να κάνει ένα έργο να φαίνεται απόλυτα φυσιολογικό στο στάδιο του πρωτοτύπου, ενώ εκθέτει προβλήματα στη μαζική παραγωγή ή σε ακραίες συνθήκες.

Αρχικά, διευκρινίστε: γιατί οι εφαρμογές κύριας μονάδας δίσκου εξακολουθούν να μην μπορούν να αποφύγουν τους επιλύτες

Ενόψει των υψηλών θερμοκρασιών, της μόλυνσης λαδιών και των ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών στο διαμέρισμα του κινητήρα, οι δίσκοι κωδικών και οι οπτικοί συζευκτήρες των οπτικών κωδικοποιητών είναι εγγενώς εύθραυστοι, ενώ οι λύσεις που βασίζονται σε Hall αγωνίζονται να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις ακρίβειας και συνέπειας του ελέγχου κύριας μετάδοσης κίνησης. Η ουσία ενός αναλυτή είναι ένας ηλεκτρομαγνητικός μετασχηματιστής: δεν υπάρχουν ηλεκτρονικά εξαρτήματα στον ρότορα. Βασίζεται αποκλειστικά στη διακύμανση της μαγνητικής σύζευξης μεταξύ της περιέλιξης διέγερσης του στάτορα και της προεξοχής του ρότορα για την έξοδο σημάτων ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς περιβλήματος, με όλη την επεξεργασία σήματος να ολοκληρώνεται στην πλευρά του στάτορα και στο κύκλωμα αποκωδικοποίησης. Αυτή η δομή του 'παθητικού ρότορα' καθορίζει ότι τα κατώτατα όριά της για αντίσταση στη θερμοκρασία, αντίσταση λαδιού και αντοχή σε κραδασμούς είναι πολύ υψηλότερα από εκείνα των λύσεων που βασίζονται σε ενεργά συστατικά του ρότορα.

Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι ο αναλυτής είναι βέλτιστος σε κάθε διάσταση. Τα μειονεκτήματά του είναι εξίσου ξεκάθαρα: επηρεάζεται σημαντικά από τις αλλαγές στη σχεδίαση του κινητήρα και η συμβατότητα της πλατφόρμας είναι κατώτερη από τις λύσεις δινορρευμάτων. Σε αναδυόμενα σενάρια όπως συστήματα 800V και εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες, οι αισθητήρες θέσης δινορρευμάτων κερδίζουν σταδιακά την έλξη. Επομένως, η προϋπόθεση για την επιλογή ενός αναλυτή είναι ότι η εφαρμογή κύριας μονάδας δίσκου δίνει μεγαλύτερη βαρύτητα στη 'διαρκή αξιοπιστία κάτω από σκληρά περιβάλλοντα' παρά στην 'ευελιξία επαναχρησιμοποίησης πλατφόρμας'. Εάν ισχύει αυτή η προϋπόθεση, οι ακόλουθες πέντε κρίσεις έχουν πραγματικά νόημα.

Κρίση 1: Η αντιστοίχιση ζευγών πόλων δεν είναι μόνο «ταίριασμα»

Τα ζεύγη πόλων του αναλυτή πρέπει να έχουν σαφή σχέση με τα ζεύγη πόλων κινητήρα, αλλά η ίδια η 'ευθυγράμμιση' έχει δύο πολύ διαφορετικές στρατηγικές υλοποίησης με σημαντικά διαφορετικό κόστος.

Η προτιμώμενη λύση είναι η RPP = MPP (τα ζεύγη πόλων αναλυτή ισούνται με ζεύγη πόλων κινητήρα).  Οι κινητήρες κύριας μετάδοσης κίνησης επιβατηγού αυτοκινήτου έχουν συνήθως 4 έως 10 ζεύγη πόλων. Η προσαρμογή των ζευγών πόλων του αναλυτή αποτρέπει την ενίσχυση των σφαλμάτων μηχανικής κατεργασίας και συναρμολόγησης από τα ζεύγη πόλων κινητήρα και παρέχει υψηλότερη ακρίβεια σταθερής κατάστασης για τον έλεγχο FOC. Αυτή είναι η πρώτη διαδρομή με ακρίβεια, με κόστος την απαίτηση προσαρμογής του αναλυτή για κάθε κινητήρα, με αποτέλεσμα τη χαμηλή κοινότητα της πλατφόρμας.

Το άλλο είναι RPP = 1 (αναλυτής μονού ζεύγους πόλων, συμβιβασμός πλατφόρμας).  Το πλεονέκτημα είναι ότι ένας αναλυτής μπορεί να καλύψει πολλούς κινητήρες, αλλά σφάλματα όπως η μηχανική εκκεντρότητα και η απόκλιση συναρμολόγησης πολλαπλασιάζονται με τα ζεύγη πόλων του κινητήρα και είναι ιδιαίτερα πιθανό να εμφανίζονται ως κυματισμός ροπής στην περιοχή εξασθένησης πεδίου υψηλής ταχύτητας. Εάν επιλεγεί αυτή η διαδρομή, πρέπει να δεσμευτεί επαρκές περιθώριο ακρίβειας στις δομικές ανοχές και τις διαδικασίες συναρμολόγησης για να 'απορροφήσει' το φαινόμενο ενίσχυσης. Διαφορετικά, όσο καλή και αν φαίνεται η ηλεκτρική ακρίβεια στο φύλλο δεδομένων, θα καταναλωθεί από μηχανικά σφάλματα μόλις εγκατασταθεί στον κινητήρα.

Κρίση 2: Ανάλυση του αριθμού της ακρίβειας. Το μηχανικό σφάλμα είναι συχνά ο κύριος παράγοντας

Το 'ηλεκτρικό σφάλμα ±Χ λεπτά τόξου' σε ένα φύλλο δεδομένων μετράται υπό ιδανικές συνθήκες εγκατάστασης και ευθυγράμμισης. Μετά την πραγματική εγκατάσταση στον κινητήρα, οι πηγές σφάλματος περιλαμβάνουν επίσης τουλάχιστον εκκεντρότητα εγκατάστασης, αξονικό παιχνίδι και κακή ευθυγράμμιση στάτορα-ρότορα, καθένα από τα οποία προσθέτει στο συνολικό σφάλμα.

Αυτό σημαίνει ότι ένα συνηθισμένο λάθος επιλογής είναι η επανειλημμένη σύγκριση της ακρίβειας του ίδιου του αναλυτή ενώ δεν υπάρχει εξίσου αυστηρή αναθεώρηση της αλυσίδας ανοχής στη διεπαφή τοποθέτησης. Οι διαχωριστές διαχωρισμού, με χωριστά τοποθετημένο στάτορα και ρότορα, θέτουν υψηλότερες απαιτήσεις στις διαδικασίες δομικού σχεδιασμού και συναρμολόγησης, αλλά είναι πιο αποδοτικοί στο χώρο. Οι ενσωματωμένοι αναλυτές συναρμολογούνται ευκολότερα, αλλά κοστίζουν περισσότερο όγκο. Αυτή η αντιστάθμιση θα πρέπει να κλειδωθεί κατά τη διάρκεια του σταδίου της δομικής αναθεώρησης, αντί να προσπαθήσετε να τη διορθώσετε μετά την επεξεργασία εργαλείων με 'μετάβαση σε έναν επιλύτη υψηλότερης ακρίβειας'. Όταν η μηχανική ακρίβεια είναι ανεπαρκής, κανένα τσιπ αποκωδικοποίησης δεν μπορεί να σώσει το αποτέλεσμα.

Από τη σκοπιά της σύγκρισης του κλάδου, το ηλεκτρικό σφάλμα των βασικών επιλυτών μεταβλητής απροθυμίας κατηγορίας αυτοκινήτου είναι περίπου στο εύρος ±25′ έως ±30′ και ορισμένα βελτιστοποιημένα σχέδια μπορούν να επιτύχουν χαμηλότερες τιμές στις πραγματικές μετρήσεις. Το πραγματικό ερώτημα κατά την επιλογή είναι: υπό ποιες συνθήκες εγκατάστασης λήφθηκε αυτός ο αριθμός; Μπορεί η δομική μου αλυσίδα ανοχής να διατηρήσει τις ίδιες συνθήκες;

Κρίση 3: Επικυρώστε τη θερμοκρασία και τους κραδασμούς κάτω από τις «χειρότερες συνθήκες λειτουργίας», αλλά η περιοχή υψηλής βλάβης συχνά δεν είναι το σώμα του αναλυτή

Το κατώτερο όριο θερμοκρασίας λειτουργίας για τους αναλυτές κινητήρα μετάδοσης κίνησης απαιτείται συνήθως να καλύπτει τους -40°C, ενώ το ανώτερο όριο δεν μπορεί να προσδιοριστεί από τη μέση θερμοκρασία του περιβλήματος του κινητήρα. Οι θέσεις κοντά στις περιελίξεις είναι πολύ πιο ζεστές από το περίβλημα. Τα ανώτερα όρια θερμοκρασίας των βασικών προϊόντων κατηγορίας αυτοκινήτων στη βιομηχανία κατανέμονται στην περιοχή από 150°C έως 155°C και τα σενάρια κοντά σε πηγές θερμότητας απαιτούν επικύρωση με υψηλότερο περιθώριο. Οι κραδασμοί και οι κραδασμοί θα πρέπει επίσης να ελέγχονται ανά στοιχείο σε σχέση με τα προφίλ τυχαίων κραδασμών και μηχανικών κραδασμών του αυτοκινήτου, όχι απλώς να ικανοποιούνται με επιτυχία στατικές δοκιμές θερμοκρασίας δωματίου.

Αυτό όμως που υποτιμάται πιο εύκολα από την αντίσταση στη θερμοκρασία του σώματος είναι το  τμήμα σύνδεσης . Σε πραγματικά έργα όπου εμφανίζονται ανωμαλίες σήματος, ένα σημαντικό ποσοστό δεν είναι αστοχίες των περιελίξεων του αναλυτή ή του μαγνητικού κυκλώματος, αλλά η υποβάθμιση της στεγανοποίησης, η κακή επαφή ή η παρεμβολή μεταξύ των καλωδίων στις πλεξούδες ηλεκτροδίου και τους συνδέσμους υπό κύκλους θερμοκρασίας και κραδασμούς. Εάν η επιλογή επαληθεύει μόνο τη βαθμολογία θερμοκρασίας του σώματος του αναλυτή ενώ αφήνει την επιλογή υλικού πλεξούδας, τη σφράγιση του συνδετήρα και την ανακούφιση καταπόνησης για χειρισμό αργότερα 'όπως απαιτείται', ο πιο αδύναμος κρίκος στην αλυσίδα αξιοπιστίας αφήνεται μέχρι το τέλος.

Κρίση 4: Οι ηλεκτρικές παράμετροι και η αλυσίδα αποκωδικοποίησης πρέπει να συγκριθούν στον ίδιο πίνακα

Ο αναλυτής εξάγει σήματα ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς διαμορφωμένου πλάτους σε έναν φορέα. Οι πληροφορίες γωνίας είναι κρυμμένες στο φάκελο και πρέπει να αποδιαμορφωθούν πριν γίνουν ψηφιακή γωνία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το MCU. Η επιλογή του σχήματος αποκωδικοποίησης επιβάλλει άμεσα αντίστροφους περιορισμούς στις ηλεκτρικές παραμέτρους του σώματος του αναλυτή.

Η σκληρή αποκωδικοποίηση (τσιπ RDC)  ακολουθεί την αποκλειστική διαδρομή μετατροπέα αναλυτή σε ψηφιακό, με τυπική ανάλυση 12 έως 16 bit και λανθάνουσα κατάσταση παρακολούθησης στην περιοχή από δεκάδες έως εκατοντάδες μικροδευτερόλεπτα. Διαθέτει ενσωματωμένο βρόχο ώριμης PLL και δεν καταναλώνει σχεδόν καθόλου υπολογιστική ισχύ MCU, καθιστώντας το κατάλληλο για πλατφόρμες μαζικής παραγωγής με αυστηρά χρονοδιαγράμματα βαθμονόμησης. Το κόστος είναι σταθερό εύρος ζώνης βρόχου, το οποίο δεν μπορεί να προσαρμοστεί σε βάθος για τα δυναμικά χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου κινητήρα.

Η μαλακή αποκωδικοποίηση (αλγόριθμος λογισμικού DSADC +)  εξαλείφει το εξωτερικό RDC και χρησιμοποιεί το ADC δέλτα-σίγμα στο chip του MCU για απευθείας δειγματοληψία των διαμορφωμένων σε πλάτος σημάτων, μετά τα οποία το λογισμικό ολοκληρώνει ολόκληρο τον υπολογισμό. Ο υψηλός λόγος υπερδειγματοληψίας και το ψηφιακό φιλτράρισμα του DSADC μπορούν να ωθήσουν το θόρυβο κβαντοποίησης σε υψηλές συχνότητες και να επιτύχουν υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο για το φάκελο χαμηλής συχνότητας σε έναν φορέα 5–10 kHz, διατηρώντας παράλληλα την ευελιξία προσαρμογής των παραμέτρων υπολογισμού για δυναμικά χαρακτηριστικά κινητήρα. Το κόστος είναι η κατάληψη της υπολογιστικής ισχύος MCU και των πόρων ανάπτυξης και η ποιότητα της λύσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ωριμότητα του λογισμικού.

Όποια διαδρομή και αν ακολουθηθεί, οι παράμετροι που πρέπει να ευθυγραμμιστούν κατά την επιλογή περιλαμβάνουν τουλάχιστον: συχνότητα διέγερσης (τα κύρια RDC καλύπτουν ένα εύρος διέγερσης από 2 kHz έως 20 kHz και οι τυπικοί αναλυτές βαθμολογούνται κοντά στα 10 kHz), αναλογία μετασχηματισμού (συνήθως στο εύρος 0,286 έως 0,5, εύρος κάλυψης τσιπ και ικανότητα διέγερσης στην περιοχή διέγερσης και διέγερσης). Οι συνέπειες της αναντιστοιχίας απολαβής είναι άμεσες: το ανεπαρκές πλάτος επιδεινώνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο, ενώ ο κορεσμός του πλάτους προκαλεί απόκομμα κυματομορφής. Και στις δύο περιπτώσεις, οι πληροφορίες γωνίας παραμορφώνονται. Η σύγκριση του φύλλου δεδομένων του αναλυτή με το χειροκίνητο τσιπ αποκωδικοποίησης στοιχείο προς στοιχείο στο σχηματικό στάδιο υλικού κοστίζει μόνο μισή ημέρα και εξοικονομεί ατελείωτη επανεξέταση εντοπισμού σφαλμάτων αργότερα.

Κρίση 5: Η λειτουργική ασφάλεια δεν τελειώνει με την 'επιλογή ενός μοντέλου με βαθμολογία ASIL'

Ο κύριος αισθητήρας θέσης μετάδοσης κίνησης είναι το σημείο εκκίνησης του κλειστού βρόχου ελέγχου ροπής. Μόλις αποτύχει το σήμα γωνίας, οι συνέπειες κυμαίνονται από διακύμανση ροπής έως διακοπή ισχύος ή ακούσια ροπή. Επομένως, τα ζητήματα λειτουργικής ασφάλειας δεν μπορούν να σταματήσουν στο επίπεδο του 'ο προμηθευτής ισχυρίζεται υποστήριξη για το ASIL X'; πρέπει να υλοποιούνται στον συγκεκριμένο σχεδιασμό  σφαλμάτων ενός σημείου και πλεονάζουσας αρχιτεκτονικής.

Η τυπική πρακτική του κλάδου είναι να επιτυγχάνεται το ASIL C (SEooC) στο επίπεδο του σώματος του αναλυτή ή του στοιχείου αίσθησης και η υποστήριξη του συνολικού συστήματος για την επίτευξη του ASIL D μέσω σχεδίασης πλεονασμού σε επίπεδο συστήματος—περιελίξεις δύο καναλιών, διπλές αλυσίδες αποκωδικοποίησης ή παράλληλη επαλήθευση «φυσικού αισθητήρα + εκτίμησης χωρίς αισθητήρα». Ποια είναι η διαγνωστική κάλυψη; Εάν χρησιμοποιείται ένα σχήμα δύο καναλιών, πώς διασφαλίζεται η ανεξαρτησία των δύο καναλιών και πώς αποκλείονται οι αποτυχίες κοινής αιτίας; Αυτές οι ερωτήσεις είναι συνήθως αόρατες στους πίνακες σύγκρισης προδιαγραφών, ωστόσο καθορίζουν άμεσα εάν το όρισμα λειτουργικής ασφάλειας μπορεί να κλείσει.

Επιστροφή στην αίσθηση της τάξης στην επιλογή

Συνδέοντας αυτές τις πέντε κρίσεις μαζί, η λογική της επιλογής είναι πραγματικά ξεκάθαρη:  πρώτα καθορίστε τη στρατηγική του ζεύγους πόλων (πρώτα ακρίβεια ή πλατφόρμα), μετά κλειδώστε τη δομική μορφή και την αλυσίδα ανοχής εγκατάστασης, μετά επικυρώστε τη θερμοκρασία και τους κραδασμούς στη χειρότερη περίπτωση και συμπεριλάβετε το τμήμα σύνδεσης στην ίδια λίστα ελέγχου αξιοπιστίας, στη συνέχεια ταιριάξτε τις απαιτήσεις αποσύνδεσης και ασφάλειας συστήματος με τις απαιτήσεις ηλεκτρικής λειτουργίας και ασφάλειας. ελέγξτε αντίστροφα εάν η πλεονάζουσα αρχιτεκτονική είναι έγκυρη.  Μετά από αυτά τα πέντε βήματα, συνήθως απομένουν μόνο ένα ή δύο υποψήφια μοντέλα και οι διαφορές μεταξύ αυτών των ενός ή των δύο είναι το μέρος που αξίζει πραγματικά να αφιερώσετε χρόνο για σύγκριση πρωτοτύπων.

Ο αναλυτής δεν είναι η μόνη επιλογή για αισθητήρες κύριας θέσης μονάδας δίσκου, αλλά σε έργα κύριας μονάδας μαζικής παραγωγής όπου η αξιοπιστία και η περιβαλλοντική ανοχή είναι οι κορυφαίες προτεραιότητες, ο αναλυτής εξακολουθεί να είναι ένα στοιχείο που πρέπει να 'επιλεγεί σωστά' αντί να 'επιλεγεί τυχαία'.