Sin/Cos-signaali moonutuste analüüs reluktants-tüüpi lahustites tugevate elektromagnetiliste häirete all - EV-lahusandur

Sellistes rakendustes nagu uute energiasõidukite elektriajamid ja tööstuslikud servod, reluktants-tüüpi Lahereid kasutatakse laialdaselt mootori rootori asendianduritena. Need ei sisalda pooljuhtkiipe, taluvad kõrgeid temperatuure ja peavad vastu vibratsioonile – need tunduvad väga 'karmid'. Paljud insenerid puutuvad aga kohapeal kokku mõistatusliku probleemiga: kui mootori võimsus suureneb ja PWM-i lülitussagedus tõuseb, tekivad lahendaja siinus/koosinus väljundsignaalides tõrkeid, lamedaid katteid, nihkeid, nurgamuutusi ja muid moonutusi. pulsatsioon ja isegi kontrolleri vead.

I. Milline näeb välja tavaline siinus/koosinussignaal?

Reluktants-tüüpi lahendaja ehitus on suhteliselt lihtne: staatoril on ergutusmähis ja kaks ruumiliselt ortogonaalset väljundmähist, rootor aga on valmistatud spetsiaalse kujuga räniterasest väljapaistvatest poolustest, millel puuduvad mähised. Ergastusmähisele rakendatakse kõrgsageduslikku sinusoidset ergastust:

Kui rootor pöörleb nurga θ võrra , indutseerivad kaks väljundmähist vastavalt:

Praktikas on iga signaal diferentsiaalne, nt S1-S3 ja S2-S4. Nagu näha, on lahendaja väljund kõrgsageduslik kandja, mille amplituudi moduleerib rootori nurk  θ  . Ostsilloskoobil paistavad lainekujud kahe mähisjoonena, mis varieeruvad vastavalt siinus- ja koosinusnurgaga.

Dekodeerimiskiip – Resolver-to-Digital Converter (RDC) – demoduleerib need signaalid, eraldab mähised ja arvutab nurga  

II. Kust tulevad tugevad elektromagnetilised häired?

Resolver paigaldatakse tavaliselt mootori otsa, mida ümbritseb tüüpiline tugev elektromagnetiline häirekeskkond:

·  IGBT-de/MOSFETide kiire ümberlülitamine : mootorikontrolleri PWM-i kandesagedus jääb tavaliselt vahemikku mõni kHz kuni kümneid kHz, kuid lülitusservad on vaid kümned kuni sadu nanosekundeid, kusjuures spektrid ulatuvad kuni kümnete MHzdeni.

·  Toitesiinid ja faasikaablid : kiired muutused kõrges voolus ja kõrges pinges tekitavad tugevaid elektri- ja magnetvälju.

·  Kontaktori ja relee toimingud : tekitavad kaar- ja siirdeimpulsse.

·  Toitemuundurid : lülitustoiteallikate pulsatsioon ja harmoonilised.

Kui need häired seostuvad lahendaja signaaliliinidega, kattuvad need muidu puhaste siinus/koosinussignaalidega.

III. Kuidas häired signaaliahelasse sisenevad

Häired sisenevad lahendaja signaaliahelasse nelja peamise tee kaudu:

1. Kiirgusside
Toiteliinid ja lülitussõlmed toimivad saateantennidena, lahendaja juhtmestikud aga vastuvõtuantennidena. Kui lahendaja rakmed suunatakse paralleelselt toitekaablitega, indutseerivad kõrgsageduslikud elektromagnetväljad pinged otse rakmetes.

2. Juhtiv sidestus
Häired sisenevad lahendajasüsteemi läbi ergastuse toiteliinide või dekoodri plaadi toiteallika ja ühenduvad seejärel signaali poolele.

3. Maanduspotentsiaali erinevused
Suured voolud põhjustavad pingelangusi maandusjälgedel või metallkorpustel, tekitades lahendaja ja dekoodri otsa vahel ebavõrdseid maanduspotentsiaale, moodustades ühisrežiimi pingeid.

4. Ristkõne liinide vahel
Kui lahendaja rakmed jooksevad paralleelselt faasikaablite, siinidega jne, seovad parasiitmahtuvus ja liinide vastastikune induktiivsus häired.

IV. Tüüpilised moonutuste ilmingud

Ostsilloskoobil võivad siinus-/koosinussignaalid tugeva EMI all ilmneda järgmistes vormides.

1. Kõrgsageduslike häirete superpositsioon
Kandjale ilmuvad naelu ja helinad, mis on sünkroniseeritud PWM-i servadega. Selle põhjuseks on asjaolu, et lülitusmomentide ajal tekkivad kõrgsageduslikud voolud ühenduvad parasiitmahtuvuse kaudu signaaliliinideks. Rikete amplituudid võivad ulatuda kümnete mV või isegi sadade mVdeni, samas kui tavalised diferentsiaalsignaali amplituudid on tavaliselt vaid mõned voltid, mille tulemuseks on SNR oluline langus.

2. Ühisrežiimi ja diferentsiaalrežiimi müra
Diferentsiaalsignaalid on teoreetiliselt tundlikud ainult kahe juhtme vahelise pinge erinevuse suhtes ja neil on ühisrežiimi häirete vastu võitlemise võime. Tegelikud kaablid, pistikud ja filtrivõrgud pole aga kunagi täiesti sümmeetrilised. Kui sisenevad kõrgsageduslikud ühisrežiimi häired, muundatakse osa sellest diferentsiaalrežiimi pingeks ja kantakse siinus-/koosinussignaalidele. See müra ilmub ümbrikule sageli perioodilise 'uduna'.

3. Lõikamine ja küllastus
Kui häirete amplituud on suur ja kattuv signaali tipp ületab RDC sisendi vahemikku või operatsioonivõimendi toiterööpaid, siis lainekuju tipud 'lõikatakse'. Lõikamine hävitab otseselt sin/cos mähisjoone, põhjustades tõsiseid mittelineaarseid vigu dekodeeritud nurgas.

4. DC nihke triiv
Madala sagedusega komponendid häiretes, maandusahela vooludes või alaldusefektides võivad põhjustada signaali alalisvoolu nihke, muutes lainekuju asümmeetriliseks. RDC dekodeerimine eeldab tavaliselt puhtaid vahelduvvoolu signaale; nihe põhjustab nurgavigu ja kiiruse lainetust.

5. Harmoonilised moonutused
Magnetmaterjalide mittelineaarsus ning intermodulatsioon häirete ja ergastuskandja vahel tekitavad harmoonilisi komponente. Kui harmoonilised sisenevad RDC-sse, võidakse need demoduleerida nurga kõrgetasemelisteks harmoonilisteks vigadeks, mis avalduvad pöördemomendi pulsatsiooni või mürana.

6. Siinus/koosinus amplituudi tasakaalustamatus ja faasinihe
Kui kahel signaaliteel sin ja cos on erinevad filtriparameetrid, kaabli pikkused või pistikute kontakttakistus, mõjutavad need kaks kanalit tugevate häirete korral erinevalt, mille tulemuseks on amplituudi mittevastavus või faasinihe. RDC arvutab nurga sinθ/cosθ alusel; amplituudi või faasi tasakaalustamatus põhjustab otseselt nurgavigu.

V. Moonutuste mõju süsteemile

Signaali moonutamine ei ole ostsilloskoobi 'visuaalne probleem'; see peegeldab otseselt süsteemi jõudlust:

·  Nurga väljundvärin : RDC poolt demoduleeritud müra põhjustab nurga väärtuses kõrgsageduslikku värinat, võimendades kiiruse tagasisidemüra.

·  Perioodilised nurgavead : mähisjoone moonutused ja harmoonilised põhjustavad nurgavigu, mis varieeruvad perioodiliselt sõltuvalt rootori asendist, mis põhjustab dq-telje voolu kõikumisi ja pöördemomendi pulsatsiooni.

·  Vead ja lukustuse kadumine : Tõsised häired võivad põhjustada RDC jälgimissilmuse lukustuse kaotamise, mille tulemuseks on nurgahüpped ja ülevoolu- või ülepingekaitse käivitamine.

·  Süsteemi jõudluse halvenemine : elektrisõidukites võib see kaasa tuua mootori efektiivsuse vähenemise, suurenenud vibratsiooni ja müra ning isegi ohustada sõiduki ohutust.

VI. Kuidas tuvastada ja tõrkeotsingut teha

Praktilisel silumisel saavad järgmised meetodid kiiresti kindlaks teha, kas tugev EMI mõjutab lahendaja signaale.

·  Kasutage S1-S3 ja S2-S4 mõõtmiseks  diferentsiaalsonde  , vältides ühe otsaga sonde, mis võivad tekitada maandussilmuseid.

·  Jälgige samaaegselt nii ergastussignaali kui ka väljundsignaale, et teha kindlaks, kas ergutuspoole kaudu on sisse toodud häireid.

·  Võrrelge lainekujusid seisva mootori ja töötava mootoriga ning PWM-i sisse- ja väljalülitamisega, et teha kindlaks, kas häired pärinevad toiteahelast.

·  Kasutage ostsilloskoobi FFT-d, et analüüsida häirete spektrit ja kontrollida, kas see langeb kokku PWM-i kandesageduse või servaharmoonilistega.

·  Mõõtke kahe liini ühisrežiimi pinget maanduses, et hinnata ühisrežiimi häirete taset.

VII. Supressioonmeetmed

Moonutuste mahasurumine nõuab üheaegseid jõupingutusi kolmel rindel: häirete allikas, ühendustee ja vastuvõtja.

1. Optimeerige juhtmestik ja varjestus

·  Kasutage lahendaja signaaliliinide jaoks varjestatud keerdpaare, mille varjestus on maandatud ühest punktist dekoodri otsas, et vältida kahe otsaga maandusest põhjustatud maandussilmusi.

·  Suunake signaaliliinid toitekaablitest eraldi, vältides pikki paralleelseid jookse; kui ristumine on vältimatu, ristuge need risti.

·  Vajadusel kasutage kõrgsagedusliku varjestuse tõhususe parandamiseks metalltorusid või kahekihilist varjestust.

2. Filtreerimine ja kaitse

·  Lisage RDC-sisendile tavarežiimi drosselid ja RC madalpääsfiltrid, et summutada tavarežiimi müra ja kõrgsageduslikke tõrkeid.

·  Filtri väljalülitussagedus peaks olema kõrgem kui lahendaja ergutussagedus, vältides samas liigset faasiviivitust, mis muidu tooks kaasa uusi nurgavigu.

·  Lisage kaitseseadmed, näiteks TVS-torud, et vältida mööduvate liigpingete kahjustamist dekoodri vooluringi.

3. Paigutus ja maandus

·  Analoogsignaali jälgede lühendamiseks asetage dekoodri plaat lahendi pistikule võimalikult lähedale.

·  Eraldage analoogmaandus toitemaandusest, ühendades need ühes punktis, et vältida suurte voolude voolamist läbi analoogmaanduse.

·  Pöörake pistiku valimisel tähelepanu varjestuse järjepidevusele, tagades, et varjes ei puruneks pistiku juurest.

4. Ergastuspoolne ravi

·  Kasutage varjestatud keerdpaare ka ergutusliinide jaoks ja lisage ergutustoiteallikale filtreerimine.

·  Vältige pistikute või rakmete jagamist ergutussignaalide ja toitekaablite vahel.

5. Süsteemsed ja algoritmilised meetmed

·  Valige tugeva häiretevastase võimega RDC-kiibid, näiteks need, millel on sisseehitatud sünkroonne demodulatsioon ja digitaalne filtreerimine.

·  Tarkvaras rakendage nurgasignaalile filtreerimist, kiiruse piiramist ja usutavuse kontrolli, et vältida üksikute häireimpulsside tekitamist juhtimisanomaaliaid.

·  Optimeerige PWM-i servade pöördekiirust ja lisage summutusahelad, et vähendada häireid allikas.

VIII. Järeldus

Magnetoresistiivne lahendaja on oma olemuselt vastupidav andur, kuid selle siinus/koosinusväljundid on madala tasemega analoogsignaalid, mis on tugeva EMI korral vastuvõtlikud moonutustele. Häireallikate ja sidestusteede mõistmine ning õige varjestuse, filtreerimise, maanduse ja paigutuse rakendamine on nurgatagasiside täpsuse ja usaldusväärsuse tagamiseks hädavajalikud.

Inseneride jaoks on ostsilloskoobi lainekuju parim 'tervisearuanne'. Mida varem tuvastatakse signaalimoonutus, seda väiksem on süsteemiprobleemide tõenäosus.