Analyse de la distorsion du signal Sin/Cos dans les résolveurs de type à réluctance sous de fortes interférences électromagnétiques - Capteur de résolution EV

Dans des applications telles que les entraînements électriques de véhicules à énergie nouvelle et les servos industriels, de type à réluctance les résolveurs sont largement utilisés comme capteurs de position du rotor de moteur. Ils ne contiennent pas de puces semi-conductrices, supportent des températures élevées et résistent aux vibrations. Ils semblent très « robustes ». Cependant, de nombreux ingénieurs sont confrontés à un problème déroutant sur site : une fois que la puissance du moteur augmente et que la fréquence de commutation PWM augmente, les signaux de sortie sinus/cosinus du résolveur développent des problèmes, des sommets plats, une distorsion de l'enveloppe et d'autres anomalies, entraînant une gigue angulaire, une ondulation du couple et même des défauts du contrôleur.

I. À quoi ressemble un signal sinus/cosinus de résolution normale ?

La structure d'un résolveur à réluctance est relativement simple : le stator porte un enroulement d'excitation et deux enroulements de sortie spatialement orthogonaux, tandis que le rotor est constitué de pôles saillants en acier au silicium de forme spéciale, sans enroulements. Une excitation sinusoïdale haute fréquence est appliquée au bobinage d'excitation :

Lorsque le rotor tourne d'un angle θ , les deux enroulements de sortie induisent respectivement :

En pratique, chaque signal est différentiel, par exemple S1-S3 et S2-S4. Comme on peut le voir, la sortie du résolveur est une porteuse haute fréquence dont l'amplitude est modulée par l'angle du rotor  θ  . Sur un oscilloscope, les formes d'onde apparaissent comme deux enveloppes qui varient respectivement avec l'angle du sinus et du cosinus.

La puce de décodage - le convertisseur résolveur vers numérique (RDC) - démodule ces signaux, extrait les enveloppes et calcule l'angle via  

II. D’où viennent les fortes interférences électromagnétiques

Le résolveur est généralement monté du côté du moteur, entouré d'un environnement typique de fortes interférences électromagnétiques :

·  Commutation à grande vitesse des IGBT/MOSFET : La fréquence porteuse PWM du contrôleur de moteur est généralement comprise entre quelques kHz et des dizaines de kHz, mais les fronts de commutation ne durent que des dizaines à des centaines de nanosecondes, avec des spectres s'étendant jusqu'à des dizaines de MHz.

·  Jeux de barres de puissance et câbles de phase : Les changements rapides de courant et de tension élevés génèrent de forts champs électriques et magnétiques.

·  Opérations de contacteurs et de relais : Produire des arcs et des impulsions transitoires.

·  Convertisseurs de puissance : Ondulations et harmoniques des alimentations à découpage.

Une fois que ces interférences se sont couplées aux lignes de signaux du résolveur, elles se superposent aux signaux sinus/cosinus autrement propres.

III. Comment les interférences pénètrent dans la chaîne de signaux

Il existe quatre voies principales par lesquelles les interférences pénètrent dans la chaîne de signaux du résolveur :

1. Couplage radiatif
Les lignes électriques et les nœuds de commutation agissent comme des antennes d'émission, tandis que les faisceaux de câbles du résolveur agissent comme des antennes de réception. Lorsque les faisceaux de résolveurs sont acheminés parallèlement aux câbles d'alimentation, les champs électromagnétiques haute fréquence induisent des tensions directement sur les faisceaux.

2. Couplage conducteur
Les interférences pénètrent dans le système de résolution via les lignes d'alimentation d'excitation ou l'alimentation de la carte décodeur, puis se couplent au côté signal.

3. Différences de potentiel de terre
Les courants importants provoquent des chutes de tension sur les traces de terre ou les boîtiers métalliques, créant des potentiels de terre inégaux entre l'extrémité du résolveur et l'extrémité du décodeur, formant ainsi des tensions de mode commun.

4. Diaphonie entre les lignes
Lorsque les faisceaux de résolveurs sont parallèles aux câbles de phase, aux barres omnibus, etc., la capacité parasite et l'inductance mutuelle entre les lignes se couplent aux interférences.

IV. Manifestations typiques de distorsion

Sur un oscilloscope, les signaux sinus/cosinus sous de fortes EMI peuvent apparaître sous les formes suivantes.

1. Superposition de glitchs haute fréquence
Des pointes et des sonneries synchronisées avec les bords PWM apparaissent sur le support. En effet, les courants haute fréquence générés lors des moments de commutation se couplent aux lignes de signaux via une capacité parasite. Les amplitudes des glitchs peuvent atteindre des dizaines de mV, voire des centaines de mV, alors que les amplitudes normales des signaux différentiels ne sont généralement que de quelques volts, ce qui entraîne une baisse significative du SNR.

2. Bruit de mode commun à mode différentiel
Les signaux différentiels sont théoriquement sensibles uniquement à la différence de tension entre les deux fils et ont une capacité de rejet contre les interférences de mode commun. Cependant, les câbles, connecteurs et réseaux de filtres réels ne sont jamais parfaitement symétriques. Lorsqu'une interférence de mode commun haute fréquence entre, une partie de celle-ci est convertie en tension de mode différentiel et superposée aux signaux sinus/cosinus. Ce bruit apparaît souvent sous forme de « fuzz » périodique sur l'enveloppe.

3. Éclipse et saturation
Lorsque l'amplitude des interférences est grande et que le pic du signal superposé dépasse la plage d'entrée RDC ou les rails d'alimentation de l'amplificateur opérationnel, les sommets de la forme d'onde sont « écrêtés ». L'écrêtage détruit directement l'enveloppe sin/cos, provoquant de graves erreurs non linéaires dans l'angle décodé.

4. Dérive du décalage CC
Les composants basse fréquence dans les interférences, les courants de boucle de terre ou les effets de rectification peuvent provoquer un décalage CC dans le signal, rendant la forme d'onde asymétrique. Le décodage RDC suppose généralement des signaux alternatifs purs ; le décalage entraîne des erreurs d’angle et des ondulations de vitesse.

5. Distorsion harmonique
La non-linéarité des matériaux magnétiques et l'intermodulation entre l'interférence et la porteuse d'excitation génèrent des composantes harmoniques. Une fois que les harmoniques entrent dans le RDC, elles peuvent être démodulées en erreurs harmoniques d'ordre élevé dans l'angle, se manifestant par une ondulation de couple ou du bruit.

6. Déséquilibre d'amplitude sinus/cosinus et déphasage
Si les deux chemins de signal pour sin et cos ont des paramètres de filtre, des longueurs de câble ou des impédances de contact de connecteur différents, les deux canaux sont affectés différemment en cas de fortes interférences, ce qui entraîne une inadéquation d'amplitude ou un déphasage. Le RDC calcule l'angle en fonction de sinθ/cosθ ; le déséquilibre d'amplitude ou de phase produit directement des erreurs d'angle.

V. Impact de la distorsion sur le système

La distorsion du signal n'est pas simplement un « problème visuel » sur l'oscilloscope ; cela se reflète directement sur les performances du système :

·  Gigue de sortie d'angle : le bruit démodulé par le RDC provoque une gigue haute fréquence dans la valeur d'angle, amplifiant le bruit de retour de vitesse.

·  Erreurs d'angle périodiques : la distorsion de l'enveloppe et les harmoniques provoquent des erreurs d'angle qui varient périodiquement avec la position du rotor, conduisant à des fluctuations de courant sur l'axe dq et à des ondulations de couple.

·  Défauts et perte de verrouillage : de graves interférences peuvent entraîner la perte du verrouillage de la boucle de suivi RDC, entraînant des sauts d'angle et le déclenchement d'une protection contre les surintensités ou les surtensions.

·  Dégradation des performances du système : dans les véhicules électriques, cela peut entraîner une réduction de l'efficacité du moteur, une augmentation des vibrations et du bruit, et même compromettre la sécurité du véhicule.

VI. Comment identifier et dépanner

Dans le débogage pratique, les méthodes suivantes peuvent déterminer rapidement si les signaux du résolveur sont affectés par de fortes EMI :

·  Utilisez  des sondes différentielles  pour mesurer S1-S3 et S2-S4, en évitant les sondes asymétriques qui pourraient introduire des boucles de masse.

·  Observez simultanément le signal d'excitation et les signaux de sortie pour déterminer si des interférences sont introduites par le côté excitation.

·  Comparez les formes d'onde avec le moteur à l'arrêt ou en marche, et avec la mise sous tension ou hors tension du PWM, pour déterminer si les interférences proviennent du circuit d'alimentation.

·  Utilisez la FFT de l'oscilloscope pour analyser le spectre d'interférence et vérifier s'il coïncide avec la fréquence porteuse PWM ou les harmoniques de bord.

·  Mesurez la tension de mode commun des deux lignes à la terre pour évaluer le niveau d'interférence de mode commun.

VII. Mesures de répression

La suppression de la distorsion nécessite des efforts simultanés sur trois fronts : la source d'interférence, le chemin de couplage et le récepteur.

1. Optimiser le faisceau de câblage et le blindage

·  Utilisez des paires torsadées blindées pour les lignes de signal du résolveur, avec le blindage mis à la terre en un seul point à l'extrémité du décodeur pour éviter les boucles de masse provoquées par une mise à la terre à double extrémité.

·  Acheminer les lignes de signaux séparément des câbles d'alimentation, en évitant les longs parcours parallèles ; si le croisement est inévitable, traversez-les perpendiculairement.

·  Si nécessaire, utilisez des conduits métalliques ou un blindage double couche pour améliorer l'efficacité du blindage haute fréquence.

2. Filtrage et protection

·  Ajoutez des selfs de mode commun et des filtres passe-bas RC à l'entrée RDC pour supprimer le bruit de mode commun et les problèmes haute fréquence.

·  La fréquence de coupure du filtre doit être supérieure à la fréquence d'excitation du résolveur tout en évitant un retard de phase excessif, qui autrement introduirait de nouvelles erreurs d'angle.

·  Ajoutez des dispositifs de protection tels que des tubes TVS pour éviter que les surtensions transitoires n'endommagent les circuits du décodeur.

3. Disposition et mise à la terre

·  Placez la carte décodeur aussi près que possible du connecteur du résolveur pour raccourcir les traces du signal analogique.

·  Séparez la masse analogique de la masse d'alimentation, en les connectant en un seul point pour empêcher les courants importants de circuler à travers la masse analogique.

·  Faites attention à la continuité du blindage lors de la sélection du connecteur, en vous assurant que le blindage n'est pas rompu au niveau du connecteur.

4. Traitement côté excitation

·  Utilisez également des paires torsadées blindées pour les lignes d'excitation et ajoutez un filtrage à l'alimentation d'excitation.

·  Évitez de partager des connecteurs ou des faisceaux entre les signaux d'excitation et les câbles d'alimentation.

5. Mesures système et algorithmiques

·  Choisissez des puces RDC dotées d'une forte capacité anti-interférence, telles que celles avec démodulation synchrone et filtrage numérique intégrés.

·  Dans le logiciel, appliquez un filtrage, une limitation de débit et des contrôles de plausibilité au signal d'angle pour éviter que des impulsions d'interférence individuelles ne provoquent des anomalies de contrôle.

·  Optimisez les taux de balayage des bords PWM et ajoutez des circuits d'amortissement pour réduire les interférences à la source.

VIII. Conclusion

Le résolveur magnétorésistif est par nature un capteur robuste, mais ses sorties sinus/cosinus sont des signaux analogiques de bas niveau susceptibles de se déformer sous de fortes interférences électromagnétiques. Comprendre les sources d'interférences et les chemins de couplage, ainsi que mettre en œuvre un blindage, un filtrage, une mise à la terre et une disposition appropriés, sont essentiels pour garantir la précision et la fiabilité du retour d'angle.

Pour les ingénieurs, la forme d'onde de l'oscilloscope constitue le meilleur « rapport de santé ». Plus la distorsion du signal est détectée tôt, plus la probabilité de problèmes du système est faible.