تجزیه و تحلیل اعوجاج سیگنال Sin/Cos در حل‌کننده‌های نوع رلوکتانس تحت تداخل الکترومغناطیسی قوی - سنسور رزولور EV

در کاربردهایی مانند درایوهای الکتریکی وسایل نقلیه با انرژی جدید و سرووهای صنعتی، از نوع بی میلی حل کننده ها به طور گسترده ای به عنوان سنسورهای موقعیت روتور موتور استفاده می شوند. آنها فاقد تراشه های نیمه هادی هستند، در برابر دماهای بالا مقاومت می کنند و در برابر لرزش مقاومت می کنند - به نظر بسیار 'مناسب' می رسند. با این حال، بسیاری از مهندسان در محل با یک مشکل گیج کننده مواجه می شوند: هنگامی که قدرت موتور افزایش می یابد و فرکانس سوئیچینگ PWM افزایش می یابد، سیگنال های خروجی سینوسی/کسینوس حل کننده دچار اشکال می شوند، ایرادهایی ایجاد می کنند که منجر به انحراف می شود. لرزش، ریپل گشتاور و حتی خطاهای کنترلر.

I. یک سیگنال سینوس/کسینوس حل کننده عادی چگونه به نظر می رسد؟

ساختار یک حل‌کننده نوع رلوکتانس نسبتاً ساده است: استاتور دارای یک سیم‌پیچ تحریکی و دو سیم‌پیچ خروجی متعامد مکانی است، در حالی که روتور از قطب‌های برجسته فولاد سیلیکونی با شکل خاص بدون سیم‌پیچ ساخته شده است. یک تحریک سینوسی با فرکانس بالا روی سیم پیچ تحریک اعمال می شود:

هنگامی که روتور با زاویه θ می چرخد ، دو سیم پیچ خروجی به ترتیب القا می کنند:

در عمل، هر سیگنال دیفرانسیل است، به عنوان مثال، S1-S3 و S2-S4. همانطور که مشاهده می شود، خروجی تفکیک کننده یک حامل فرکانس بالا است که دامنه آن توسط زاویه روتور  θ مدوله می شود  . در یک اسیلوسکوپ، شکل موج ها به صورت دو پوشش ظاهر می شوند که به ترتیب با زاویه سینوسی و کسینوس تغییر می کنند.

تراشه رمزگشایی - مبدل Resolver-To-Digital (RDC) - این سیگنال ها را دموولاسیون می کند، پاکت ها را استخراج می کند و زاویه را از طریق محاسبه می کند.  

II. تداخل الکترومغناطیسی قوی از کجا می آید؟

حل‌کننده معمولاً در انتهای موتور نصب می‌شود که توسط یک محیط تداخل الکترومغناطیسی قوی احاطه شده است:

·  سوئیچینگ با سرعت بالا IGBT/MOSFET : فرکانس حامل PWM کنترل کننده موتور معمولاً در محدوده چند کیلوهرتز تا ده ها کیلوهرتز است، اما لبه های سوئیچینگ تنها ده ها تا صدها نانوثانیه هستند و طیف ها تا ده ها مگاهرتز گسترش می یابند.

·  شینه های برق و کابل های فاز : تغییرات سریع در جریان بالا و ولتاژ بالا، میدان های الکتریکی و مغناطیسی قوی ایجاد می کند.

·  عملیات کنتاکتور و رله : پالس های قوس الکتریکی و گذرا تولید می کند.

مبدل های  قدرت : ریپل و هارمونیک ها از منابع تغذیه سوئیچینگ.

هنگامی که این تداخل ها به خطوط سیگنال تفکیک کننده متصل می شوند، بر روی سیگنال های سینوسی/کسینوس تمیز قرار می گیرند.

III. نحوه ورود تداخل به زنجیره سیگنال

چهار مسیر اصلی وجود دارد که از طریق آنها تداخل به زنجیره سیگنال تفکیک کننده وارد می شود:

1. کوپلینگ تابشی
خطوط برق و گره‌های سوئیچینگ مانند آنتن‌های فرستنده عمل می‌کنند، در حالی که دسته سیم‌های حل‌کننده مانند آنتن‌های گیرنده عمل می‌کنند. هنگامی که مهارهای رزولوشن به موازات کابل های برق هدایت می شوند، میدان های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا ولتاژهایی را مستقیماً روی هارنس القا می کنند.

2. تداخل کوپلینگ رسانا
از طریق خطوط منبع تغذیه تحریک یا منبع تغذیه برد رمزگشا وارد سیستم تفکیک کننده می شود و سپس به سمت سیگنال جفت می شود.

3. تفاوت‌های پتانسیل زمین
جریان‌های بزرگ باعث افت ولتاژ در ردپای زمین یا محفظه‌های فلزی می‌شوند و پتانسیل‌های زمین نابرابر را بین انتهای تفکیک‌کننده و انتهای رمزگشا ایجاد می‌کنند و ولتاژهای حالت مشترک را تشکیل می‌دهند.

4. تداخل بین خطوط
هنگامی که مهارهای تفکیک کننده به موازات کابل های فاز، شین ها و غیره اجرا می شوند، خازن انگلی و اندوکتانس متقابل بین خطوط، تداخل را به هم متصل می کنند.

IV. تظاهرات معمولی تحریف

در یک اسیلوسکوپ، سیگنال های سینوسی/کسینوس تحت EMI قوی ممکن است به اشکال زیر ظاهر شوند.

1. برهم نهی خطای فرکانس بالا،
سنبله ها و زنگ های هماهنگ با لبه های PWM روی حامل ظاهر می شوند. این به این دلیل است که جریان های فرکانس بالا تولید شده در طول لحظه های سوئیچینگ از طریق ظرفیت انگلی به خطوط سیگنال متصل می شوند. دامنه های خطا ممکن است به ده ها میلی ولت یا حتی صدها میلی ولت برسد، در حالی که دامنه های سیگنال دیفرانسیل معمولی معمولاً فقط چند ولت هستند که منجر به افت قابل توجهی در SNR می شود.

2. نویز حالت مشترک به حالت دیفرانسیل
سیگنال های دیفرانسیل از نظر تئوری فقط به اختلاف ولتاژ بین دو سیم حساس هستند و قابلیت رد در برابر تداخل حالت مشترک دارند. با این حال، کابل ها، کانکتورها و شبکه های فیلتر واقعی هرگز کاملاً متقارن نیستند. هنگامی که تداخل حالت مشترک با فرکانس بالا وارد می شود، بخشی از آن به ولتاژ حالت دیفرانسیل تبدیل می شود و روی سیگنال های سینوسی/کسینوس قرار می گیرد. این نویز اغلب به صورت دوره ای 'fuzz' روی پاکت ظاهر می شود.

3. برش و اشباع
زمانی که دامنه تداخل بزرگ است، و پیک سیگنال روی هم از محدوده ورودی RDC یا ریل های منبع تغذیه آپمپ فراتر می رود، قسمت های شکل موج «بریده می شوند». برش مستقیماً پوشش sin/cos را از بین می برد و باعث خطاهای غیرخطی شدید در زاویه رمزگشایی می شود.

4. رانش آفست DC
اجزای فرکانس پایین در تداخل، جریان های حلقه زمین، یا اثرات یکسوسازی ممکن است باعث یک افست DC در سیگنال شوند و شکل موج را نامتقارن کنند. رمزگشایی RDC معمولا سیگنال های AC خالص را فرض می کند. افست منجر به خطاهای زاویه و ریپل سرعت می شود.

5. اعوجاج هارمونیک
غیرخطی بودن مواد مغناطیسی و مدولاسیون بین تداخل و حامل تحریک، اجزای هارمونیک را ایجاد می کند. هنگامی که هارمونیک ها وارد RDC می شوند، ممکن است به خطاهای هارمونیک با مرتبه بالا در زاویه تبدیل شوند که به صورت امواج گشتاور یا نویز ظاهر می شوند.

6. عدم تعادل دامنه سینوسی/کسینوس و تغییر فاز
اگر دو مسیر سیگنال برای sin و cos پارامترهای فیلتر، طول کابل یا امپدانس تماس کانکتور متفاوتی داشته باشند، دو کانال تحت تداخل شدید به طور متفاوتی تحت تأثیر قرار می‌گیرند که منجر به عدم تطابق دامنه یا تغییر فاز می‌شود. RDC زاویه را بر اساس sinθ/cosθ محاسبه می‌کند. دامنه یا عدم تعادل فاز مستقیماً خطاهای زاویه ایجاد می کند.

V. تأثیر اعوجاج بر سیستم

اعوجاج سیگنال صرفاً یک 'مسئله بصری' در اسیلوسکوپ نیست. به طور مستقیم بر عملکرد سیستم منعکس می شود:

·  لرزش خروجی زاویه : نویز رد مدوله شده توسط RDC باعث ایجاد لرزش با فرکانس بالا در مقدار زاویه می شود و نویز بازخورد سرعت را تقویت می کند.

·  خطاهای زاویه تناوبی : اعوجاج پوشش و هارمونیک ها باعث خطاهای زاویه می شوند که به صورت دوره ای با موقعیت روتور تغییر می کند و منجر به نوسانات جریان محور dq و موج گشتاور می شود.

·  خطاها و از بین رفتن قفل : تداخل شدید ممکن است باعث شود حلقه ردیابی RDC قفل را از دست بدهد و در نتیجه پرش های زاویه ای ایجاد شود و حفاظت در برابر جریان اضافه یا اضافه ولتاژ ایجاد شود.

·  کاهش عملکرد سیستم : در خودروهای الکتریکی، این ممکن است منجر به کاهش راندمان موتور، افزایش لرزش و صدا و حتی به خطر انداختن ایمنی خودرو شود.

VI. نحوه شناسایی و عیب یابی

در اشکال زدایی عملی، روش های زیر می توانند به سرعت تعیین کنند که آیا سیگنال های حل کننده تحت تأثیر EMI قوی قرار می گیرند یا خیر:

·  استفاده کنید  از پروب های دیفرانسیل برای اندازه گیری S1-S3 و S2-S4  ، از پروب های تک سر که ممکن است حلقه های زمین ایجاد کنند اجتناب کنید.

هر دو سیگنال تحریک و سیگنال های خروجی را به طور همزمان مشاهده کنید  تا مشخص شود که آیا تداخل از سمت تحریک وارد می شود یا خیر.

·  برای تعیین اینکه آیا تداخل از مدار قدرت منشأ می گیرد، شکل موج ها را با موتور ثابت در مقابل در حال کار، و با روشن شدن PWM در مقابل خاموش مقایسه کنید.

·  از FFT اسیلوسکوپ برای تجزیه و تحلیل طیف تداخل استفاده کنید و بررسی کنید که آیا با فرکانس حامل PWM یا هارمونیک های لبه مطابقت دارد یا خیر.

·  ولتاژ حالت مشترک دو خط به زمین را برای ارزیابی سطح تداخل حالت مشترک اندازه گیری کنید.

VII. اقدامات سرکوب

سرکوب اعوجاج مستلزم تلاش همزمان در سه جبهه است: منبع تداخل، مسیر کوپلینگ و گیرنده.

1. دسته سیم و محافظ را بهینه کنید

·  از جفت های تابدار محافظ برای خطوط سیگنال تفکیک کننده استفاده کنید، با سپر در یک نقطه در انتهای رمزگشا به زمین متصل شده است تا از حلقه های زمین ناشی از اتصال زمین دو طرفه جلوگیری شود.

·  خطوط سیگنال را به طور جداگانه از کابل های برق مسیریابی کنید، از اجرای موازی طولانی اجتناب کنید. اگر عبور اجتناب ناپذیر است، از آنها به صورت عمود عبور کنید.

·  در صورت لزوم، از لوله های فلزی یا محافظ دو لایه برای بهبود اثربخشی محافظ فرکانس بالا استفاده کنید.

2. فیلتر کردن و حفاظت

·  چوک های حالت مشترک و فیلترهای RC پایین گذر را در ورودی RDC اضافه کنید تا نویز حالت معمولی و اشکالات فرکانس بالا را کاهش دهید.

·  فرکانس قطع فیلتر باید بالاتر از فرکانس تحریک تفکیک کننده باشد و در عین حال از تاخیر فاز بیش از حد اجتناب شود، که در غیر این صورت خطاهای زاویه جدیدی ایجاد می کند.

·  وسایل حفاظتی مانند لوله های TVS را اضافه کنید تا از آسیب رساندن ولتاژهای گذرا به مدار رمزگشا جلوگیری کنید.

3. چیدمان و زمین

·  برد رمزگشا را تا حد امکان نزدیک به کانکتور رزولور قرار دهید تا آثار سیگنال آنالوگ کوتاه شود.

·  زمین آنالوگ را از زمین برق جدا کنید، آنها را در یک نقطه وصل کنید تا از عبور جریان های بزرگ از طریق زمین آنالوگ جلوگیری شود.

·  به تداوم سپر در انتخاب کانکتور توجه کنید، اطمینان حاصل کنید که سپر در کانکتور شکسته نشده است.

4. درمان جانبی تحریک

·  برای خطوط تحریک نیز از جفت های پیچ خورده محافظ استفاده کنید و فیلتر را به منبع تغذیه تحریک اضافه کنید.

·  از اشتراک کانکتورها یا مهارها بین سیگنال های تحریک و کابل های برق خودداری کنید.

5. اقدامات سیستمی و الگوریتمی

. تراشه‌های RDC با قابلیت ضد تداخل قوی، مانند چیپ‌هایی که دارای دمدولاسیون همزمان داخلی و فیلتر دیجیتال هستند را انتخاب کنید

·  در نرم افزار، فیلتر کردن، محدود کردن نرخ و بررسی های معقولیت را روی سیگنال زاویه اعمال کنید تا از ایجاد ناهنجاری های کنترلی پالس های تداخل فردی جلوگیری کنید.

·  بهینه سازی نرخ انحراف لبه PWM و اضافه کردن مدارهای snubber برای کاهش تداخل در منبع.

هشتم. نتیجه گیری

تفکیک کننده مغناطیسی ذاتاً یک سنسور ناهموار است، اما خروجی های سینوسی/کسینوس آن سیگنال های آنالوگ سطح پایینی هستند که تحت EMI قوی مستعد اعوجاج هستند. درک منابع تداخل و مسیرهای جفت، و اجرای محافظ، فیلتر، زمین و چیدمان مناسب برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان بازخورد زاویه ضروری است.

برای مهندسان، شکل موج روی اسیلوسکوپ بهترین 'گزارش سلامت' است. هرچه اعوجاج سیگنال زودتر تشخیص داده شود، احتمال مشکلات سیستم کمتر می شود.