Új energia főhajtású motor rezolver érzékelő kiválasztása: öt könnyen alábecsülhető mérnöki ítélet

A helyzetérzékelő kiválasztásához a fő hajtómotorokban a a megoldó szinte elkerülhetetlen. De maga a 'feloldó kiválasztása' nem nehéz. Nehéz az adatlap mögött meghúzódó néhány ítélet meghozatala, amelyek valóban meghatározzák a tömeggyártás teljesítményét: a póluspárok egyeznek-e a motorral, mennyire bízhatunk a pontossági adatban, milyen működési feltételeket kell használni a hőmérséklet- és rezgésellenőrzéshez, hogy a dekódoló lánc megfelelően illeszkedik-e, és milyen funkcionális biztonsági szintet kell elérni. Mind az öt probléma elegendő ahhoz, hogy egy projekt teljesen normálisnak tűnjön a prototípus szakaszában, miközben problémákat fed fel a tömeggyártás vagy extrém körülmények között.

Először tisztázza: miért nem kerülhetik el a főmeghajtó alkalmazások továbbra is a feloldókat

A magas hőmérséklet, az olajszennyeződés és a motortérben fellépő erős elektromágneses interferencia miatt az optikai kódolók kódlemezei és optocsatolói eredendően törékenyek, míg a Hall-alapú megoldások nehezen teljesítik a fő hajtásvezérlés pontossági és konzisztenciájú követelményeit. A rezolver lényege egy elektromágneses transzformátor: a forgórészen nincsenek elektronikus alkatrészek. Pusztán az állórész gerjesztőtekercse és a forgórész kiugrósága közötti mágneses csatolás változására támaszkodik a szinusz és koszinusz burkológörbe jelek kimenetére, miközben az összes jelfeldolgozás befejeződött az állórész oldalán és a dekódoló áramkörben. Ez a 'passzív rotor' szerkezet meghatározza, hogy a hőmérséklet-, olaj- és rezgésállóság alsó határai jóval magasabbak, mint az olyan megoldásoké, amelyek a rotor aktív komponenseire támaszkodnak.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy a feloldó minden dimenzióban optimális. Hiányosságai is egyértelműek: jelentősen befolyásolják a motortervezés változásai, platformkompatibilitása pedig elmarad az örvényáramos megoldásoktól. Az olyan feltörekvő forgatókönyvekben, mint a 800 V-os rendszerek és az ultranagy sebesség, az örvényáramú helyzetérzékelők fokozatosan egyre nagyobb teret hódítanak. Ezért a feloldó kiválasztásának előfeltétele, hogy a fő meghajtóalkalmazás nagyobb súlyt helyez a 'fenntartható megbízhatóságra zord körülmények között', mint a 'platform újrafelhasználásának rugalmasságára'. Ha ez a feltevés igaz, akkor a következő öt ítélet valóban értelmes.

1. ítélet: A póluspár párosítás nem csak az 'illesztésről' szól

A feloldó póluspároknak egyértelmű kapcsolatban kell lenniük a motor póluspárjaival, de magának az 'igazításnak' két nagyon eltérő megvalósítási stratégiája van, jelentősen eltérő költségekkel.

Az előnyben részesített megoldás az RPP = MPP (rezolver póluspár egyenlő motor póluspárral).  A személygépkocsik fő hajtómotorjai általában 4-10 póluspárral rendelkeznek. A rezolver póluspárok hozzáigazítása megakadályozza, hogy a motor póluspárjai felerősítsék a megmunkálási és összeszerelési hibákat, és nagyobb állandósult állapotú pontosságot biztosít a FOC vezérléshez. Ez a pontosság első útja, aminek az az ára, hogy a feloldót minden motorhoz testre kell szabni, ami alacsony platformközönséget eredményez.

A másik az RPP = 1 (egypólusú páros feloldó, platform kompromisszum).  Előnye, hogy egy rezolver több motort is lefedhet, de az olyan hibákat, mint a mechanikai excentricitás és az összeszerelési eltérés, megsokszorozzák a motor póluspárjai, és különösen valószínű, hogy nyomaték hullámzásként jelennek meg a nagy sebességű mezőgyengítő tartományban. Ha ezt az utat választjuk, elegendő pontossági határt kell fenntartani a szerkezeti tűréseknél és az összeszerelési folyamatoknál az erősítő hatás 'elnyeléséhez'. Ellenkező esetben bármennyire is jó az elektromos pontosság az adatlapon, a motorra szerelt mechanikai hibák felemésztik.

2. ítélet: Bontsa le a pontossági adatot; gyakran a mechanikai hiba a fő tényező

Az adatlapon szereplő 'elektromos hiba ±X ívperc' ideális telepítési és beállítási körülmények között mérhető. A motorra való tényleges telepítés után a hibaforrások közé tartozik legalább a telepítési excentricitás, az axiális játék és az állórész-rotor eltolódása, amelyek mindegyike növeli a teljes hibát.

Ez azt jelenti, hogy gyakori kiválasztási hiba, hogy magának a feloldónak a pontosságát ismételten összehasonlítják, miközben hiányzik a szerelési interfész tűrésláncának ugyanolyan szigorú áttekintése. Az osztott rezolverek külön szerelt állórésszel és rotorral magasabb követelményeket támasztanak a szerkezeti tervezési és összeszerelési folyamatokkal szemben, de helytakarékosabbak; Az integrált rezolverek összeszerelése egyszerűbb, de többe kerül. Ezt a kompromisszumot be kell zárni a szerkezeti felülvizsgálati szakaszban, ahelyett, hogy megpróbálnánk orvosolni a szerszámozás után 'nagyobb pontosságú feloldóra váltással'. Ha a mechanikai pontosság nem elegendő, egyetlen dekódoló chip sem tudja megmenteni az eredményt.

Iparági összehasonlítás szempontjából a főbb autóipari minőségű változó reluktancia-feloldók elektromos hibája nagyjából a ±25′ és ±30′ közötti tartományba esik, és néhány optimalizált kialakítás alacsonyabb értékeket is képes elérni a tényleges méréseknél. A kiválasztás során az igazi kérdés az, hogy milyen telepítési feltételek mellett kapták ezt a számot? Fenntarthatja-e a szerkezeti tűrésláncom ugyanazokat a feltételeket?

3. ítélet: Érvényesítse a hőmérsékletet és a vibrációt a 'legrosszabb üzemi körülmények' mellett, de a nagy hibás terület gyakran nem a feloldó test.

A hajtómotor-rezolverek alsó üzemi hőmérsékleti határa általában -40°C-ot kell lefednie, míg a felső határ nem határozható meg a motorház átlaghőmérsékletével. A tekercsekhez közeli helyek sokkal melegebbek, mint a ház. A főbb autóipari termékek hőmérsékleti felső határai az iparban a 150 °C és 155 °C közötti tartományban vannak elosztva, és a hőforrásokhoz közeli forgatókönyvek magasabb árréssel érvényesítést igényelnek. A vibrációt és az ütést is tételesen ellenőrizni kell az autók véletlenszerű vibrációi és mechanikai lökésprofiljaival szemben, nem pusztán szobahőmérsékletű statikus tesztek teljesítésével.

De ami könnyebben alábecsülhető, mint a test hőmérsékletállósága, az a  csatlakozási rész . A tényleges projektekben, ahol jel anomáliák fordulnak elő, jelentős részben nem a rezolver tekercseinek vagy a mágneses áramkörnek a meghibásodása, hanem a tömítés romlása, gyenge érintkezés vagy vezetékek közötti interferencia a vezetékkötegekben és csatlakozókban hőmérséklet-ciklus és vibráció hatására. Ha a kiválasztás csak a rezolver testének hőmérsékleti besorolását ellenőrzi, miközben a kábelköteg anyagának kiválasztását, a csatlakozó tömítését és a feszültségmentesítést később kell kezelni, 'szükség szerint', a megbízhatósági lánc leggyengébb láncszeme a legvégére marad.

4. ítélet: Az elektromos paramétereket és a dekódolási láncot egy asztalnál kell összehasonlítani

A feloldó amplitúdómodulált szinusz és koszinusz jeleket ad ki egy vivőn. A szöginformáció el van rejtve a borítékban, és demodulálni kell, mielőtt az MCU által használható digitális szöggé válhatna. A dekódolási séma megválasztása közvetlenül fordított korlátozásokat ró a feloldótest elektromos paramétereire.

A kemény dekódolás (RDC chip)  a dedikált feloldó-digitális konverter útvonalat követi, tipikus felbontása 12-16 bit, a követési késleltetés pedig több tíz és több száz mikroszekundum közötti tartományban van. Beépített kiforrott PLL hurokkal rendelkezik, és szinte egyáltalán nem fogyaszt MCU számítási teljesítményt, így alkalmas tömeggyártású platformokhoz, szoros kalibrációs ütemezéssel. A költség a rögzített hurok sávszélessége, amely nem szabható mélyen egy adott motor dinamikus jellemzőihez.

A lágy dekódolás (DSADC + szoftveralgoritmus)  kiküszöböli a külső RDC-t, és az MCU chipen lévő delta-szigma ADC-jét használja az amplitúdómodulált jelek közvetlen mintavételéhez, majd a szoftver befejezi a teljes számítást. A DSADC magas túlmintavételi aránya és digitális szűrése a kvantálási zajt magas frekvenciákra tolja, és magas jel-zaj arányt érhet el az alacsony frekvenciájú burkológörbe 5–10 kHz-es vivőn, miközben megtartja a rugalmasságot a motordinamikai jellemzők számítási paramétereinek beállításához. A költség az MCU számítási teljesítményének és fejlesztési erőforrásainak lefoglalása, és a megoldás minősége nagymértékben függ a szoftver érettségétől.

Bármelyik útvonalat is választjuk, a kiválasztás során össze kell hangolni legalább a következő paramétereket: gerjesztési frekvencia (a főáramú RDC-k 2 kHz és 20 kHz közötti gerjesztési tartományt fednek le, a tipikus rezolverek pedig 10 kHz közeliek), transzformációs arány (általában 0,286 és 0,5 tartományban), a gerjesztés bemeneti tartománya és a kódolási teljesítmény tartománya. Az erősítés eltérésének következményei közvetlenek: az elégtelen amplitúdó rontja a jel-zaj viszonyt, míg az amplitúdó telítettsége hullámforma levágást okoz. Mindkét esetben a szöginformáció torzul. A feloldó adatlap és a dekódoló chip kézi összevetése a hardvervázlatos szakaszban csak fél napba kerül, és megspórolja a későbbi végtelen hibakeresési utómunkálatokat.

5. ítélet: A funkcionális biztonság nem ér véget 'ASIL-minősítésű modell kiválasztásával'

A fő meghajtás helyzetérzékelője a nyomatékszabályozás zárt körének kiindulópontja. Ha a szögjel meghibásodik, a következmények a nyomaték ingadozásától az áramkimaradásig vagy a nem kívánt nyomatékig terjednek. Ezért a funkcionális biztonsági megfontolások nem állhatnak meg azon a szinten, hogy 'a szállító támogatást kér az ASIL X-hez'; ezeket speciális tervezésében kell megvalósítani az egypontos hibák és a redundáns architektúra .

A szabványos gyakorlat az ASIL C (SEooC) elérése a rezolvertest vagy az érzékelőelem szintjén, és a teljes rendszer támogatása az ASIL D elérésében rendszerszintű redundancia tervezéssel – kétcsatornás tekercsekkel, kettős dekódolási láncokkal vagy a 'fizikai érzékelő + érzékelő nélküli biztonsági becslés' párhuzamos ellenőrzésével.' A kiválasztás során felteendő kérdések a következők: Mi a diagnosztikai lefedettség? Ha kétcsatornás sémát használunk, hogyan biztosítható a két csatorna függetlensége, és hogyan zárható ki a közös okok miatti meghibásodás? Ezek a kérdések általában nem láthatók a specifikáció-összehasonlító táblázatokban, mégis közvetlenül meghatározzák, hogy a funkcionális biztonsági érv lezárható-e.

Visszatérve a kiválasztás rendjére

Ha ezt az öt ítéletet összekapcsoljuk, a kiválasztás logikája tulajdonképpen világos:  először határozza meg a póluspár stratégiát (először a pontosság vagy a platform), majd rögzítse a szerkezeti formát és a telepítési tűrésláncot, majd a hőmérsékletet és a rezgést a legrosszabb körülmények között érvényesítse, és a csatlakozási részt vegye be ugyanabba a megbízhatósági ellenőrző listába, majd az elektromos paraméterek párosítása és a biztonsági lánc visszafordítása, végül a biztonsági lánc visszafordítása. az architektúra érvényes.  Ezen öt lépés után általában csak egy-két jelölt modell marad, és az egy vagy kettő közötti különbségek az a rész, amelyre valóban érdemes időt szánni a prototípus-összehasonlításra.

A feloldó nem az egyetlen választás a főhajtás helyzetérzékelőihez, de a tömeggyártású főhajtási projektekben, ahol a megbízhatóság és a környezeti tolerancia a legfontosabb, a rezolver továbbra is egy olyan komponens, amelyet 'helyesen kell kiválasztani', nem pedig ' véletlenül kell kiválasztani '. A helyes kiválasztásának kulcsa nem a legszembetűnőbb pontosság, hanem az, hogy a fenti adatlapon szereplő adatok komolyak-e.