Sin/Cos-signaalin vääristymän analyysi reluktanssityyppisissä resolvereissa voimakkaiden sähkömagneettisten häiriöiden alaisena - EV-resolveranturi

Sovelluksissa, kuten uusien energia-ajoneuvojen sähkökäytöt ja teollisuusservot, reluktanssityyppinen Resolvereita käytetään laajalti moottorin roottorin asentoantureina. Ne eivät sisällä puolijohdesiruja, kestävät korkeita lämpötiloja ja vastustavat tärinää – ne näyttävät erittäin 'karuilta'. Monet insinöörit kohtaavat kuitenkin paikan päällä hämmentävän ongelman: kun moottorin teho kasvaa ja PWM-kytkentätaajuus nousee, ratkaisijan sini/kosinin lähtösignaaleihin kehittyy häiriöitä, tasaisia muodonmuutoksia, verhokäyriä ja muita värähtelyjä. aaltoilua ja jopa ohjainvirheitä.

I. Miltä normaali resolversini/kosinisignaali näyttää?

Reluktanssityyppisen resolverin rakenne on suhteellisen yksinkertainen: staattorissa on virityskäämi ja kaksi spatiaalisesti ortogonaalista lähtökäämitystä, kun taas roottori on valmistettu erikoismuotoiltuista piiteräksistä käännettävistä napoista, joissa ei ole käämiä. Herätyskäämiin sovelletaan suurtaajuista sinimuotoista viritystä:

Kun roottori pyörii kulman θ verran , kaksi lähtökäämitystä indusoivat vastaavasti:

Käytännössä jokainen signaali on differentiaalinen, esim. S1-S3 ja S2-S4. Kuten voidaan nähdä, resolverin lähtö on suurtaajuinen kantoaalto, jonka amplitudia moduloi roottorin kulma  θ  . Oskilloskoopissa aaltomuodot näkyvät kahdena verhokäyränä, jotka vaihtelevat kulman mukaan sininä ja kosinina, vastaavasti.

Dekoodaussiru - Resolver-to-Digital Converter (RDC) - demoduloi nämä signaalit, poimii verhot ja laskee kulman  

II. Mistä voimakkaat sähkömagneettiset häiriöt tulevat?

Resolveri asennetaan tyypillisesti moottorin päähän, jota ympäröi tyypillinen voimakas sähkömagneettinen häiriöympäristö:

·  Nopea IGBT/MOSFET-kytkentä : Moottoriohjaimen PWM-kantoaaltotaajuus on yleensä muutamasta kHz:stä kymmeniin kHz:iin, mutta kytkentäreunat ovat vain kymmeniä - satoja nanosekunteja, spektrien ulottuessa jopa kymmeniin MHz:iin.

·  Tehokiskot ja vaihekaapelit : Nopeat suuren virran ja korkean jännitteen muutokset synnyttävät voimakkaita sähkö- ja magneettikenttiä.

·  Kontaktori- ja reletoiminnot : Tuottavat kaari- ja transienttipulsseja.

·  Tehonmuuntimet : Aaltoilu ja harmoniset hakkuriteholähteet.

Kun nämä häiriöt yhdistyvät ratkaisijasignaalilinjoihin, ne asettuvat päällekkäin muuten puhtaiden sini/kosinisignaalien päälle.

III. Kuinka häiriö tulee signaaliketjuun

On neljä pääreittiä, joita pitkin häiriöt tulevat ratkaisijasignaaliketjuun:

1. Säteilykytkentä
Sähkölinjat ja kytkentäsolmut toimivat lähetysantenneina, kun taas resolver-johtosarjat toimivat vastaanottoantenneina. Kun resolverin johtosarjat reititetään rinnakkain virtakaapeleiden kanssa, korkeataajuiset sähkömagneettiset kentät indusoivat jännitteitä suoraan johtosarjoihin.

2. Johtava kytkentä
Häiriöt saapuvat ratkaisijajärjestelmään herätevirran syöttölinjojen tai dekooderilevyn virtalähteen kautta ja kytkeytyvät sitten signaalipuolelle.

3. Maapotentiaalierot
Suuret virrat aiheuttavat jännitehäviöitä maadoitusjäljissä tai metallikoteloissa, jolloin syntyy epäyhtenäisiä maapotentiaaleja resolveripään ja dekooderin pään välille, jolloin muodostuu yhteismuotoisia jännitteitä.

4. Linjojen ylikuuluminen
Kun resolverin johdinsarjat kulkevat rinnakkain vaihekaapeleiden, virtakiskojen jne. kanssa, loiskapasitanssi ja linjojen välinen keskinäinen induktanssi yhdistävät häiriöt.

IV. Vääristymisen tyypillisiä ilmenemismuotoja

Oskilloskoopissa sini/kosinisignaalit voimakkaan EMI:n alla voivat esiintyä seuraavissa muodoissa.

1. Korkeataajuinen häiriösuperpositio
PWM-reunojen kanssa synkronoidut piikit ja soittoäänet näkyvät kantoaaltossa. Tämä johtuu siitä, että kytkentähetkien aikana syntyvät suurtaajuiset virrat kytkeytyvät signaalilinjoiksi loiskapasitanssin kautta. Häiriöiden amplitudit voivat saavuttaa kymmeniä mV tai jopa satoja mV, kun taas normaalit differentiaaliset signaalin amplitudit ovat tyypillisesti vain muutaman voltin, mikä johtaa merkittävään SNR:n laskuun.

2. Yhteisen tilan ja differentiaalitilan kohina
Differentiaalisignaalit ovat teoriassa herkkiä vain kahden johtimen väliselle jännite-erolle ja niillä on kyky torjua yhteismoodihäiriöitä. Varsinaiset kaapelit, liittimet ja suodatinverkot eivät kuitenkaan ole koskaan täysin symmetrisiä. Kun suurtaajuinen yhteismuotoinen häiriö tulee sisään, osa siitä muunnetaan differentiaalimuotoiseksi jännitteeksi ja sijoitetaan sini/kosinisignaalien päälle. Tämä kohina näkyy usein kirjekuoressa ajoittain 'sumuna'.

3. Leikkaaminen ja saturaatio
Kun häiriöamplitudi on suuri ja päällekkäinen signaalihuippu ylittää RDC-tuloalueen tai operaatiovahvistimen syöttökiskot, aaltomuodon yläosat 'leikkautuvat'. Leikkaaminen tuhoaa suoraan sin/cos-verhokäyrän aiheuttaen vakavia epälineaarisia virheitä dekoodatussa kulmassa.

4. DC offset -ryömintä
Matalataajuiset häiriökomponentit, maasilmukkavirrat tai tasasuuntausvaikutukset voivat aiheuttaa DC-offsetin signaalissa, mikä tekee aaltomuodosta epäsymmetrisen. RDC-dekoodaus olettaa tyypillisesti puhtaat AC-signaalit; offset johtaa kulmavirheisiin ja nopeuden aaltoiluun.

5. Harmoninen vääristymä
Magneettisten materiaalien epälineaarisuus ja häiriön ja virityskantajan välinen keskinäinen modulaatio synnyttävät harmonisia komponentteja. Kun harmoniset saapuvat RDC:hen, ne voivat demoduloitua korkean tason harmonisiksi virheiksi kulmassa, joka ilmenee vääntömomentin aaltoiluna tai kohinana.

6. Sini/kosini-amplitudin epätasapaino ja vaihesiirto
Jos kahdella sinin ja cos:n signaalitiellä on erilaiset suodatinparametrit, kaapelin pituudet tai liittimen kosketusimpedanssit, voimakkaat häiriöt vaikuttavat kahteen kanavaan eri tavalla, mikä johtaa amplitudin yhteensopimattomuuteen tai vaihesiirtoon. RDC laskee kulman sinθ/cosθ:n perusteella; amplitudi- tai vaiheepätasapaino aiheuttaa suoraan kulmavirheitä.

V. Vääristymien vaikutus järjestelmään

Signaalin vääristymä ei ole vain 'visuaalinen ongelma' oskilloskoopissa; se heijastaa suoraan järjestelmän suorituskykyä:

·  Kulmalähtö jitter : RDC:n demoduloima kohina aiheuttaa korkeataajuista värinää kulma-arvoon, mikä vahvistaa nopeuden takaisinkytkentäkohinaa.

·  Jaksottaiset kulmavirheet : Verhokäyräsärö ja harmoniset aiheuttavat kulmavirheitä, jotka vaihtelevat ajoittain roottorin asennon mukaan, mikä johtaa dq-akselin virran vaihteluihin ja vääntömomentin aaltoiluun.

·  Viat ja lukon katoaminen : Vakavat häiriöt voivat saada RDC-seurantasilmukan menemään lukituksen, mikä voi johtaa kulmahyppyihin ja ylivirta- tai ylijännitesuojan laukeamiseen.

·  Järjestelmän suorituskyvyn heikkeneminen : Sähköajoneuvoissa tämä voi heikentää moottorin tehokkuutta, lisätä tärinää ja melua ja jopa vaarantaa ajoneuvon turvallisuuden.

VI. Tunnistaminen ja vianmääritys

Käytännön virheenkorjauksessa seuraavilla menetelmillä voidaan nopeasti määrittää, vaikuttaako vahva EMI ratkaisevaan signaaliin:

·  Käytä  differentiaalianturia  mittaamaan S1-S3 ja S2-S4 välttäen yksipäisiä antureita, jotka voivat aiheuttaa maasilmukoita.

·  Tarkkaile sekä herätesignaalia että lähtösignaaleja samanaikaisesti määrittääksesi, tuleeko häiriötä herätepuolen kautta.

·  Vertaa aaltomuotoja moottorin ollessa paikallaan ja käynnissä sekä PWM-kytkennän ollessa päällä ja pois päältä, jotta voit määrittää, johtuvatko häiriöt virtapiiristä.

·  Käytä oskilloskoopin FFT:tä häiriöspektrin analysoimiseen ja tarkista, onko se sama PWM-kantoaallon taajuuden tai reunaharmonisten kanssa.

·  Mittaa kahden linjan yhteismuotoinen jännite maadoitukseen yhteismuotoisen häiriötason arvioimiseksi.

VII. Tukahdutustoimenpiteet

Vääristymien vaimentaminen vaatii samanaikaista työtä kolmella rintamalla: häiriölähteellä, kytkentäreitillä ja vastaanottimella.

1. Optimoi johtosarja ja suojaus

·  Käytä resolver-signaalilinjoissa suojattuja kierrettyjä pareja siten, että suoja on maadoitettu yhdestä kohdasta dekooderin päässä välttääksesi kaksipäisen maadoituksen aiheuttamat maadoitussilmukat.

·  Reititä signaalijohdot erillään virtakaapeleista välttäen pitkiä rinnakkaisia ​​ajoja; Jos ylitys on väistämätöntä, ylitä ne kohtisuorassa.

·  Käytä tarvittaessa metalliputkia tai kaksikerrossuojausta parantaaksesi suurtaajuisen suojauksen tehokkuutta.

2. Suodatus ja suojaus

·  Lisää yhteisen tilan kuristimet ja RC-alipäästösuotimet RDC-tuloon vaimentaaksesi yhteistilan kohinaa ja korkeataajuisia häiriöitä.

·  Suodattimen katkaisutaajuuden tulee olla korkeampi kuin resolverin herätetaajuus, samalla kun vältetään liiallinen vaiheviive, joka muutoin aiheuttaisi uusia kulmavirheitä.

·  Lisää suojalaitteita, kuten TVS-putkia, estääksesi transienttiylijännitteet vahingoittamasta dekooderin virtapiiriä.

3. Asettelu ja maadoitus

·  Aseta dekooderikortti mahdollisimman lähelle resolver-liitintä analogisten signaalien lyhentämiseksi.

·  Erota analoginen maadoitus tehomaadosta yhdistämällä ne yhdestä pisteestä, jotta suuria virtoja ei virtaa analogisen maan läpi.

·  Kiinnitä huomiota suojuksen jatkuvuuteen liittimen valinnassa ja varmista, että suojus ei katkea liittimestä.

4. Herätyspuolen käsittely

·  Käytä suojattuja kierrettyjä pareja myös virityslinjoille ja lisää viritysvirtalähteeseen suodatusta.

·  Vältä jakamasta liittimiä tai johtosarjoja herätesignaalien ja virtakaapeleiden välillä.

5. Järjestelmä- ja algoritmimitat

·  Valitse RDC-sirut, joilla on vahva häiriönestokyky, kuten ne, joissa on sisäänrakennettu synkroninen demodulointi ja digitaalinen suodatus.

·  Käytä ohjelmistossa suodatusta, nopeuden rajoitusta ja uskottavuustarkistuksia kulmasignaaliin, jotta yksittäiset häiriöpulssit eivät aiheuta ohjausvirheitä.

·  Optimoi PWM-reunojen siirtonopeudet ja lisää snubber-piirejä häiriöiden vähentämiseksi lähteessä.

VIII. Johtopäätös

Magnetoresistiivinen resolveri on luonnostaan ​​vankka anturi, mutta sen sini/kosinilähdöt ovat matalan tason analogisia signaaleja, jotka ovat alttiita vääristymälle voimakkaassa EMI:ssä. Häiriöiden lähteiden ja kytkentäreittien ymmärtäminen sekä asianmukainen suojaus, suodatus, maadoitus ja layout ovat olennaisia ​​kulmapalautteen tarkkuuden ja luotettavuuden varmistamiseksi.

Insinööreille oskilloskoopin aaltomuoto on paras 'terveysraportti'. Mitä aikaisemmin signaalin vääristymä havaitaan, sitä pienempi on järjestelmäongelmien todennäköisyys.