Análisis de la distorsión de la señal sen/cos en solucionadores de tipo reluctancia bajo fuertes interferencias electromagnéticas: sensor de resolución EV

En aplicaciones como accionamientos eléctricos de vehículos de nueva energía y servos industriales, tipo reluctancia. Los resolvers se utilizan ampliamente como sensores de posición del rotor del motor. No contienen chips semiconductores, soportan altas temperaturas y resisten vibraciones; parecen muy 'robustos'. Sin embargo, muchos ingenieros encuentran un problema desconcertante en el sitio: una vez que la potencia del motor aumenta y la frecuencia de conmutación PWM aumenta, las señales de salida seno/coseno del resolutor desarrollan fallas, topes planos, distorsión de envolvente y otras anomalías, lo que lleva a fluctuación de ángulo, ondulación de torque e incluso fallas del controlador.

I. ¿Cómo se ve una señal seno/coseno de resolución normal?

La estructura de un resolutor de reluctancia es relativamente simple: el estator lleva un devanado de excitación y dos devanados de salida espacialmente ortogonales, mientras que el rotor está hecho de polos salientes de acero al silicio de forma especial sin devanados. Se aplica una excitación sinusoidal de alta frecuencia al devanado de excitación:

Cuando el rotor gira un ángulo θ , los dos devanados de salida inducen respectivamente:

En la práctica, cada señal es diferencial, por ejemplo, S1-S3 y S2-S4. Como puede verse, la salida del resolutor es una portadora de alta frecuencia cuya amplitud está modulada por el ángulo del rotor  θ  . En un osciloscopio, las formas de onda aparecen como dos envolventes que varían con el ángulo como seno y coseno, respectivamente.

El chip decodificador, el convertidor de resolución a digital (RDC), demodula estas señales, extrae las envolventes y calcula el ángulo mediante  

II. ¿De dónde provienen las fuertes interferencias electromagnéticas?

El resolutor suele montarse en el extremo del motor, rodeado por un entorno típico de fuerte interferencia electromagnética:

·  Conmutación de alta velocidad de IGBT/MOSFET : la frecuencia portadora PWM del controlador del motor suele estar en el rango de unos pocos kHz a decenas de kHz, pero los bordes de conmutación son sólo de decenas a cientos de nanosegundos, con espectros que se extienden hasta decenas de MHz.

·  Barras colectoras de potencia y cables de fase : Los cambios rápidos de alta corriente y alto voltaje generan fuertes campos eléctricos y magnéticos.

·  Operaciones de contactores y relés : Producen arcos y pulsos transitorios.

·  Convertidores de potencia : Ondulación y armónicos procedentes de fuentes de alimentación conmutadas.

Una vez que estas interferencias se acoplan a las líneas de señal del resolver, se superponen a las señales seno/coseno que de otro modo estarían limpias.

III. Cómo entra la interferencia en la cadena de señales

Hay cuatro caminos principales a través de los cuales la interferencia ingresa a la cadena de señales del resolutor:

1. Acoplamiento radiativo
Las líneas eléctricas y los nodos de conmutación actúan como antenas transmisoras, mientras que los mazos de cables de resolución actúan como antenas receptoras. Cuando los arneses del resolver se colocan en paralelo a los cables de alimentación, los campos electromagnéticos de alta frecuencia inducen voltajes directamente en los arneses.

2. Acoplamiento conductivo
La interferencia ingresa al sistema de resolución a través de las líneas de alimentación de excitación o la fuente de alimentación de la placa del decodificador y luego se acopla en el lado de la señal.

3. Diferencias de potencial de tierra
Las grandes corrientes causan caídas de voltaje en las pistas de tierra o en las carcasas metálicas, creando potenciales de tierra desiguales entre el extremo del resolutor y el extremo del decodificador, formando voltajes de modo común.

4. Diafonía entre líneas
Cuando los arneses del resolver corren paralelos a cables de fase, barras colectoras, etc., la capacitancia parásita y la inductancia mutua entre líneas acoplan la interferencia.

IV. Manifestaciones típicas de distorsión

En un osciloscopio, las señales seno/coseno bajo EMI intensa pueden aparecer en las siguientes formas.

1. Superposición de fallas de alta frecuencia. Aparecen
picos y timbres sincronizados con bordes PWM en el portador. Esto se debe a que las corrientes de alta frecuencia generadas durante los momentos de conmutación se acoplan en líneas de señal a través de capacitancia parásita. Las amplitudes de falla pueden alcanzar decenas de mV o incluso cientos de mV, mientras que las amplitudes de señal diferencial normal suelen ser de solo unos pocos voltios, lo que resulta en una caída significativa en la SNR.

2. Ruido de modo común a modo diferencial
Las señales diferenciales son teóricamente sensibles sólo a la diferencia de voltaje entre los dos cables y tienen capacidad de rechazo contra la interferencia de modo común. Sin embargo, los cables, conectores y redes de filtros reales nunca son perfectamente simétricos. Cuando entra interferencia de modo común de alta frecuencia, parte de ella se convierte en voltaje de modo diferencial y se superpone a las señales seno/coseno. Este ruido suele aparecer como una 'pelusa' periódica en el sobre.

3. Recorte y saturación
Cuando la amplitud de la interferencia es grande y el pico de la señal superpuesta excede el rango de entrada del RDC o los rieles de suministro del amplificador operacional, las partes superiores de la forma de onda se 'recortan'. El recorte destruye directamente la envolvente sen/cos, causando graves errores no lineales en el ángulo decodificado.

4. Deriva de compensación de CC
Los componentes de baja frecuencia en la interferencia, las corrientes del bucle de tierra o los efectos de rectificación pueden causar una compensación de CC en la señal, haciendo que la forma de onda sea asimétrica. La decodificación RDC normalmente supone señales de CA puras; El desplazamiento conduce a errores de ángulo y fluctuaciones de velocidad.

5. Distorsión armónica
La no linealidad de los materiales magnéticos y la intermodulación entre la interferencia y el portador de excitación generan componentes armónicos. Una vez que los armónicos ingresan al RDC, pueden demodularse en errores armónicos de alto orden en el ángulo, manifestándose como ondulación del par o ruido.

6. Desequilibrio de amplitud seno/coseno y cambio de fase
Si las dos rutas de señal para sen y cos tienen diferentes parámetros de filtro, longitudes de cable o impedancias de contacto del conector, los dos canales se ven afectados de manera diferente bajo una fuerte interferencia, lo que resulta en una falta de coincidencia de amplitud o un cambio de fase. El RDC calcula el ángulo basándose en senθ/cosθ; El desequilibrio de amplitud o fase produce directamente errores de ángulo.

V. Impacto de la distorsión en el sistema

La distorsión de la señal no es simplemente un 'problema visual' en el osciloscopio; se refleja directamente en el rendimiento del sistema:

·  Jitter de salida de ángulo : El ruido demodulado por el RDC provoca fluctuaciones de alta frecuencia en el valor del ángulo, amplificando el ruido de retroalimentación de velocidad.

·  Errores de ángulo periódicos : la distorsión envolvente y los armónicos provocan errores de ángulo que varían periódicamente con la posición del rotor, lo que provoca fluctuaciones de corriente en el eje dq y ondulaciones del par.

·  Fallos y pérdida de bloqueo : interferencias graves pueden hacer que el bucle de seguimiento del RDC pierda el bloqueo, lo que provoca saltos de ángulo y activa la protección contra sobrecorriente o sobretensión.

·  Degradación del rendimiento del sistema : en los vehículos eléctricos, esto puede provocar una reducción de la eficiencia del motor, un aumento de la vibración y el ruido e incluso comprometer la seguridad del vehículo.

VI. Cómo identificar y solucionar problemas

En la depuración práctica, los siguientes métodos pueden determinar rápidamente si las señales del resolver se ven afectadas por una EMI fuerte:

·  Utilice  sondas diferenciales  para medir S1-S3 y S2-S4, evitando sondas de un solo extremo que puedan introducir bucles de tierra.

·  Observe simultáneamente la señal de excitación y las señales de salida para determinar si se introducen interferencias a través del lado de excitación.

·  Compare las formas de onda con el motor parado versus en funcionamiento, y con el encendido versus apagado de PWM, para determinar si la interferencia se origina en el circuito de alimentación.

·  Utilice la FFT del osciloscopio para analizar el espectro de interferencia y comprobar si coincide con la frecuencia portadora PWM o los armónicos de borde.

·  Mida el voltaje de modo común de las dos líneas a tierra para evaluar el nivel de interferencia de modo común.

VII. Medidas de represión

Suprimir la distorsión requiere esfuerzos simultáneos en tres frentes: la fuente de interferencia, la ruta de acoplamiento y el receptor.

1. Optimice el mazo de cables y el blindaje

·  Utilice pares trenzados blindados para las líneas de señal del resolver, con el blindaje conectado a tierra en un solo punto en el extremo del decodificador para evitar bucles de tierra causados ​​por una conexión a tierra de doble extremo.

·  Enrutar las líneas de señal separadas de los cables de alimentación, evitando largos recorridos paralelos; si es inevitable cruzarlos, crúcelos perpendicularmente.

·  Si es necesario, utilice conductos metálicos o blindaje de doble capa para mejorar la eficacia del blindaje de alta frecuencia.

2. Filtrado y protección

·  Agregue inductores de modo común y filtros de paso bajo RC en la entrada RDC para suprimir el ruido de modo común y los fallos de alta frecuencia.

·  La frecuencia de corte del filtro debe ser mayor que la frecuencia de excitación del resolutor evitando al mismo tiempo un retraso de fase excesivo, que de otro modo introduciría nuevos errores de ángulo.

·  Agregue dispositivos de protección como tubos TVS para evitar que las sobretensiones transitorias dañen el circuito del decodificador.

3. Disposición y puesta a tierra

·  Coloque la placa decodificadora lo más cerca posible del conector del resolutor para acortar las trazas de la señal analógica.

·  Separe la tierra analógica de la tierra de alimentación, conectándolas en un solo punto para evitar que fluyan grandes corrientes a través de la tierra analógica.

·  Preste atención a la continuidad del blindaje en la selección del conector, asegurándose de que el blindaje no esté roto en el conector.

4. Tratamiento secundario de excitación

·  Utilice también pares trenzados blindados para las líneas de excitación y agregue filtrado a la fuente de alimentación de excitación.

·  Evite compartir conectores o arneses entre señales de excitación y cables de alimentación.

5. Medidas sistémicas y algorítmicas.

·  Elija chips RDC con una fuerte capacidad antiinterferente, como aquellos con demodulación síncrona y filtrado digital integrados.

·  En el software, aplique filtrado, limitación de velocidad y verificaciones de plausibilidad a la señal angular para evitar que los pulsos de interferencia individuales causen anomalías de control.

·  Optimice las velocidades de respuesta del borde PWM y agregue circuitos amortiguadores para reducir la interferencia en la fuente.

VIII. Conclusión

El resolver magnetorresistivo es inherentemente un sensor resistente, pero sus salidas seno/coseno son señales analógicas de bajo nivel que son susceptibles a distorsión bajo EMI fuerte. Comprender las fuentes de interferencia y las rutas de acoplamiento, e implementar el blindaje, el filtrado, la conexión a tierra y el diseño adecuados son esenciales para garantizar la precisión y confiabilidad de la retroalimentación angular.

Para los ingenieros, la forma de onda del osciloscopio es el mejor 'informe de estado'. Cuanto antes se detecte la distorsión de la señal, menor será la probabilidad de que se produzcan problemas en el sistema.