New Energy Main Drive Motor Resolver Sensor Selection: Pet inženjerskih prosudbi koje je lako podcijeniti

Za odabir senzora položaja u glavnim pogonskim motorima, razrjeđivač je gotovo neizbježan. Ali sam 'odabir razrjeđivača' nije težak. Ono što je teško je donijeti nekoliko prosudbi iza podatkovne tablice koje doista određuju izvedbu masovne proizvodnje: odgovaraju li parovi polova motoru, koliko vjerovati brojci točnosti, koje radne uvjete koristiti za provjeru temperature i vibracija, je li lanac dekodiranja pravilno usklađen i koja se razina funkcionalne sigurnosti mora postići. Svaki od ovih pet problema dovoljan je da projekt izgleda savršeno normalno u fazi prototipa dok se izlažu problemi u masovnoj proizvodnji ili pod ekstremnim uvjetima.

Prvo, pojasnite: zašto aplikacije glavnog pogona još uvijek ne mogu izbjeći rezolvere

Suočeni s visokim temperaturama, kontaminacijom ulja i jakim elektromagnetskim smetnjama u odjeljku motora, kodni diskovi i optokapleri optičkih enkodera su inherentno krhki, dok se rješenja temeljena na Hallu bore da zadovolje zahtjeve točnosti i dosljednosti kontrole glavnog pogona. Bit rezolvera je elektromagnetski transformator: na rotoru nema elektroničkih komponenti. Oslanja se isključivo na varijaciju magnetske sprege između pobudnog namota statora i istaknutosti rotora za izlaz signala sinusne i kosinusne ovojnice, pri čemu je sva obrada signala dovršena na strani statora iu krugu za dekodiranje. Ova struktura 'pasivnog rotora' određuje da su njegove donje granice otpornosti na temperaturu, otpornost na ulja i otpornost na vibracije daleko veće od onih rješenja koja se oslanjaju na aktivne komponente na rotoru.

Ali to ne znači da je rezolver optimalan u svakoj dimenziji. Njegovi su nedostaci jednako jasni: na njega značajno utječu promjene u dizajnu motora, a njegova kompatibilnost s platformom je inferiorna u odnosu na rješenja s vrtložnim strujama. U novim scenarijima kao što su sustavi od 800 V i ultra-visoke brzine, senzori položaja vrtložnih struja postupno dobivaju na snazi. Stoga je premisa za odabir razlučivača da aplikacija glavnog pogona pridaje veću težinu 'održivoj pouzdanosti u teškim okruženjima' nego 'fleksibilnosti ponovne upotrebe platforme'. Ako ova premisa vrijedi, sljedećih pet prosudbi uistinu ima smisla.

Presuda 1: Spajanje parova polova nije samo 'sparivanje'

Parovi polova rezolvera moraju imati jasan odnos s parovima polova motora, ali samo 'usklađivanje' ima dvije vrlo različite strategije implementacije sa značajno različitim troškovima.

Preferirano rješenje je RPP = MPP (parovi polova razlučivača jednaki su parovima polova motora).  Glavni pogonski motori osobnih automobila obično imaju 4 do 10 pari polova. Usklađivanjem parova polova rezolvera sprječava se pojačavanje pogrešaka strojne obrade i montaže od strane parova polova motora i osigurava veću točnost u stabilnom stanju za FOC kontrolu. Ovo je put kojim je točnost na prvom mjestu, po cijenu da se rezolver mora prilagoditi za svaki motor, što rezultira niskom sličnošću platforme.

Drugi je RPP = 1 (single-pole-pair resolver, platformski kompromis).  Prednost je u tome što jedan rezolver može pokriti više motora, ali pogreške kao što su mehanički ekscentricitet i devijacija sklopa množe se parovima polova motora i posebno je vjerojatno da će se pojaviti kao valovitost momenta u području slabljenja polja velike brzine. Ako se odabere ovaj put, dovoljna margina točnosti mora biti rezervirana u strukturnim tolerancijama i procesima sklapanja kako bi se 'apsorbirao' učinak pojačanja. U suprotnom, bez obzira koliko dobra električna točnost izgledala na podatkovnoj tablici, bit će uništena mehaničkim pogreškama nakon što se ugradi u motor.

Presuda 2: Raščlanite brojku točnosti; mehanička greška je često glavni uzrok

'Električna pogreška ±X lučnih minuta' u podatkovnoj tablici izmjerena je pod idealnim uvjetima instalacije i poravnanja. Nakon stvarne ugradnje na motor, izvori pogreške također uključuju najmanje ekscentričnost ugradnje, aksijalni zazor i neusklađenost statora i rotora, od kojih svaki doprinosi ukupnoj pogrešci.

To znači da je uobičajena pogreška pri odabiru opetovano uspoređivanje točnosti samog rezolvera dok nedostaje jednako rigorozna provjera lanca tolerancije na sučelju za montažu. Splitski rezolveri, s zasebno montiranim statorom i rotorom, postavljaju veće zahtjeve za konstrukcijski dizajn i postupke sklapanja, ali su prostorno učinkovitiji; integrirane rezolvere lakše je sastaviti, ali koštaju više volumena. Ovaj kompromis bi trebao biti zaključan tijekom faze strukturalnog pregleda, umjesto da ga pokušavate ispraviti nakon alata 'prebacivanjem na rezolver veće točnosti'. Kada mehanička točnost nije dovoljna, nijedan čip za dekodiranje ne može spasiti rezultat.

Iz perspektive usporedbe industrije, električna pogreška glavnih automobilskih rezolvera varijabilne otpornosti je otprilike u rasponu od ±25′ do ±30′, a neki optimizirani dizajni mogu postići niže vrijednosti u stvarnim mjerenjima. Pravo pitanje tijekom odabira je: pod kojim uvjetima instalacije je postignuta ova brojka? Može li moj lanac strukturne tolerancije održati iste uvjete?

Prosudba 3: Validirajte temperaturu i vibracije pod 'najgorim mogućim radnim uvjetima', ali područje visokog kvara često nije tijelo razlučivača

Donja granica radne temperature za rezolvere pogonskih motora obično mora pokriti -40°C, dok se gornja granica ne može odrediti prosječnom temperaturom kućišta motora. Mjesta blizu namota su mnogo toplija od kućišta. Gornje granice temperature glavnih proizvoda za automobilsku industriju raspoređene su u rasponu od 150°C do 155°C, a scenariji blizu izvora topline zahtijevaju validaciju s višom marginom. Vibracije i udarce također treba provjeriti stavku po stavku u odnosu na automobilske slučajne profile vibracija i mehaničkih udara, a ne samo zadovoljiti prolaskom statičkih testova na sobnoj temperaturi.

Ali ono što je lakše podcijeniti od temperaturne otpornosti tijela je  spojni dio . U stvarnim projektima u kojima dolazi do anomalija signala, značajan udio nisu kvarovi namota razlučivača ili magnetskog kruga, već degradacija brtve, loš kontakt ili interferencija između žica u kabelskim snopovima i konektorima pod temperaturnim ciklusima i vibracijama. Ako odabir samo provjerava temperaturnu ocjenu tijela rezolvera, a ostavlja odabir materijala kabelskog svežnja, brtvljenje konektora i rasterećenje naprezanja da se njima postupa kasnije 'prema potrebi', najslabija karika u lancu pouzdanosti ostaje do samog kraja.

Prosudba 4: Električni parametri i lanac dekodiranja moraju se uspoređivati ​​za istom tablicom

Rezolver šalje amplitudno modulirane sinusne i kosinusne signale na nosaču. Informacija o kutu skrivena je u ovojnici i mora se demodulirati prije nego što postane digitalni kut koji može koristiti MCU. Izbor sheme dekodiranja izravno nameće obrnuta ograničenja na električne parametre tijela rezolvera.

Tvrdo dekodiranje (RDC čip)  slijedi rutu namjenskog razlučivača u digitalni pretvarač, s tipičnom rezolucijom od 12 do 16 bita i latencijom praćenja u rasponu od desetaka do stotina mikrosekundi. Ima ugrađenu zrelu PLL petlju i ne troši gotovo nikakvu MCU računalnu snagu, što ga čini prikladnim za platforme masovne proizvodnje s tijesnim rasporedom kalibracije. Cijena je fiksna propusnost petlje, koja se ne može duboko prilagoditi dinamičkim karakteristikama određenog motora.

Meko dekodiranje (DSADC + softverski algoritam)  eliminira vanjski RDC i koristi delta-sigma ADC na čipu MCU-a za izravno uzorkovanje amplitudno moduliranih signala, nakon čega softver dovršava cijeli izračun. Visoki omjer prekomjernog uzorkovanja i digitalno filtriranje DSADC-a mogu gurnuti kvantizacijski šum na visoke frekvencije i postići visok omjer signala i šuma za niskofrekventnu ovojnicu na nosaču od 5–10 kHz, zadržavajući pritom fleksibilnost prilagodbe parametara izračuna za dinamičke karakteristike motora. Trošak je zauzimanje MCU računalne snage i razvojnih resursa, a kvaliteta rješenja uvelike ovisi o zrelosti softvera.

Koji god put da se odabere, parametri koji se moraju uskladiti tijekom odabira uključuju najmanje: frekvenciju pobude (glavni RDC-ovi pokrivaju raspon pobude od 2 kHz do 20 kHz, a tipični rezolveri ocijenjeni su blizu 10 kHz), omjer transformacije (obično u rasponu od 0,286 do 0,5), impedanciju pobude i pogonsku sposobnost i ulazni raspon čipa za dekodiranje. Posljedice neusklađenosti pojačanja su izravne: nedovoljna amplituda pogoršava omjer signala i šuma, dok zasićenje amplitude uzrokuje odsijecanje valnog oblika. U oba slučaja, informacija o kutu je iskrivljena. Usporedba podatkovne tablice razlučivača s priručnikom čipa za dekodiranje stavku po stavku u fazi hardverske sheme košta samo pola dana i štedi beskrajno ponovno uklanjanje pogrešaka kasnije.

Prosudba 5: Funkcionalna sigurnost ne završava 'odabirom modela s ocjenom ASIL'

Senzor položaja glavnog pogona početna je točka zatvorene petlje upravljanja momentom. Jednom kada signal kuta nestane, posljedice se kreću od fluktuacije zakretnog momenta do prekida napajanja ili neželjenog zakretnog momenta. Stoga se razmatranja funkcionalne sigurnosti ne mogu zaustaviti na razini 'dobavljač tvrdi da podržava ASIL X'; moraju se implementirati u specifičnom dizajnu  jednotočkastih kvarova i redundantne arhitekture.

Praksa industrijskog standarda je postići ASIL C (SEooC) na razini tijela razlučivača ili osjetnog elementa i podržati cjelokupni sustav u postizanju ASIL D kroz dizajn zalihosti na razini sustava—dvokanalni namoti, dvostruki lanci dekodiranja ili paralelna verifikacija 'fizičkog senzora + procjena bez senzora'. Pitanja koja treba postaviti tijekom odabira uključuju: Koje načine kvara pokriva sigurnosni priručnik dobavljača? Koja je dijagnostička pokrivenost? Ako se koristi dvokanalna shema, kako se osigurava neovisnost dvaju kanala i kako se isključuju kvarovi zajedničkog uzroka? Ta su pitanja obično nevidljiva u tablicama usporedbe specifikacija, ali ipak izravno određuju može li se zaključiti argument funkcionalne sigurnosti.

Vraćajući se osjećaju reda u selekciji

Povezivanjem ovih pet prosudbi zajedno, logika odabira zapravo je jasna:  prvo odredite strategiju para polova (prvo točnost ili prvo platforma), zatim zaključajte strukturni oblik i lanac tolerancije instalacije, zatim potvrdite temperaturu i vibracije pod najgorim mogućim uvjetima i uključite spojni dio u isti kontrolni popis pouzdanosti, zatim uskladite električne parametre i lanac dekodiranja kao jedan sustav, i na kraju upotrijebite funkcionalne sigurnosne zahtjeve za obrnuto provjerite je li redundantna arhitektura važeća.  Nakon ovih pet koraka obično preostaju samo jedan ili dva modela kandidata, a razlike između ta dva ili dva su dio na koji uistinu vrijedi potrošiti vrijeme za usporedbu prototipa.

Rezolver nije jedini izbor za senzore položaja glavnog pogona, ali u projektima glavnog pogona masovne proizvodnje gdje su pouzdanost i otpornost na okoliš glavni prioriteti, rezolver je i dalje komponenta koja se mora 'ispravno' odabrati, a ne 'neobavezno'. Ključ ispravnog odabira nije najistaknutija brojka točnosti na podatkovnoj tablici, već je li pet gornjih prosudbi ozbiljno razmotreno u ranoj fazi projekta.