Uusi energian pääkäyttömoottorin resolver-anturin valinta: viisi teknistä tuomiota, jotka on helppo aliarvioida

Pääkäyttömoottoreiden asentoanturin valintaa varten ratkaiseja on lähes väistämätön. Mutta itse 'ratkaisijan valitseminen' ei ole vaikeaa. Vaikeinta on tehdä datalehden takana olevia harvoja arvioita, jotka todella määrittävät massatuotannon suorituskyvyn: vastaavatko napaparit moottoria, kuinka paljon tarkkuuslukemiin voi luottaa, mitä käyttöolosuhteita käytetään lämpötilan ja tärinän validoinnissa, onko dekoodausketju sovitettu oikein ja mikä toiminnallinen turvallisuustaso on saavutettava. Jokainen näistä viidestä ongelmasta riittää saamaan hankkeen näyttämään täysin normaalilta prototyyppivaiheessa ja paljastamaan ongelmia massatuotannossa tai äärimmäisissä olosuhteissa.

Selvitä ensin: miksi pääasemasovellukset eivät silti voi välttää ratkaisejia

Korkeiden lämpötilojen, öljyn likaantumisen ja moottoritilan voimakkaiden sähkömagneettisten häiriöiden vuoksi optisten kooderien koodilevyt ja optoerottimet ovat luonnostaan ​​hauraita, kun taas Hall-pohjaisten ratkaisujen on vaikea täyttää päätaajuusmuuttajan ohjauksen tarkkuus- ja yhtenäisyysvaatimukset. Resolverin olemus on sähkömagneettinen muuntaja: roottorissa ei ole elektronisia komponentteja. Se perustuu puhtaasti staattorin virityskäämin ja roottorin näkyvyyden väliseen magneettisen kytkennän vaihteluun sini- ja kosiniverhokäyräsignaalien tuottamiseksi, kun kaikki signaalinkäsittely on valmis staattorin puolella ja dekoodauspiirissä. Tämä 'passiivisen roottorin' rakenne määrittää, että sen lämpötilankestävyyden, öljynkestävyyden ja tärinänkestävyyden alarajat ovat paljon korkeammat kuin ratkaisuilla, jotka perustuvat roottorin aktiivisiin komponentteihin.

Mutta tämä ei tarkoita, että ratkaiseja olisi optimaalinen kaikissa ulottuvuuksissa. Sen puutteet ovat yhtä selvät: moottorisuunnittelun muutokset vaikuttavat siihen merkittävästi ja sen alustayhteensopivuus on huonompi kuin pyörrevirtaratkaisut. Uusissa skenaarioissa, kuten 800 V järjestelmissä ja erittäin suurissa nopeuksissa, pyörrevirta-asentoanturit ovat vähitellen saamassa vetovoimaa. Siksi ratkaisejan valinnan lähtökohtana on, että pääkäyttösovellus asettaa enemmän painoarvoa 'kestävälle luotettavuudelle vaikeissa olosuhteissa' kuin 'alustan uudelleenkäytön joustavuudelle'. Jos tämä lähtökohta pitää paikkansa, seuraavat viisi arviota ovat todella merkityksellisiä.

Tuomio 1: napaparien yhteensovittaminen ei ole vain 'sovitusta'

Ratkaisijanapaparien on oltava selkeästi yhteydessä moottorin napapareihin, mutta 'kohdistus' itsessään sisältää kaksi hyvin erilaista toteutusstrategiaa, joiden kustannukset ovat merkittävästi erilaiset.

Suositeltava ratkaisu on RPP = MPP (resolverin napaparit ovat yhtä suuret kuin moottorin napaparit).  Henkilöauton pääkäyttömoottoreissa on tyypillisesti 4-10 napaparia. Resolver-napaparien sovittaminen yhteen estää koneistus- ja kokoonpanovirheitä vahvistamasta moottorin napapareja ja tarjoaa korkeamman vakaan tilan tarkkuuden FOC-ohjaukselle. Tämä on tarkkuusensimmäinen reitti, jonka kustannuksella on, että resolveri on mukautettava kullekin moottorille, mikä johtaa alhaiseen alustan yhteisyyteen.

Toinen on RPP = 1 (yksinapainen pariratkaisu, alustan kompromissi).  Etuna on, että yksi ratkaisija voi kattaa useita moottoreita, mutta virheet, kuten mekaaninen epäkeskisyys ja kokoonpanopoikkeama, kerrotaan moottorin napaparilla ja näkyvät erityisen todennäköisesti vääntömomentin aaltoiluna suurten nopeuksien kentänheikennysalueella. Jos tämä reitti valitaan, rakenteellisiin toleransseihin ja kokoonpanoprosesseihin on varattava riittävä tarkkuusmarginaali vahvistusvaikutuksen 'absorboimiseksi'. Muuten riippumatta siitä, kuinka hyvältä sähköinen tarkkuus näyttää tiedoissa, mekaaniset virheet kuluttavat sitä, kun se on asennettu moottoriin.

Tuomio 2: Erota tarkkuusluku; mekaaninen virhe on usein suurin syy

Tietolomakkeen 'sähköinen virhe ±X kaariminuuttia' mitataan ihanteellisissa asennus- ja kohdistusolosuhteissa. Varsinaisen moottorin asennuksen jälkeen virhelähteitä ovat myös ainakin asennuksen epäkeskisyys, aksiaalivälys ja staattorin ja roottorin epätasaisuus, joista jokainen lisää kokonaisvirhettä.

Tämä tarkoittaa, että yleinen valintavirhe on verrata toistuvasti itse resoluution tarkkuutta, vaikka asennusrajapinnan toleranssiketjun yhtä tiukka tarkistus puuttuu. Split-resolverit, joissa on erikseen asennettu staattori ja roottori, asettavat korkeampia vaatimuksia rakennesuunnittelulle ja kokoonpanoprosesseille, mutta ovat tilaa säästävämpiä; integroidut ratkaisut ovat helpompia koota, mutta ne maksavat enemmän tilavuutta. Tämä kompromissi tulisi lukita rakenteellisen tarkistusvaiheen aikana sen sijaan, että yrität korjata sitä työkalujen jälkeen 'vaihtamalla tarkempaan ratkaisuun'. Kun mekaaninen tarkkuus ei ole riittävä, mikään dekoodaussiru ei voi pelastaa tulosta.

Teollisuuden vertailun näkökulmasta valtavirran autoteollisuuden muuttuvan reluktanssin ratkaisejien sähköinen virhe on karkeasti ±25′–±30′, ja joillakin optimoiduilla malleilla voidaan saavuttaa pienempiä arvoja todellisissa mittauksissa. Todellinen kysymys valinnan aikana on: missä asennusolosuhteissa tämä luku saatiin? Voiko rakenteellinen toleranssiketjuni säilyttää samat olosuhteet?

Tuomio 3: Vahvista lämpötila ja tärinä 'pahimman tapauksen käyttöolosuhteissa', mutta suuri vikaalue ei useinkaan ole ratkaiseva runko

Käyttömoottorin ratkaisijan alemman käyttölämpötilan rajan on yleensä katettava -40°C, kun taas ylärajaa ei voi määrittää moottorin kotelon keskilämpötilalla. Käämien lähellä olevat paikat ovat paljon kuumempia kuin kotelo. Alan valtavirran autoteollisuuden tuotteiden lämpötilan ylärajat jakautuvat 150°C - 155°C alueelle, ja lämmönlähteiden lähellä olevat skenaariot vaativat validoinnin suuremmalla marginaalilla. Tärinä ja iskut tulee myös tarkistaa kohteelta autojen satunnaisten tärinä- ja mekaanisten iskuprofiilien suhteen, ei pelkästään läpäisemällä huoneenlämpötilan staattisia testejä.

Mutta mikä on helpommin aliarvioitu kuin rungon lämmönkestävyys, on  liitososa . Varsinaisissa projekteissa, joissa esiintyy signaalin poikkeavuuksia, huomattava osa ei ole erotinkäämien tai magneettipiirin vikoja, vaan tiivisteen heikkeneminen, huono kontakti tai johtojen väliset häiriöt johtosarjoissa ja liittimissä lämpötilan vaihtelun ja tärinän vaikutuksesta. Jos valinta varmistaa vain resolverin rungon lämpötilaluokituksen ja jättää valjaiden materiaalin valinnan, liittimen tiivistyksen ja vedonpoiston käsiteltäväksi myöhemmin 'tarvittaessa', luotettavuusketjun heikoin lenkki jätetään aivan loppuun asti.

Tuomio 4: Sähköisiä parametreja ja dekoodausketjua on verrattava samassa taulukossa

Resolveri lähettää amplitudimoduloidut sini- ja kosinisignaalit kantoaaltolle. Kulmainformaatio on piilotettu verhokäyrään ja se on demoduloitava ennen kuin siitä voi tulla digitaalinen kulma, jota MCU voi käyttää. Dekoodausmenetelmän valinta asettaa suoraan käänteisiä rajoituksia ratkaisijarungon sähköisille parametreille.

Kova dekoodaus (RDC-siru)  seuraa erillistä resolver-digitaalimuunninreittiä tyypillisellä resoluutiolla 12-16 bittiä ja seurantaviiveellä kymmenistä satoihin mikrosekunteihin. Siinä on sisäänrakennettu kypsä PLL-silmukka ja se ei kuluta juuri lainkaan MCU:n laskentatehoa, joten se sopii massatuotantoalustoihin, joissa on tiukat kalibrointiaikataulut. Hinta on kiinteän silmukan kaistanleveys, jota ei voida tarkasti mukauttaa tietyn moottorin dynaamisten ominaisuuksien mukaan.

Pehmeä dekoodaus (DSADC + ohjelmistoalgoritmi)  eliminoi ulkoisen RDC:n ja käyttää MCU:n sirussa olevaa delta-sigma ADC:tä amplitudimoduloiduista signaaleista suoraan näytteenottoon, minkä jälkeen ohjelmisto suorittaa koko laskennan. DSADC:n korkea ylinäytteityssuhde ja digitaalinen suodatus voivat työntää kvantisointikohinaa korkeille taajuuksille ja saavuttaa korkean signaali-kohinasuhteen 5–10 kHz:n kantoaallon matalien taajuuksien verhokäyrällä, säilyttäen samalla joustavuuden säätää moottorin dynaamisten ominaisuuksien laskentaparametreja. Kustannukset ovat MCU:n laskentatehon ja kehitysresurssien käyttö, ja ratkaisun laatu riippuu suuresti ohjelmiston kypsyydestä.

Riippumatta siitä, mikä reitti valitaan, valinnan aikana kohdistettavia parametreja ovat ainakin: herätetaajuus (päävirran RDC:t kattavat herätealueen 2 kHz - 20 kHz, ja tyypilliset resolverit ovat lähellä 10 kHz), muunnossuhde (yleensä välillä 0,286 - 0,5), virityssyötteen ja koodausalueen impedanssi. Vahvistuksen yhteensopimattomuuden seuraukset ovat suoria: riittämätön amplitudi huonontaa signaali-kohinasuhdetta, kun taas amplitudin kyllästyminen aiheuttaa aaltomuodon leikkausta. Molemmissa tapauksissa kulmatiedot vääristyvät. Ratkaisijan tietolomakkeen vertaaminen dekoodaussirun manuaaliseen kappaleelta laitteistokaaviovaiheessa maksaa vain puoli päivää ja säästää loputtomat virheenkorjaustyöt myöhemmin.

Tuomio 5: Toiminnallinen turvallisuus ei pääty 'ASIL-luokitellun mallin valitsemiseen'

Pääkäytön asentoanturi on momentinsäädön suljetun silmukan aloituspiste. Kun kulmasignaali epäonnistuu, seuraukset vaihtelevat vääntömomentin vaihtelusta tehon katkeamiseen tai tahattomaan vääntömomenttiin. Siksi toiminnalliset turvallisuusnäkökohdat eivät voi jäädä tasolle 'toimittaja vaatii tukea ASIL X:lle'; ne on otettava käyttöön erityisessä suunnittelussa yksipistevikojen ja redundantin arkkitehtuurin .

Alan tavanomaisena käytäntönä on saavuttaa ASIL C (SEooC) erottimen rungon tai anturielementin tasolla ja tukea koko järjestelmää ASIL D:n saavuttamisessa järjestelmätason redundanssisuunnittelun avulla – kaksikanavaisten käämien, kaksoisdekoodausketjujen tai 'fyysisen anturi + anturiton estimoinnin' rinnakkaisvarmennus.' Valinnan aikana kysyttävät kysymykset sisältävät: Mitkä toimittajan vikatilat kattavat seuraavat: Mikä on diagnostinen kattavuus? Jos käytetään kaksikanavaista järjestelmää, miten näiden kahden kanavan riippumattomuus varmistetaan ja miten yleishäiriöt suljetaan pois? Nämä kysymykset ovat yleensä näkymättömiä spesifikaatioiden vertailutaulukoissa, mutta ne ratkaisevat suoraan, voidaanko toiminnallisen turvallisuuden argumentti sulkea.

Paluu valinnan järjestyksen tunteeseen

Kun nämä viisi arviota yhdistetään, valinnan logiikka on itse asiassa selkeä:  ensin määritetään napaparistrategia (tarkkuus ensin tai alusta ensin), sitten lukitaan rakenteellinen muoto ja asennuksen toleranssiketju, sitten validoidaan lämpötila ja tärinä pahimmissa olosuhteissa ja sisällytetään liitäntäosa samaan luotettavuuden tarkistuslistaan, seuraavaksi sovitetaanko sähköiset parametrit ja poistetaanko toiminnalliset vaatimukset, ja dekoodataan lopuksi toiminnallinen järjestelmä, dekoodaus uudelleen arkkitehtuuri on voimassa.  Näiden viiden vaiheen jälkeen jää yleensä vain yksi tai kaksi ehdokasmallia, ja näiden yhden tai kahden väliset erot ovat se osa, johon todella kannattaa käyttää aikaa prototyyppien vertailuun.

Resolveri ei ole ainoa valinta pääkäytön asentoantureille, mutta massatuotannon pääkäyttöprojekteissa, joissa luotettavuus ja ympäristön sieto ovat etusijalla, resolveri on silti komponentti, joka on 'valittava oikein' eikä 'valittava satunnaisesti.' Oikean valinnan avain ei ole merkittävin tarkkuus, vaan oliko yllä olevan viiden lomakkeen varhainen arviointi.