انتخاب سنسور تشخیص‌دهنده موتور درایو اصلی انرژی جدید: پنج قضاوت مهندسی که به راحتی می‌توان آنها را دست کم گرفت

برای انتخاب سنسور موقعیت در موتورهای محرک اصلی، حل کننده تقریبا غیر قابل اجتناب است. اما 'انتخاب یک حل کننده' به خودی خود دشوار نیست. آنچه دشوار است، قضاوت های معدود در پشت برگه داده است که واقعاً عملکرد تولید انبوه را تعیین می کند: آیا جفت قطب ها با موتور مطابقت دارند، تا چه اندازه به رقم دقت اعتماد کنیم، از کدام شرایط عملیاتی برای اعتبارسنجی دما و ارتعاش استفاده کنیم، آیا زنجیره رمزگشایی به درستی مطابقت دارد، و چه سطح ایمنی عملکردی باید به دست آید. هر یک از این پنج موضوع کافی است تا یک پروژه در مرحله نمونه اولیه کاملاً عادی به نظر برسد و در عین حال مشکلاتی را در تولید انبوه یا در شرایط شدید آشکار کند.

ابتدا توضیح دهید: چرا برنامه های درایو اصلی هنوز نمی توانند از حل کننده ها اجتناب کنند

در مواجهه با دماهای بالا، آلودگی روغن و تداخل الکترومغناطیسی قوی در محفظه موتور، دیسک‌های کد و اپتوکوپلرهای رمزگذار نوری ذاتاً شکننده هستند، در حالی که راه‌حل‌های مبتنی بر هال برای برآورده کردن الزامات دقت و سازگاری کنترل درایو اصلی تلاش می‌کنند. ماهیت یک حل کننده یک ترانسفورماتور الکترومغناطیسی است: هیچ قطعه الکترونیکی روی روتور وجود ندارد. برای خروجی سیگنال‌های پوششی سینوسی و کسینوس، با تمام پردازش سیگنال در سمت استاتور و در مدار رمزگشایی، صرفاً به تغییر جفت مغناطیسی بین سیم‌پیچ تحریک استاتور و برجستگی روتور متکی است. این ساختار «روتور غیرفعال» تعیین می‌کند که محدودیت‌های پایین‌تر آن برای مقاومت در برابر دما، مقاومت در برابر روغن و مقاومت در برابر لرزش بسیار بالاتر از محلول‌هایی است که به اجزای فعال روی روتور متکی هستند.

اما این بدان معنا نیست که حل کننده در هر بعد بهینه است. کاستی های آن به همان اندازه واضح است: به طور قابل توجهی تحت تأثیر تغییرات در طراحی موتور قرار می گیرد و سازگاری پلت فرم آن نسبت به راه حل های جریان گردابی پایین تر است. در سناریوهای در حال ظهور مانند سیستم‌های 800 ولت و سرعت‌های فوق‌العاده، سنسورهای موقعیت جریان گردابی به تدریج در حال افزایش هستند. بنابراین، پیش‌فرض برای انتخاب یک حل‌کننده این است که برنامه درایو اصلی وزن بیشتری بر «قابلیت اطمینان پایدار در محیط‌های سخت» نسبت به «انعطاف‌پذیری استفاده مجدد از پلت‌فرم» می‌گذارد. اگر این فرض درست باشد، پنج قضاوت زیر واقعاً معنادار هستند.

قضاوت 1: تطبیق جفت قطب فقط در مورد 'تطابق' نیست

جفت‌های قطب تفکیک‌کننده باید رابطه روشنی با جفت‌های قطب موتور داشته باشند، اما «هم‌ترازی» خود دو استراتژی اجرای بسیار متفاوت با هزینه‌های بسیار متفاوت دارد.

راه حل ترجیحی RPP = MPP است (جفت قطب های حل کننده برابر با جفت قطب موتور هستند).  موتورهای محرک اصلی خودروهای سواری معمولاً دارای 4 تا 10 جفت قطب هستند. مطابقت دادن جفت‌های قطب تفکیک‌کننده، از تقویت خطاهای ماشین‌کاری و مونتاژ توسط جفت‌های قطب موتور جلوگیری می‌کند و دقت حالت پایدار بالاتری را برای کنترل FOC فراهم می‌کند. این اولین مسیر با دقت است، به قیمت سفارشی سازی رزولور برای هر موتور، که منجر به اشتراک پلت فرم پایین می شود.

دیگری RPP = 1 (تحلیل کننده زوج تک قطبی، سازش پلت فرم) است.  مزیت این است که یک حل‌کننده می‌تواند چندین موتور را پوشش دهد، اما خطاهایی مانند خروج از مرکز مکانیکی و انحراف مونتاژ در جفت‌های قطب موتور ضرب می‌شوند و به‌ویژه به‌عنوان موج گشتاور در ناحیه تضعیف میدان با سرعت بالا ظاهر می‌شوند. اگر این مسیر انتخاب شود، حاشیه دقت کافی باید در تلورانس های ساختاری و فرآیندهای مونتاژ برای 'جذب' اثر تقویت محفوظ باشد. در غیر این صورت، صرف نظر از اینکه دقت الکتریکی روی دیتاشیت چقدر خوب به نظر می رسد، پس از نصب بر روی موتور توسط خطاهای مکانیکی مصرف می شود.

قضاوت 2: شکل دقت را تجزیه کنید. خطای مکانیکی اغلب عامل اصلی است

'خطای الکتریکی ±X دقیقه قوس' در یک دیتاشیت تحت شرایط نصب و تراز ایده آل اندازه گیری می شود. پس از نصب واقعی روی موتور، منابع خطا نیز حداقل شامل خروج از مرکز نصب، بازی محوری و ناهماهنگی استاتور-روتور است که هر کدام به کل خطا می افزایند.

این بدان معناست که یک اشتباه رایج در انتخاب مقایسه مکرر دقت خود حل کننده است در حالی که بررسی دقیق زنجیره تحمل در رابط نصب وجود ندارد. تفکیک کننده های تقسیم، با استاتور و روتور جداگانه نصب شده، تقاضاهای بیشتری را برای طراحی سازه و فرآیندهای مونتاژ ایجاد می کنند، اما از نظر فضا کارآمدتر هستند. رزولورهای یکپارچه مونتاژ می شوند اما حجم بیشتری دارند. این مبادله باید در مرحله بازنگری ساختاری قفل شود، به جای تلاش برای رفع آن پس از ابزارسازی با 'تغییر به یک حل کننده با دقت بالاتر'. وقتی دقت مکانیکی کافی نباشد، هیچ تراشه رمزگشایی نمی تواند نتیجه را ذخیره کند.

از منظر مقایسه صنعت، خطای الکتریکی حل‌کننده‌های بی‌لایی متغیر در کلاس خودرو تقریباً در محدوده ± 25 تا 30 دقیقه است، و برخی از طرح‌های بهینه‌شده می‌توانند مقادیر کمتری را در اندازه‌گیری‌های واقعی به دست آورند. سوال واقعی در هنگام انتخاب این است: این رقم در چه شرایطی نصب شده است؟ آیا زنجیره تحمل ساختاری من می تواند همان شرایط را حفظ کند؟

قضاوت 3: درجه حرارت و ارتعاش را در «بدترین شرایط عملیاتی» تأیید کنید، اما ناحیه با شکست زیاد اغلب بدنه حل‌کننده نیست.

حد دمای عملیاتی پایین‌تر برای حل‌کننده‌های موتور محرک معمولاً برای پوشش -40 درجه سانتی‌گراد لازم است، در حالی که حد بالایی را نمی‌توان با دمای متوسط ​​محفظه موتور تعیین کرد. مکان های نزدیک به سیم پیچ ها بسیار گرمتر از محفظه هستند. حدود بالای دمای محصولات درجه یک خودروی اصلی در صنعت در محدوده 150 درجه سانتیگراد تا 155 درجه سانتیگراد توزیع شده است و سناریوهای نزدیک به منابع گرمایی نیاز به اعتبارسنجی با حاشیه بالاتر دارند. لرزش و شوک نیز باید مورد به مورد در برابر پروفیل‌های ارتعاش تصادفی و شوک مکانیکی خودرو بررسی شود، نه اینکه صرفاً با گذراندن آزمایش‌های استاتیک دمای اتاق ارضا شود.

اما چیزی که راحت تر از مقاومت دمایی بدنه دست کم گرفته می شود  قسمت اتصال است . در پروژه‌های واقعی که در آن ناهنجاری‌های سیگنال رخ می‌دهد، بخش قابل‌توجهی از خرابی سیم‌پیچ‌های حل‌کننده یا مدار مغناطیسی نیست، بلکه تخریب مهر و موم، تماس ضعیف یا تداخل بین سیم در مهارها و کانکتورها تحت چرخه دما و لرزش است. اگر انتخاب فقط درجه حرارت بدنه تفکیک‌کننده را تأیید می‌کند در حالی که انتخاب مواد مهار، آب‌بندی کانکتور و کاهش کرنش را می‌گذارد تا بعدا 'در صورت نیاز' رسیدگی شود، ضعیف‌ترین حلقه در زنجیره قابلیت اطمینان تا انتها باقی می‌ماند.

قضاوت 4: پارامترهای الکتریکی و زنجیره رمزگشایی باید در یک جدول مقایسه شوند.

تفکیک کننده سیگنال های سینوسی و کسینوس مدوله شده با دامنه را بر روی یک حامل خروجی می دهد. اطلاعات زاویه در پاکت پنهان است و باید قبل از تبدیل شدن به یک زاویه دیجیتال قابل استفاده توسط MCU، دمودوله شود. انتخاب طرح رمزگشایی مستقیماً محدودیت‌های معکوس را بر پارامترهای الکتریکی بدنه حل‌کننده تحمیل می‌کند.

رمزگشایی سخت (تراشه RDC)  از مسیر اختصاصی تبدیل کننده به مبدل به دیجیتال پیروی می کند، با وضوح معمولی 12 تا 16 بیت و تأخیر ردیابی در محدوده ده ها تا صدها میکروثانیه. دارای یک حلقه PLL بالغ داخلی است و تقریباً هیچ توان محاسباتی MCU را مصرف نمی کند، که آن را برای پلتفرم های تولید انبوه با برنامه های کالیبراسیون فشرده مناسب می کند. هزینه، پهنای باند حلقه ثابت است، که نمی‌توان آن را عمیقاً برای ویژگی‌های دینامیکی یک موتور خاص سفارشی کرد.

رمزگشایی نرم (الگوریتم نرم‌افزار DSADC)  RDC خارجی را حذف می‌کند و از ADC دلتا سیگما روی تراشه MCU برای نمونه‌برداری مستقیم از سیگنال‌های مدوله‌شده با دامنه استفاده می‌کند، پس از آن نرم‌افزار کل محاسبه را کامل می‌کند. نسبت نمونه برداری بیش از حد بالا و فیلتر دیجیتال DSADC می تواند نویز کوانتیزاسیون را به فرکانس های بالا برساند و نسبت سیگنال به نویز بالایی را برای پاکت فرکانس پایین در یک حامل 5-10 کیلوهرتز به دست آورد، در حالی که انعطاف پذیری برای تنظیم پارامترهای محاسباتی برای ویژگی های دینامیکی موتور حفظ می شود. هزینه آن اشغال قدرت محاسباتی MCU و منابع توسعه است و کیفیت راه حل به شدت به بلوغ نرم افزار بستگی دارد.

هر مسیری که انتخاب شود، پارامترهایی که باید در حین انتخاب تراز شوند عبارتند از: فرکانس تحریک (RDCهای جریان اصلی محدوده تحریک 2 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز را پوشش می‌دهند، و تفکیک‌کننده‌های معمولی نزدیک به 10 کیلوهرتز رتبه‌بندی می‌شوند)، نسبت تبدیل (معمولاً در محدوده 0.286 تا 0.5، بازه درایو تراشه‌زدایی و درایو درایو تحریک‌پذیری) پیامدهای عدم تطابق بهره مستقیم است: دامنه ناکافی نسبت سیگنال به نویز را بدتر می کند، در حالی که اشباع دامنه باعث برش شکل موج می شود. در هر دو مورد، اطلاعات زاویه تحریف شده است. مقایسه برگه داده حل‌کننده با آیتم به مورد کتابچه راهنمای تراشه رمزگشایی در مرحله شماتیک سخت‌افزاری فقط نیم روز هزینه دارد و باعث صرفه‌جویی در انجام مجدد اشکال‌زدایی بی‌پایان می‌شود.

قضاوت 5: ایمنی عملکردی به 'انتخاب مدل دارای رتبه بندی ASIL' ختم نمی شود.

سنسور موقعیت اصلی درایو نقطه شروع حلقه بسته کنترل گشتاور است. هنگامی که سیگنال زاویه از کار می افتد، پیامدهای آن از نوسان گشتاور تا قطع برق یا گشتاور ناخواسته متغیر است. بنابراین، ملاحظات ایمنی عملکردی نمی‌تواند در سطح 'ادعای تامین‌کننده از ASIL X' متوقف شود. آنها باید در طراحی خاص  گسل های تک نقطه ای و معماری اضافی اجرا شوند.

روش استاندارد صنعت دستیابی به ASIL C (SEooC) در سطح بدنه یا عنصر حسگر و پشتیبانی از سیستم کلی در رسیدن به ASIL D از طریق طراحی افزونگی در سطح سیستم - سیم پیچی دو کاناله، زنجیره رمزگشایی دوگانه، یا تأیید موازی 'حسگر فیزیکی + تخمین بدون حسگر'. پوشش تشخیصی چیست؟ اگر از طرح دو کاناله استفاده شود، استقلال دو کانال چگونه تضمین می‌شود و خرابی‌های علت رایج چگونه حذف می‌شوند؟ این سؤالات معمولاً در جداول مقایسه مشخصات نامرئی هستند، اما مستقیماً تعیین می کنند که آیا استدلال ایمنی عملکردی می تواند بسته شود یا خیر.

بازگشت به حس نظم در انتخاب

با اتصال این پنج قضاوت به یکدیگر، منطق انتخاب در واقع واضح است:  ابتدا استراتژی جفت قطب (اول دقت یا پلت فرم اول) را تعیین کنید، سپس شکل ساختاری و زنجیره تحمل نصب را قفل کنید، سپس دما و ارتعاش را در بدترین شرایط اعتبارسنجی کنید و قسمت اتصال را در همان چک لیست قابلیت اطمینان قرار دهید، سپس یکی از موارد مورد نیاز سیستم برق زدایی و عملکرد ایمنی را مطابقت دهید و در نهایت با پارامترهای ایمنی استفاده کنید. معکوس بررسی کنید که آیا معماری اضافی معتبر است یا خیر.  پس از این پنج مرحله، معمولاً تنها یک یا دو مدل کاندید باقی می‌ماند، و تفاوت‌های بین آن یک یا دو بخش واقعاً ارزش صرف زمان برای مقایسه نمونه اولیه را دارد.

حل‌کننده تنها انتخاب برای حسگرهای موقعیت درایو اصلی نیست، اما در پروژه‌های درایو اصلی تولید انبوه که قابلیت اطمینان و تحمل محیطی اولویت‌های اصلی هستند، حل‌کننده هنوز جزء اجزایی است که باید به جای «انتخاب تصادفی»، «به‌درستی» انتخاب شود.