Analiza izobličenja signala Sin/Cos u rezolverima reluktantnog tipa pod jakim elektromagnetskim smetnjama - EV senzor rezolvera

U primjenama kao što su električni pogoni novih energetskih vozila i industrijski servo motori, otpornog tipa rezolveri se široko koriste kao senzori položaja rotora motora. Ne sadrže poluvodičke čipove, podnose visoke temperature i otporni su na vibracije - izgledaju vrlo 'hrapavo'. Međutim, mnogi inženjeri na licu mjesta nailaze na zagonetan problem: kada se snaga motora poveća i frekvencija PWM prebacivanja poraste, sinusni/kosinusni izlazni signali rezolvera razvijaju greške, plosnati vrh, izobličenje ovojnice i druge anomalije, što dovodi do kuta podrhtavanje, valovitost zakretnog momenta, pa čak i greške regulatora.

I. Kako izgleda normalni sinusni/kosinusni signal rezolvera?

Struktura rezolvera otpornog tipa je relativno jednostavna: stator nosi uzbudni namot i dva prostorno ortogonalna izlazna namota, dok je rotor izrađen od posebno oblikovanih istaknutih polova od silicij-čelika bez namota. Na uzbudni namot primjenjuje se visokofrekventna sinusna pobuda:

Kada se rotor okrene za kut θ , dva izlazna namota induciraju redom:

U praksi je svaki signal diferencijalni, npr. S1-S3 i S2-S4. Kao što se može vidjeti, izlaz rezolvera je visokofrekventni nosilac čija je amplituda modulirana kutom rotora  θ  . Na osciloskopu se valni oblici pojavljuju kao dvije ovojnice koje se mijenjaju s kutom kao sinus i kosinus.

Čip za dekodiranje - Resolver-to-Digital Converter (RDC) - demodulira ove signale, izdvaja omotnice i izračunava kut putem  

II. Odakle dolaze jake elektromagnetske smetnje

Razlučivač je obično montiran na kraju motora, okružen tipičnim jakim elektromagnetskim smetnjama:

·  Prespajanje IGBT/MOSFET-a velike brzine : PWM noseća frekvencija kontrolera motora obično je u rasponu od nekoliko kHz do desetaka kHz, ali rubovi prebacivanja su samo deseci do stotine nanosekundi, sa spektrom koji se proteže do desetaka MHz.

·  Sabirnice napajanja i fazni kabeli : Brze promjene visoke struje i visokog napona stvaraju snažna električna i magnetska polja.

·  Radovi sklopnika i releja : proizvode iskrenje i prijelazne impulse.

·  Pretvarači snage : Valovitost i harmonici iz prekidačkih izvora napajanja.

Nakon što se ove smetnje spoje u signalne linije razlučivača, one se superponiraju na inače čiste sinusne/kosinusne signale.

III. Kako smetnje ulaze u lanac signala

Postoje četiri glavna puta kroz koje smetnje ulaze u lanac signala razlučivača:

1. Radijacijsko spajanje.
Električni vodovi i komutacijski čvorovi djeluju kao odašiljačke antene, dok se kabelski snopovi razlučivača ponašaju kao prijemne antene. Kada su kabelski snopovi razlučivača usmjereni paralelno s energetskim kabelima, visokofrekventna elektromagnetska polja induciraju napone izravno na kabelskim snopovima.

2. Vodljivo spajanje
Smetnje ulaze u sustav razlučivača preko vodova za napajanje pobude ili napajanja ploče dekodera, a zatim se spajaju na stranu signala.

3. Razlike potencijala uzemljenja
Velike struje uzrokuju padove napona na tragovima uzemljenja ili metalnim kućištima, stvarajući nejednake potencijale uzemljenja između kraja razlučivača i kraja dekodera, tvoreći napone zajedničkog načina rada.

4. Preslušavanje između vodova
Kada kabelski snopovi razlučivača idu paralelno s faznim kabelima, sabirnicama itd., parazitni kapacitet i međusobni induktivitet između vodova spajaju smetnje.

IV. Tipične manifestacije distorzije

Na osciloskopu se sinusni/kosinusni signali pod jakim EMI mogu pojaviti u sljedećim oblicima.

1. Visokofrekventna superpozicija kvara
Na nosaču se pojavljuju šiljci i zvonjava sinkronizirana s PWM rubovima. To je zato što se visokofrekventne struje generirane tijekom trenutaka preklapanja spajaju u signalne vodove kroz parazitski kapacitet. Amplitude kvara mogu doseći desetke mV ili čak stotine mV, dok su normalne amplitude diferencijalnog signala obično samo nekoliko volti, što rezultira značajnim padom SNR-a.

2. Šum zajedničkog načina rada prema diferencijalnom načinu rada
Diferencijalni signali su teoretski osjetljivi samo na razliku napona između dviju žica i imaju sposobnost odbijanja smetnji zajedničkog načina rada. Međutim, stvarni kabeli, konektori i mreže filtera nikad nisu savršeno simetrični. Kada uđe visokofrekventna smetnja zajedničkog načina rada, dio se pretvara u napon diferencijalnog načina rada i superponira na sinusne/kosinusne signale. Taj se šum često pojavljuje kao povremeni 'flag' na ovojnici.

3. Odsijecanje i zasićenje
Kada je amplituda smetnje velika, a superponirani vrh signala premašuje RDC ulazni raspon ili dovodne tračnice operacijskog pojačala, vrhovi valnih oblika su 'odrezani'. Odsijecanje izravno uništava sin/cos ovojnicu, uzrokujući ozbiljne nelinearne pogreške u dekodiranom kutu.

4. DC pomak pomaka
Niskofrekventne komponente u smetnjama, strujama petlje uzemljenja ili efekti ispravljanja mogu uzrokovati DC pomak u signalu, čineći valni oblik asimetričnim. RDC dekodiranje obično pretpostavlja čiste AC signale; pomak dovodi do kutnih pogrešaka i valovitosti brzine.

5. Harmonijsko izobličenje
Nelinearnost magnetskih materijala i intermodulacija između interferencije i nositelja pobude generiraju harmonijske komponente. Jednom kada harmonici uđu u RDC, mogu se demodulirati u harmonijske pogreške visokog reda u kutu, manifestirajući se kao valovitost zakretnog momenta ili šum.

6. Neuravnoteženost sinusne/kosinusne amplitude i fazni pomak
Ako dvije putanje signala za sin i cos imaju različite parametre filtera, duljine kabela ili kontaktne impedancije konektora, jake smetnje različito utječu na dva kanala, što rezultira neusklađenošću amplitude ili faznim pomakom. RDC izračunava kut na temelju sinθ/cosθ; neravnoteža amplitude ili faze izravno proizvodi kutne pogreške.

V. Utjecaj izobličenja na sustav

Izobličenje signala nije samo 'vizualni problem' na osciloskopu; izravno se odražava na performanse sustava:

·  Izlazno podrhtavanje kuta : Buka koju demodulira RDC uzrokuje visokofrekventno podrhtavanje u vrijednosti kuta, pojačavajući šum povratne veze brzine.

·  Periodične kutne pogreške : Izobličenje ovojnice i harmonici uzrokuju kutne pogreške koje se povremeno mijenjaju s položajem rotora, što dovodi do fluktuacija struje dq-osi i valovitosti momenta.

·  Kvarovi i gubitak zaključavanja : Ozbiljne smetnje mogu uzrokovati gubitak zaključavanja RDC petlje za praćenje, što rezultira kutnim skokovima i aktiviranjem prekostrujne ili prenaponske zaštite.

·  Degradacija performansi sustava : u električnim vozilima to može dovesti do smanjene učinkovitosti motora, povećanih vibracija i buke, pa čak i ugroziti sigurnost vozila.

VI. Kako prepoznati i riješiti problem

U praktičnom otklanjanju pogrešaka, sljedeće metode mogu brzo utvrditi utječu li jaki EMI na signale razlučivača:

·  Koristite  diferencijalne sonde  za mjerenje S1-S3 i S2-S4, izbjegavajući jednostrane sonde koje mogu uvesti petlje uzemljenja.

·  Promatrajte i signal pobude i izlazne signale istovremeno kako biste utvrdili jesu li smetnje uvedene preko strane pobude.

·  Usporedite valne oblike s motorom koji miruje u odnosu na motor koji radi i s PWM uključenim ili isključenim, kako biste utvrdili potječu li smetnje iz kruga napajanja.

·  Upotrijebite FFT osciloskopa za analizu spektra smetnji i provjerite poklapa li se s nosećom frekvencijom PWM ili rubnim harmonicima.

·  Izmjerite zajednički napon dviju linija prema masi kako biste procijenili razinu interferencije zajedničkog načina rada.

VII. Mjere suzbijanja

Suzbijanje izobličenja zahtijeva istovremene napore na tri fronte: izvor smetnje, spojni put i prijemnik.

1. Optimizirajte kabelski svežanj i zaštitu

·  Upotrijebite oklopljene upredene parice za signalne linije razlučivača, s oklopom uzemljenim u jednoj točki na kraju dekodera kako biste izbjegli petlje uzemljenja uzrokovane dvostrukim uzemljenjem.

·  Usmjerite signalne vodove odvojeno od energetskih kabela, izbjegavajući dugačke paralelne vodove; ako je križanje neizbježno, prijeđite ih okomito.

·  Ako je potrebno, upotrijebite metalne vodove ili dvoslojnu zaštitu za poboljšanje učinkovitosti zaštite visoke frekvencije.

2. Filtriranje i zaštita

·  Dodajte prigušnice zajedničkog načina rada i RC niskopropusne filtre na RDC ulaz za suzbijanje buke zajedničkog načina rada i visokofrekventnih kvarova.

·  Frekvencija rezanja filtra trebala bi biti viša od frekvencije pobude rezolvera uz izbjegavanje prekomjernog kašnjenja faze, koje bi inače unijelo nove kutne pogreške.

·  Dodajte zaštitne uređaje kao što su TVS cijevi kako biste spriječili da prijelazni prenaponi oštete sklop dekodera.

3. Raspored i uzemljenje

·  Postavite ploču dekodera što je moguće bliže konektoru razlučivača kako biste skratili tragove analognog signala.

·  Odvojite analogno uzemljenje od uzemljenja napajanja, povezujući ih u jednoj točki kako biste spriječili protok velikih struja kroz analogno uzemljenje.

·  Obratite pozornost na kontinuitet oklopa pri odabiru konektora, pazeći da oklop nije slomljen na konektoru.

4. Liječenje strane ekscitacije

·  Upotrijebite oklopljene upredene parice i za pobudne vodove, te dodajte filtriranje uzbudnom napajanju.

·  Izbjegavajte dijeljenje konektora ili kabelskih svežnja između signala pobude i kabela za napajanje.

5. Sustavne i algoritamske mjere

·  Odaberite RDC čipove sa snažnom sposobnošću protiv smetnji, poput onih s ugrađenom sinkronom demodulacijom i digitalnim filtriranjem.

·  U softveru primijenite filtriranje, ograničenje brzine i provjere vjerodostojnosti na signal kuta kako biste spriječili da pojedinačni interferencijski impulsi uzrokuju anomalije upravljanja.

·  Optimizirajte PWM rubne brzine okretanja i dodajte prigušivačke krugove kako biste smanjili smetnje na izvoru.

VIII. Zaključak

Magnetootporni rezolver je inherentno otporan senzor, ali njegovi sinusni/kosinusni izlazi su analogni signali niske razine koji su osjetljivi na izobličenje pod jakim EMI. Razumijevanje izvora smetnji i spojnih staza, te implementacija odgovarajuće zaštite, filtriranja, uzemljenja i rasporeda, ključni su za osiguravanje točnosti i pouzdanosti povratne informacije o kutu.

Za inženjere je valni oblik na osciloskopu najbolje 'zdravstveno izvješće'. Što se ranije otkrije izobličenje signala, manja je vjerojatnost problema sa sustavom.