Pagsusuri ng Sin/Cos Signal Distortion sa Reluctance-Type Resolver sa ilalim ng Malakas na Electromagnetic Interference -EV Resolver Sensor

Sa mga aplikasyon tulad ng bagong enerhiya na sasakyan electric drive at pang-industriya servos, pag-aatubili-uri Ang mga solver ay malawakang ginagamit bilang mga sensor ng posisyon ng motor rotor. Ang mga ito ay walang semiconductor chips, lumalaban sa mataas na temperatura, at lumalaban sa vibration -mukhang napaka 'masungit.' Gayunpaman, maraming mga inhinyero ang nakakaranas ng nakakagulat na isyu sa site: kapag tumaas ang power ng motor at tumaas ang frequency switching ng PWM, nagkakaroon ng mga glitches, flat-topping, distortion ng envelope, at iba pang mga anggulo ng controller ang mga signal ng sine/cosine output ng resolver, at iba pang mga anggulo. mga pagkakamali.

I. Ano ang Mukha ng Normal Resolver Sine/Cosine Signal?

Ang istraktura ng isang reluctance-type na solver ay medyo simple: ang stator ay nagdadala ng isang excitation winding at dalawang spatially orthogonal output windings, habang ang rotor ay gawa sa espesyal na hugis na silicon-steel salient pole na walang windings. Ang isang high-frequency sinusoidal excitation ay inilalapat sa excitation winding:

Kapag ang rotor ay umiikot sa isang anggulo θ , ang dalawang output windings ay nagbubunsod ayon sa pagkakabanggit:

Sa pagsasagawa, ang bawat signal ay kaugalian, hal., S1-S3 at S2-S4. Tulad ng makikita, ang output ng solver ay isang high-frequency carrier na ang amplitude ay modulated ng rotor angle  θ  . Sa isang oscilloscope, lumilitaw ang mga waveform bilang dalawang sobre na nag-iiba sa anggulo bilang sine at cosine, ayon sa pagkakabanggit.

Ang decoding chip -ang Resolver-to-Digital Converter (RDC) -nagde-demodulate sa mga signal na ito, kinukuha ang mga sobre, at kinakalkula ang anggulo sa pamamagitan ng  

II. Saan Nagmumula ang Malakas na Electromagnetic Interference

Ang solver ay karaniwang naka-mount sa dulo ng motor, na napapalibutan ng isang tipikal na malakas na electromagnetic interference na kapaligiran:

·  Mataas na bilis ng paglipat ng mga IGBT/MOSFET : Ang PWM carrier frequency ng motor controller ay karaniwang nasa hanay ng ilang kHz hanggang sampu-sampung kHz, ngunit ang mga switching edge ay sampu hanggang daan-daang nanosecond lamang, na may spectra na umaabot hanggang sampu-sampung MHz.

·  Mga power busbar at phase cable : Ang mabilis na pagbabago sa mataas na kasalukuyang at mataas na boltahe ay bumubuo ng malakas na electric at magnetic field.

·  Mga pagpapatakbo ng contactor at relay : Gumawa ng arcing at transient pulses.

·  Mga power converter : Ripple at harmonics mula sa pagpapalit ng mga power supply.

Kapag ang mga interferences na ito ay magkabit sa mga linya ng signal ng solver, ipapatong nila ang mga ito sa malinis na sine/cosine signal.

III. Paano Pumapasok ang Interference sa Signal Chain

Mayroong apat na pangunahing landas kung saan pumapasok ang interference sa resolver signal chain:

1. Radiative coupling
Ang mga linya ng kuryente at switching node ay kumikilos tulad ng pagpapadala ng mga antenna, habang ang mga wiring harness ng solver ay kumikilos tulad ng pagtanggap ng mga antenna. Kapag ang mga harness ng solver ay idini-ruta parallel sa mga kable ng kuryente, ang mga high-frequency na electromagnetic field ay direktang nag-uudyok ng mga boltahe sa mga harness.

2. Ang conductive coupling
Interference ay pumapasok sa solver system sa pamamagitan ng excitation power supply lines o decoder board power supply, at pagkatapos ay mag-couples sa gilid ng signal.

3. Mga pagkakaiba sa potensyal sa lupa
Ang malalaking agos ay nagdudulot ng pagbaba ng boltahe sa mga bakas ng lupa o mga metal housing, na lumilikha ng hindi pantay na potensyal sa lupa sa pagitan ng dulo ng solver at dulo ng decoder, na bumubuo ng mga boltahe ng common-mode.

4. Crosstalk sa pagitan ng mga linya
Kapag ang mga resolver harnesses ay tumatakbo parallel sa mga phase cable, busbar, atbp., ang parasitic capacitance at mutual inductance sa pagitan ng mga linya ay nag-iiba ang interference.

IV. Mga Karaniwang Manipestasyon ng Distortion

Sa isang oscilloscope, ang mga signal ng sine/cosine sa ilalim ng malakas na EMI ay maaaring lumabas sa mga sumusunod na anyo.

1. High-frequency glitch superposition
Ang mga spike at ringing na naka-synchronize sa mga gilid ng PWM ay lumalabas sa carrier. Ito ay dahil ang mga high-frequency na alon na nabuo sa panahon ng paglipat ng mga sandali ay mag-asawa sa mga linya ng signal sa pamamagitan ng parasitic capacitance. Ang mga glitch amplitude ay maaaring umabot sa sampu-sampung mV o kahit na daan-daang mV, habang ang mga normal na differential signal amplitude ay karaniwang ilang volt lamang, na nagreresulta sa isang makabuluhang pagbaba sa SNR.

2. Common-mode to differential-mode noise
Ang mga differential signal ay theoretically sensitive lamang sa boltahe na pagkakaiba sa pagitan ng dalawang wire at may kakayahan sa pagtanggi laban sa common-mode interference. Gayunpaman, ang mga aktwal na cable, connector, at filter network ay hindi kailanman perpektong simetriko. Kapag pumasok ang high-frequency common-mode interference, ang bahagi nito ay na-convert sa differential-mode na boltahe at pinapatong sa mga signal ng sine/cosine. Ang ingay na ito ay madalas na lumilitaw bilang panaka-nakang 'fuzz' sa sobre.

3. Clipping at saturation
Kapag malaki ang interference amplitude, at ang superimposed signal peak ay lumampas sa RDC input range o sa op-amp supply rails, ang waveform tops ay 'clipped.' Ang pag-clipping ay direktang sumisira sa sin/cos envelope, na nagdudulot ng malubhang nonlinear error sa decoded angle.

4. DC offset drift
Ang mga bahaging mababa ang frequency sa interference, ground loop currents, o rectification effect ay maaaring magdulot ng DC offset sa signal, na ginagawang asymmetrical ang waveform. Karaniwang ipinapalagay ng RDC decoding ang mga purong AC signal; ang offset ay humahantong sa mga error sa anggulo at bilis ng ripple.

5. Harmonic distortion
Ang nonlinearity ng magnetic materials at intermodulation sa pagitan ng interference at excitation carrier ay bumubuo ng mga harmonic na bahagi. Sa sandaling pumasok ang mga harmonic sa RDC, maaari silang ma-demodulate sa mga high-order na harmonic error sa anggulo, na nagpapakita bilang torque ripple o ingay.

6. Sine/cosine amplitude imbalance at phase shift
Kung ang dalawang signal path para sa sin at cos ay may magkaibang mga parameter ng filter, haba ng cable, o connector contact impedances, ang dalawang channel ay naaapektuhan nang iba sa ilalim ng malakas na interference, na nagreresulta sa amplitude mismatch o phase shift. Kinakalkula ng RDC ang anggulo batay sa sinθ/cosθ; amplitude o phase imbalance direktang gumagawa ng mga error sa anggulo.

V. Epekto ng Distortion sa System

Ang pagbaluktot ng signal ay hindi lamang isang 'visuwal na isyu' sa oscilloscope; direktang sumasalamin ito sa pagganap ng system:

·  Angle output jitter : Ang ingay na na-demodulate ng RDC ay nagdudulot ng high-frequency jitter sa angle value, na nagpapalakas ng bilis ng feedback na ingay.

·  Panaka-nakang mga error sa anggulo : Ang pagbaluktot ng sobre at mga harmonika ay nagdudulot ng mga error sa anggulo na pana-panahong nag-iiba sa posisyon ng rotor, na humahantong sa mga pagbabago sa kasalukuyang dq-axis at torque ripple.

·  Mga fault at pagkawala ng lock : Ang matinding interference ay maaaring maging sanhi ng pagkawala ng lock ng tracking loop ng RDC, na magreresulta sa pagtalon ng anggulo at pag-trigger ng overcurrent o overvoltage na proteksyon.

·  Pagkasira ng performance ng system : Sa mga de-kuryenteng sasakyan, maaari itong humantong sa pagbawas ng kahusayan ng motor, pagtaas ng vibration at ingay, at kahit na makompromiso ang kaligtasan ng sasakyan.

VI. Paano Kilalanin at I-troubleshoot

Sa praktikal na pag-debug, mabilis na matutukoy ng mga sumusunod na pamamaraan kung ang mga signal ng solver ay apektado ng malakas na EMI:

·  Gumamit ng  differential probe  upang sukatin ang S1-S3 at S2-S4, pag-iwas sa mga single-ended na probe na maaaring magpasok ng mga ground loop.

·  Pagmasdan ang parehong excitation signal at ang output signal nang sabay-sabay upang matukoy kung ang interference ay ipinakilala sa pamamagitan ng excitation side.

·  Ihambing ang mga waveform sa motor na nakatigil kumpara sa pagtakbo, at sa PWM na naka-on vs. naka-off, upang matukoy kung ang interference ay nagmumula sa power circuit.

·  Gamitin ang FFT ng oscilloscope upang pag-aralan ang interference spectrum at suriin kung ito ay tumutugma sa PWM carrier frequency o edge harmonics.

·  Sukatin ang boltahe ng common-mode ng dalawang linya patungo sa ground para masuri ang antas ng interference ng common-mode.

VII. Mga Panukala sa Pagpigil

Ang pagsugpo sa pagbaluktot ay nangangailangan ng sabay-sabay na pagsisikap sa tatlong larangan: ang pinagmumulan ng interference, ang landas ng pagkabit, at ang receiver.

1. I-optimize ang wiring harness at shielding

·  Gumamit ng shielded twisted pairs para sa mga linya ng signal ng resolver, na ang kalasag ay naka-ground sa isang punto sa dulo ng decoder upang maiwasan ang mga ground loop na dulot ng double-ended grounding.

·  I-ruta ang mga linya ng signal nang hiwalay sa mga kable ng kuryente, pag-iwas sa mahabang parallel run; kung hindi maiiwasan ang pagtawid, i-cross ang mga ito nang patayo.

·  Kung kinakailangan, gumamit ng mga metal conduit o double-layer shielding upang mapabuti ang pagiging epektibo ng high-frequency shielding.

2. Pag-filter at proteksyon

·  Magdagdag ng common-mode chokes at RC low-pass na mga filter sa RDC input upang sugpuin ang common-mode na ingay at high-frequency glitches.

·  Ang dalas ng cutoff ng filter ay dapat na mas mataas kaysa sa dalas ng paggulo ng solver habang iniiwasan ang labis na pagkaantala ng phase, na kung hindi man ay magsisimula ng mga bagong error sa anggulo.

·  Magdagdag ng mga kagamitang pang-proteksyon tulad ng mga tubo ng TVS upang maiwasan ang mga transient overvoltage na makapinsala sa circuitry ng decoder.

3. Layout at grounding

·  Ilagay ang decoder board nang mas malapit hangga't maaari sa solver connector upang paikliin ang mga bakas ng analog signal.

·  Paghiwalayin ang analog ground mula sa power ground, pagkonekta sa kanila sa isang punto upang maiwasan ang malalaking alon na dumaloy sa analog ground.

·  Bigyang-pansin ang pagpapatuloy ng shield sa pagpili ng connector, siguraduhing hindi masira ang shield sa connector.

4. Paggamot sa gilid ng paggulo

·  Gumamit din ng mga shielded twisted pairs para sa mga linya ng paggulo, at magdagdag ng pagsala sa supply ng kapangyarihan ng paggulo.

·  Iwasang magbahagi ng mga connector o harnesses sa pagitan ng mga excitation signal at mga power cable.

5. System at algorithmic na mga panukala

·  Pumili ng mga RDC chip na may malakas na kakayahan sa anti-interference, tulad ng mga may built-in na synchronous demodulation at digital filtering.

·  Sa software, ilapat ang pag-filter, paglilimita sa rate, at pagiging totoo ng mga pagsusuri sa signal ng anggulo upang maiwasan ang mga indibidwal na interference pulse na magdulot ng mga anomalya sa kontrol.

·  I-optimize ang PWM edge slew rate at magdagdag ng mga snubber circuit upang mabawasan ang interference sa pinagmulan.

VIII. Konklusyon

Ang magnetoresistive resolver ay likas na isang masungit na sensor, ngunit ang mga sine/cosine na output nito ay mga mababang antas na analog signal na madaling kapitan ng pagbaluktot sa ilalim ng malakas na EMI. Ang pag-unawa sa mga pinagmumulan ng interference at coupling path, at pagpapatupad ng wastong shielding, filtering, grounding, at layout, ay mahalaga upang matiyak ang katumpakan at pagiging maaasahan ng feedback ng anggulo.

Para sa mga inhinyero, ang waveform sa oscilloscope ay ang pinakamahusay na 'ulat sa kalusugan.' Ang mas maagang pagbaluktot ng signal ay nakita, mas mababa ang posibilidad ng mga isyu sa system.