A Sin/Cos jel torzításának elemzése a reluktancia típusú rezolverekben erős elektromágneses interferencia hatására - EV Resolver érzékelő

Olyan alkalmazásokban, mint az új energiájú járművek elektromos hajtásai és ipari szervók, reluktancia típusú A rezolvereket széles körben használják motorrotor helyzetérzékelőként. Nem tartalmaznak félvezető chipeket, ellenállnak a magas hőmérsékletnek és ellenállnak a vibrációnak – nagyon 'masszívnak' tűnnek. Sok mérnök azonban egy rejtélyes problémával találkozik a helyszínen: amint a motor teljesítménye megnő és a PWM kapcsolási frekvenciája emelkedik, a rezolver szinusz/koszinusz kimeneti jelei hibákat, lapos feltöltéseket, szögeloszlást, szögelfordulást és egyéb jittereket okoznak. hullámzás, sőt a vezérlő hibái is.

I. Hogyan néz ki egy normál rezolver szinusz/koszinusz jel?

A reluktancia típusú rezolver felépítése viszonylag egyszerű: az állórész egy gerjesztőtekercset és két térben merőleges kimeneti tekercset hordoz, míg a forgórész speciálisan kialakított, tekercs nélküli szilícium-acél kiálló pólusokból készül. A gerjesztő tekercsre nagyfrekvenciás szinuszos gerjesztést alkalmaznak:

Amikor a forgórész szöggel elfordul θ , a két kimeneti tekercs rendre:

A gyakorlatban minden jel differenciál, pl. S1-S3 és S2-S4. Amint látható, a rezolver kimenete egy nagyfrekvenciás vivő, amelynek amplitúdóját a  θ forgórész szöge modulálja  . Az oszcilloszkópon a hullámformák két burkológörbeként jelennek meg, amelyek a szög szerint szinuszként és koszinuszként változnak.

A dekódoló chip - a Resolver-to-Digital Converter (RDC) - demodulálja ezeket a jeleket, kivonja a burkológörbét, és kiszámítja a szöget  

II. Honnan ered az erős elektromágneses interferencia?

A rezolver általában a motor végére van szerelve, tipikus erős elektromágneses interferencia környezettel körülvéve:

·  IGBT-k/MOSFET-ek nagysebességű kapcsolása : A motorvezérlő PWM vivőfrekvenciája általában néhány kHz-től több tíz kHz-ig terjed, de a kapcsolási élek csak tíz-száz nanoszekundumosak, a spektrumok akár több tíz MHz-ig terjednek.

·  Teljesítménysínek és fáziskábelek : A nagy áramerősség és a nagyfeszültség gyors változása erős elektromos és mágneses mezőt hoz létre.

·  Kontaktor- és reléműveletek : Ívív és tranziens impulzusok létrehozása.

·  Teljesítmény-átalakítók : Hullámzás és felharmonikusok a kapcsolóüzemű tápegységekből.

Miután ezek az interferenciák a feloldó jelvonalakhoz kapcsolódnak, az egyébként tiszta szinusz/koszinusz jelekre szuperponálódnak.

III. Hogyan lép be az interferencia a jelláncba

Négy fő útvonal van, amelyen keresztül az interferencia belép a feloldó jelláncába:

1. Sugárzó csatolás
A tápvezetékek és a kapcsoló csomópontok adóantennákként, míg a rezolver kábelkötegek vevőantennaként működnek. Ha a rezolver kábelkötegeket párhuzamosan vezetik a tápkábelekkel, a nagyfrekvenciás elektromágneses mezők közvetlenül a kábelkötegeken indukálnak feszültséget.

2. Vezető csatolás
Az interferencia a gerjesztő tápvezetékeken vagy a dekóderkártya tápegységén keresztül jut be a rezolverrendszerbe, majd a jeloldalra csatlakozik.

3. Földpotenciálkülönbségek
A nagy áramok feszültségesést okoznak a földelési nyomvonalakon vagy a fémházakon, egyenlőtlen földpotenciálokat hozva létre a rezolver vége és a dekódoló vége között, közös módú feszültségeket képezve.

4. A vonalak közötti áthallás
Amikor a rezolver kábelkötegei párhuzamosan futnak a fáziskábelekkel, gyűjtősínekkel stb., a parazita kapacitás és a vonalak közötti kölcsönös induktivitás összekapcsolja az interferenciát.

IV. A torzítás tipikus megnyilvánulásai

Oszcilloszkópon a szinusz/koszinusz jelek erős EMI alatt a következő formákban jelenhetnek meg.

1. Nagyfrekvenciás glitch szuperpozíció
A hordozón tüskék és a PWM élekkel szinkronizált csengetés jelennek meg. Ennek az az oka, hogy a kapcsolási pillanatok során keletkező nagyfrekvenciás áramok parazita kapacitáson keresztül jelvezetékekké kapcsolódnak. A meghibásodási amplitúdók elérhetik a több tíz mV-ot vagy akár a több száz mV-ot is, míg a normál differenciális jelamplitúdók jellemzően csak néhány volt, ami az SNR jelentős csökkenését eredményezi.

2. Közös módú és differenciális üzemmódú zaj
A differenciális jelek elméletileg csak a két vezeték közötti feszültségkülönbségre érzékenyek, és képesek a közös módú interferencia ellen is elutasítani. A tényleges kábelek, csatlakozók és szűrőhálózatok azonban soha nem teljesen szimmetrikusak. Amikor nagyfrekvenciás közös módusú interferencia lép fel, annak egy része differenciális módú feszültséggé alakul, és a szinusz/koszinusz jelekre szuperponálódik. Ez a zaj gyakran periodikus 'fuzz'ként jelenik meg a borítékon.

3. Levágás és telítettség
Ha az interferencia amplitúdója nagy, és a szuperponált jelcsúcs meghaladja az RDC bemeneti tartományt vagy az op-amp tápsíneket, a hullámforma csúcsai 'levágódnak'. A levágás közvetlenül tönkreteszi a sin/cos burkot, súlyos nemlineáris hibákat okozva a dekódolt szögben.

4. DC offset sodródás
Az interferencia alacsony frekvenciájú összetevői, a földhurok áramai vagy az egyenirányító hatások egyenáramú eltolást okozhatnak a jelben, ami aszimmetrikussá teszi a hullámformát. Az RDC dekódolás jellemzően tiszta AC jeleket feltételez; eltolás szöghibákhoz és sebesség hullámzáshoz vezet.

5. Harmonikus torzítás
A mágneses anyagok nemlinearitása, valamint az interferencia és a gerjesztővivő közötti intermoduláció harmonikus komponenseket generál. Amint a harmonikusok belépnek az RDC-be, nagyfokú harmonikus hibákká demodulálódhatnak a szögben, ami nyomaték hullámzásban vagy zajban nyilvánul meg.

6. Szinusz/koszinusz amplitúdó kiegyensúlyozatlansága és fáziseltolódás
Ha a sin és cos két jelútja eltérő szűrőparaméterekkel, kábelhosszúsággal vagy csatlakozó érintkezési impedanciával rendelkezik, akkor erős interferencia hatására a két csatorna eltérően hat, ami amplitúdó-eltérést vagy fáziseltolást eredményez. Az RDC kiszámítja a szöget a sinθ/cosθ alapján; Az amplitúdó vagy fázis kiegyensúlyozatlansága közvetlenül szöghibákat okoz.

V. A torzítás hatása a rendszerre

A jeltorzulás nem pusztán 'vizuális probléma' az oszcilloszkópon; közvetlenül tükrözi a rendszer teljesítményét:

·  Szögkimeneti jitter : Az RDC által demodulált zaj nagyfrekvenciás jittert okoz a szögértékben, felerősítve a sebesség-visszacsatolási zajt.

·  Periodikus szöghibák : A burkológörbe és a harmonikusok szöghibákat okoznak, amelyek a forgórész helyzetével periodikusan változnak, ami a dq tengely áramingadozásához és nyomaték hullámzásához vezet.

·  Hibák és a reteszelés elvesztése : A súlyos interferencia az RDC követési hurok reteszelésének elvesztését okozhatja, ami szögugrásokat és túláram- vagy túlfeszültség-védelmet eredményezhet.

·  A rendszer teljesítményének romlása : Az elektromos járművekben ez a motor hatékonyságának csökkenéséhez, megnövekedett vibrációhoz és zajhoz vezethet, és még a jármű biztonságát is veszélyeztetheti.

VI. Az azonosítás és a hibaelhárítás módja

A gyakorlati hibakeresés során a következő módszerekkel gyorsan megállapítható, hogy a feloldó jeleit befolyásolja-e az erős EMI:

·  Használjon  differenciálszondákat  az S1-S3 és S2-S4 mérésére, kerülje az egyvégű szondákat, amelyek földhurkokat okozhatnak.

·  Figyelje meg egyszerre a gerjesztő jelet és a kimeneti jelet, hogy megállapítsa, hogy a gerjesztési oldalon keresztül nem lép-e be interferencia.

·  Hasonlítsa össze a hullámformákat az álló és a járó motorral, valamint a PWM be- és kikapcsolt állapotával annak meghatározására, hogy az áramkörből ered-e interferencia.

·  Használja az oszcilloszkóp FFT-jét az interferenciaspektrum elemzéséhez, és ellenőrizze, hogy az egybeesik-e a PWM vivőfrekvenciájával vagy az élharmonikusokkal.

·  Mérje meg a két vezeték közös módú feszültségét a föld között a közös módú interferenciaszint meghatározásához.

VII. Elnyomási intézkedések

A torzítás elnyomása egyidejű erőfeszítést igényel három fronton: az interferenciaforráson, a csatolási útvonalon és a vevőn.

1. Optimalizálja a kábelköteget és az árnyékolást

·  Használjon árnyékolt csavart érpárokat a feloldó jelvezetékekhez, és az árnyékolást a dekóder végén egyetlen ponton földelje le, hogy elkerülje a kétvégű földelés által okozott földhurkokat.

·  A jelvezetékeket a tápkábelektől elkülönítve vezesse, elkerülve a hosszú párhuzamos futásokat; ha az átkelés elkerülhetetlen, merőlegesen keresztezze őket.

·  Ha szükséges, használjon fémcsövet vagy kétrétegű árnyékolást a nagyfrekvenciás árnyékolás hatékonyságának javítása érdekében.

2. Szűrés és védelem

·  Adjon hozzá közös módú fojtókat és RC aluláteresztő szűrőket az RDC bemenethez, hogy elnyomja a közös módú zajt és a nagyfrekvenciás hibákat.

·  A szűrő vágási frekvenciájának magasabbnak kell lennie, mint a rezolver gerjesztési frekvenciája, miközben kerülni kell a túlzott fáziskésleltetést, amely egyébként új szöghibákat okozna.

·  Adjon hozzá védelmi eszközöket, például TVS-csöveket, hogy megakadályozza a tranziens túlfeszültségek károsodását a dekóder áramkörében.

3. Elrendezés és földelés

·  Helyezze a dekóder kártyát a lehető legközelebb a feloldó csatlakozóhoz, hogy lerövidítse az analóg jelnyomokat.

·  Különítse el az analóg földelést a táptesttől, egyetlen ponton kösse össze őket, hogy megakadályozza, hogy nagy áramok folyjanak át az analóg földön.

·  Ügyeljen az árnyékolás folytonosságára a csatlakozó kiválasztásánál, ügyelve arra, hogy az árnyékolás ne szakadjon meg a csatlakozónál.

4. Gerjesztő oldali kezelés

·  Használjon árnyékolt csavart érpárokat a gerjesztővezetékekhez is, és adjon hozzá szűrést a gerjesztő tápegységhez.

·  Kerülje a csatlakozók vagy kábelkötegek megosztását a gerjesztő jelek és a tápkábelek között.

5. Rendszer- és algoritmusmértékek

·  Válasszon erős interferenciagátló képességgel rendelkező RDC chipeket, mint például a beépített szinkron demodulációval és digitális szűréssel.

·  Szoftverben alkalmazzon szűrést, sebességkorlátozást és plauzibilitási ellenőrzéseket a szögjelre, hogy megakadályozza, hogy az egyes interferenciaimpulzusok szabályozási anomáliákat okozzanak.

·  Optimalizálja a PWM élelfordulási sebességét, és adjon hozzá elzáró áramköröket, hogy csökkentse az interferenciát a forrásnál.

VIII. Következtetés

A magnetorezisztív rezolver eredendően masszív érzékelő, de szinusz/koszinusz kimenetei alacsony szintű analóg jelek, amelyek érzékenyek a torzításra erős EMI esetén. Az interferencia forrásainak és a csatolási útvonalak megértése, valamint a megfelelő árnyékolás, szűrés, földelés és elrendezés megvalósítása elengedhetetlen a szögvisszajelzés pontosságának és megbízhatóságának biztosításához.

A mérnökök számára az oszcilloszkóp hullámformája a legjobb 'egészségügyi jelentés'. Minél korábban észleli a jeltorzulást, annál kisebb a rendszerhibák valószínűsége.