ניתוח של עיוות אותות Sin/Cos בפודרים מסוג סרבנות תחת הפרעות אלקטרומגנטיות חזקות - חיישן פותר EV

ביישומים כגון כוננים חשמליים לרכבי אנרגיה חדשים וסרוו תעשייתיים, סוג חוסר רצון רזולוורים נמצאים בשימוש נרחב כחיישני מיקום רוטור מנוע. הם אינם מכילים שבבי מוליכים למחצה, עומדים בטמפרטורות גבוהות ומתנגדים לרטט - הם נראים מאוד 'קשוחים'. עם זאת, מהנדסים רבים נתקלים בבעיה תמוהה באתר: ברגע שהספק המנוע גדל ותדר המיתוג של PWM עולה, אותות המוצא של הסינוס/קוסינוס של הרזולבר מפתחים תקלות, גג שטוח, מוביל לעיוותים של מעטפת, ועיוותים של מעטפת, ועיוותים אחרים אדווה, ואפילו תקלות בבקר.

א. איך נראה אות סינוס/קוסינוס רגיל של סולבר?

המבנה של רזולובר מסוג סרבנות הוא פשוט יחסית: הסטטור נושא פיתול עירור ושתי פיתולי פלט אורתוגונליים מרחבית, בעוד הרוטור עשוי מעמודים בולטים מפלדת סיליקון בעלי צורה מיוחדת ללא פיתולים. עירור סינוסואידי בתדר גבוה מוחל על פיתול העירור:

כאשר הרוטור מסתובב בזווית θ , שני פיתולי המוצא גורמים בהתאמה:

בפועל, כל אות הוא דיפרנציאלי, למשל, S1-S3 ו-S2-S4. כפי שניתן לראות, פלט הרזולבר הוא נשא בתדר גבוה שהמשרעת שלו מאופנת על ידי זווית הרוטור  θ  . באוסילוסקופ, צורות הגל מופיעות כשתי מעטפות המשתנות עם הזווית כמו סינוס וקוסינוס, בהתאמה.

שבב הפענוח - ה-Resolver-to-Digital Converter (RDC) - מפרק את האותות הללו, מחלץ את המעטפות ומחשב את הזווית באמצעות  

II. מאיפה באה הפרעה אלקטרומגנטית חזקה

הרסולבר מותקן בדרך כלל בקצה המנוע, מוקף בסביבת הפרעות אלקטרומגנטיות חזקה טיפוסית:

·  מיתוג מהיר של IGBTs/MOSFETs : תדר נושא ה-PWM של בקר המנוע הוא בדרך כלל בטווח של כמה קילו-הרץ עד עשרות קילו-הרץ, אך קצוות המיתוג הם רק עשרות עד מאות ננו-שניות, כאשר הספקטרום נמשך עד עשרות מגה-הרץ.

·  פסי חשמל וכבלי פאזה : שינויים מהירים בזרם גבוה ובמתח גבוה יוצרים שדות חשמליים ומגנטיים חזקים.

·  פעולות מגע וממסר : הפקת קשתות ופולסים חולפים.

·  ממירי כוח : אדוות והרמוניות ממיתוג ספקי כוח.

ברגע שההפרעות הללו מתחברות לקווי האות של הפותר, הן מוחלות על אותות הסינוס/קוסינוס הנקיים.

III. כיצד הפרעות נכנסות לשרשרת האותות

ישנם ארבעה נתיבים עיקריים שדרכם הפרעות חודרות לשרשרת האותות של הפותר:

1. צימוד קרינתי
קווי חשמל וצמתי מיתוג פועלים כמו אנטנות שידור, בעוד שרתמות חיווט רזולבר פועלות כמו אנטנות קליטה. כאשר רתמות הרזולבר מנותבות במקביל לכבלי חשמל, שדות אלקטרומגנטיים בתדר גבוה גורמים למתחים ישירות על הרתמות.

2. צימוד מוליך הפרעות חודרות
למערכת הפותר דרך קווי אספקת החשמל של עירור או אספקת הכוח של לוח המפענח, ולאחר מכן מתחברת לצד האות.

3. הפרשי פוטנציאל הארקה
זרמים גדולים גורמים לירידות מתח על עקבות הארקה או בתי מתכת, ויוצרים פוטנציאל הארקה לא שווים בין קצה הרסובר לקצה המפענח, ויוצרים מתחים במצב משותף.

4. דיבור צולב בין קווים
כאשר רתמות רזולבר פועלות במקביל לכבלי פאזה, פסים וכו', הקיבול הטפילי וההשראות ההדדית בין הקווים מצמדים להפרעות.

IV. ביטויים אופייניים של עיוות

באוסילוסקופ, אותות הסינוס/קוסינוס תחת EMI חזק עשויים להופיע בצורות הבאות.

1. Superposition של תקלות בתדר גבוה
קוצים וצלצולים מסונכרנים עם קצוות PWM מופיעים על הספק. הסיבה לכך היא שזרמים בתדר גבוה הנוצרים במהלך רגעי מיתוג מתחברים לקווי אות באמצעות קיבול טפילי. משרעות תקלות עשויות להגיע לעשרות mV או אפילו מאות mV, בעוד משרעות אות דיפרנציאליות רגילות הן בדרך כלל רק כמה וולטים, וכתוצאה מכך לירידה משמעותית ב-SNR.

2. רעש ממצב משותף למוד דיפרנציאלי
אותות דיפרנציאליים רגישים תיאורטית רק להפרש המתח בין שני החוטים ויש להם יכולת דחייה נגד הפרעות במצב משותף. עם זאת, כבלים, מחברים ורשתות מסננים בפועל לעולם אינם סימטריים לחלוטין. כאשר נכנסת הפרעות במצב משותף בתדר גבוה, חלק ממנה מומר למתח מצב דיפרנציאלי ומוחלף על אותות הסינוס/קוסינוס. רעש זה מופיע לעתים קרובות כ'פיוז' תקופתי על המעטפה.

3. חיתוך ורוויה
כאשר משרעת ההפרעה גדולה, ושיא האות המרוכז חורג מטווח הכניסה של ה-RDC או מסילות האספקה ​​של המגבר, החלק העליון של צורת הגל 'חתוך'. חיתוך הורס ישירות את מעטפת ה-sin/cos, וגורם לשגיאות לא-לינאריות חמורות בזווית המפוענחת.

4. סחיפה של היסט DC
רכיבים בתדר נמוך בהפרעות, זרמי לולאת הארקה או השפעות תיקון עלולים לגרום להיסט DC באות, מה שהופך את צורת הגל לאסימטרית. פענוח RDC מניח בדרך כלל אותות AC טהורים; היסט מוביל לשגיאות זווית ואדוות מהירות.

5. עיוות הרמוני
אי-לינאריות של חומרים מגנטיים ואינטרמודולציה בין הפרעות לבין נושא העירור מייצרים רכיבים הרמוניים. ברגע שהרמוניות נכנסות ל-RDC, הן עשויות להיות מפורקות לשגיאות הרמוניות מסדר גבוה בזווית, המתבטאות באדוות מומנט או רעש.

6. חוסר איזון משרעת סינוס/קוסינוס והסטת פאזה
אם לשני נתיבי האותות עבור sin ו-cos יש פרמטרים שונים של מסנן, אורכי כבלים או עכבות מגע של מחברים, שני הערוצים מושפעים בצורה שונה בהפרעות חזקות, וכתוצאה מכך לאי התאמה של משרעת או שינוי פאזה. ה-RDC מחשב את הזווית על סמך sinθ/cosθ; משרעת או חוסר איזון פאזה מייצרים ישירות שגיאות זווית.

V. השפעת העיוות על המערכת

עיוות האות אינו רק 'בעיה ויזואלית' באוסילוסקופ; זה משקף ישירות את ביצועי המערכת:

·  ריצוד פלט זווית : רעש שמנותק על ידי ה-RDC גורם לריצוד בתדר גבוה בערך הזווית, ומגביר את רעש המשוב במהירות.

·  שגיאות זווית מחזוריות : עיוות מעטפת והרמוניות גורמות לשגיאות זווית המשתנות מעת לעת עם מיקום הרוטור, מה שמוביל לתנודות זרם בציר dq ולאדוות מומנט.

·  תקלות ואובדן נעילה : הפרעות חמורות עלולות לגרום ללולאת המעקב של RDC לאבד את הנעילה, וכתוצאה מכך לקפיצות בזווית ולהפעלת הגנת זרם יתר או מתח יתר.

·  פגיעה בביצועי המערכת : בכלי רכב חשמליים, הדבר עלול להוביל להפחתת יעילות המנוע, להגברת הרטט והרעש, ואף לפגוע בבטיחות הרכב.

VI. כיצד לזהות ולפתור בעיות

באיתור שגיאות מעשי, השיטות הבאות יכולות לקבוע במהירות אם אותות המפתים מושפעים מ-EMI חזק:

·  השתמשו  בבדיקות דיפרנציאליות  למדידת S1-S3 ו-S2-S4, הימנעות מבדיקות חד-קצה שעלולות להכניס לולאות הארקה.

·  התבונן הן באות העירור והן באותות המוצא בו זמנית כדי לקבוע אם הפרעות מוכנסות דרך צד העירור.

·  השווה צורות גל עם המנוע הנייח לעומת פועל, ועם הפעלת PWM לעומת כבוי, כדי לקבוע אם ההפרעה נובעת ממעגל החשמל.

·  השתמש ב-FFT של האוסילוסקופ כדי לנתח את ספקטרום ההפרעות ולבדוק האם הוא עולה בקנה אחד עם תדר נושא ה-PWM או הרמוניות קצה.

·  למדוד את המתח במצב משותף של שני הקווים לאדמה כדי להעריך את רמת ההפרעה במצב משותף.

VII. אמצעי דיכוי

דיכוי העיוות דורש מאמצים בו-זמניים בשלוש חזיתות: מקור ההפרעה, נתיב הצימוד והמקלט.

1. ייעל את רתמת החיווט והמיגון

·  השתמשו בזוגות מעוותים מסוככים עבור קווי אות רזולבר, כאשר המגן מוארק בנקודה אחת בקצה המפענח כדי למנוע לולאות הארקה הנגרמות מהארקה כפולה.

·  נתב קווי אות בנפרד מכבלי חשמל, הימנעות מריצות מקבילות ארוכות; אם החצייה בלתי נמנעת, חצו אותם בניצב.

·  במידת הצורך, השתמש בצינורות מתכת או במיגון דו-שכבתי כדי לשפר את יעילות המיגון בתדר גבוה.

2. סינון והגנה

·  הוסף משנקים במצב משותף ומסנני RC במעבר נמוך בכניסת RDC כדי לדכא רעשים במצב משותף ותקלות בתדר גבוה.

·  תדירות החיתוך של המסנן צריכה להיות גבוהה יותר מתדר עירור הרזולבר תוך הימנעות מהשהיית פאזה מופרזת, שאחרת תציג שגיאות זווית חדשות.

·  הוסף התקני הגנה כגון צינורות TVS כדי למנוע מתחי יתר חולפים מפגיעה במעגלי המפענח.

3. פריסה והארקה

·  הנח את לוח המפענח קרוב ככל האפשר למחבר הרזולבר כדי לקצר את עקבות האות האנלוגיים.

·  הפרד הארקה אנלוגית מהארקת חשמל, חיבור אותם בנקודה אחת כדי למנוע זרימת זרמים גדולים דרך ההארקה האנלוגית.

·  שימו לב להמשכיות המגן בבחירת המחברים, ודא שהמגן לא נשבר במחבר.

4. טיפול בצד עירור

·  השתמשו גם בזוגות מעוותים מסוככים לקווי עירור, והוסיפו סינון לאספקת החשמל של עירור.

·  הימנע משיתוף מחברים או רתמות בין אותות עירור וכבלי חשמל.

5. מדידות מערכת ואלגוריתמיות

·  בחרו בשבבי RDC בעלי יכולת אנטי-הפרעות חזקה, כגון אלו עם דמודולציה סינכרונית מובנית וסינון דיגיטלי.

·  בתוכנה, החל סינון, הגבלת קצב ובדיקות סבירות לאות הזווית כדי למנוע מפולסי הפרעה בודדים לגרום לחריגות בקרה.

·  מטב את קצבי הטלת הקצה של PWM והוסף מעגלי סניבר כדי להפחית הפרעות במקור.

VIII. מַסְקָנָה

הרזולובר המגנוטוריסטי הוא מטבעו חיישן קשוח, אך יציאות הסינוס/קוסינוס שלו הן אותות אנלוגיים ברמה נמוכה הרגישים לעיוותים תחת EMI חזק. הבנת מקורות ההפרעות ונתיבות הצימוד, ויישום מיגון, סינון, הארקה ופריסה נאותים, חיוניים להבטחת הדיוק והאמינות של משוב זווית.

עבור מהנדסים, צורת הגל על ​​האוסילוסקופ היא ה'דוח בריאות' הטוב ביותר. ככל שיזוהה עיוות האות מוקדם יותר, כך הסבירות לבעיות במערכת נמוכה יותר.