Analisi della distorsione del segnale sin/cos in risolutori di tipo a riluttanza sottoposti a forti interferenze elettromagnetiche - Sensore risolutore EV

In applicazioni quali azionamenti elettrici per veicoli di nuova energia e servocomandi industriali, di tipo a riluttanza i risolutori sono ampiamente utilizzati come sensori di posizione del rotore del motore. Non contengono chip semiconduttori, resistono alle alte temperature e alle vibrazioni: appaiono molto 'robusti'. Tuttavia, molti ingegneri riscontrano un problema sconcertante sul posto: una volta che la potenza del motore aumenta e la frequenza di commutazione PWM aumenta, i segnali di uscita seno/coseno del risolutore sviluppano anomalie, flat-topping, distorsione dell'inviluppo e altre anomalie, che portano a jitter angolare, ondulazione di coppia e persino guasti al controller.

I. Che aspetto ha un normale segnale seno/coseno del Resolver?

La struttura di un risolutore a riluttanza è relativamente semplice: lo statore porta un avvolgimento di eccitazione e due avvolgimenti di uscita spazialmente ortogonali, mentre il rotore è costituito da poli salienti di acciaio al silicio appositamente sagomati senza avvolgimenti. All'avvolgimento di eccitazione viene applicata un'eccitazione sinusoidale ad alta frequenza:

Quando il rotore ruota di un angolo θ , i due avvolgimenti in uscita inducono rispettivamente:

In pratica ogni segnale è differenziale, ad esempio S1-S3 e S2-S4. Come si può vedere, l'uscita del risolutore è una portante ad alta frequenza la cui ampiezza è modulata dall'angolo del rotore  θ  . Su un oscilloscopio, le forme d'onda appaiono come due inviluppi che variano con l'angolo rispettivamente come seno e coseno.

Il chip di decodifica, il Resolver-to-Digital Converter (RDC), demodula questi segnali, estrae gli inviluppi e calcola l'angolo tramite  

II. Da dove provengono le forti interferenze elettromagnetiche?

Il risolutore è generalmente montato all'estremità del motore, circondato da un tipico ambiente con forte interferenza elettromagnetica:

·  Commutazione ad alta velocità di IGBT/MOSFET : la frequenza portante PWM del controller del motore è generalmente compresa tra pochi kHz e decine di kHz, ma i fronti di commutazione sono solo di decine o centinaia di nanosecondi, con spettri che si estendono fino a decine di MHz.

·  Sbarre di potenza e cavi di fase : rapidi cambiamenti nell'alta corrente e nell'alta tensione generano forti campi elettrici e magnetici.

·  Operazioni di contattori e relè : producono archi e impulsi transitori.

·  Convertitori di potenza : ondulazioni e armoniche da alimentatori switching.

Una volta che queste interferenze si agganciano alle linee del segnale del risolutore, si sovrappongono ai segnali seno/coseno altrimenti puliti.

III. Come l'interferenza entra nella catena del segnale

Esistono quattro percorsi principali attraverso i quali l'interferenza entra nella catena del segnale del risolutore:

1. Accoppiamento radiativo
Le linee elettriche e i nodi di commutazione agiscono come antenne trasmittenti, mentre i cablaggi del risolutore agiscono come antenne riceventi. Quando i cablaggi del risolverer vengono instradati parallelamente ai cavi di alimentazione, i campi elettromagnetici ad alta frequenza inducono tensioni direttamente sui cablaggi.

2. Accoppiamento conduttivo
L'interferenza entra nel sistema risolutore attraverso le linee di alimentazione di eccitazione o l'alimentazione della scheda decodificatore e quindi si accoppia sul lato del segnale.

3. Differenze di potenziale di terra
Grandi correnti causano cadute di tensione sulle tracce di terra o sugli alloggiamenti metallici, creando potenziali di terra disuguali tra l'estremità del risolutore e l'estremità del decodificatore, formando tensioni di modo comune.

4. Diafonia tra le linee
Quando i cablaggi del risolutore corrono paralleli ai cavi di fase, alle sbarre collettrici, ecc., la capacità parassita e la mutua induttanza tra le linee accoppiano le interferenze.

IV. Manifestazioni tipiche della distorsione

Su un oscilloscopio, i segnali seno/coseno sottoposti a forti EMI possono apparire nelle seguenti forme.

1. Sovrapposizione di glitch ad alta frequenza
Sulla portante compaiono picchi e squilli sincronizzati con i bordi PWM. Questo perché le correnti ad alta frequenza generate durante i momenti di commutazione si accoppiano alle linee di segnale attraverso la capacità parassita. Le ampiezze dei glitch possono raggiungere decine di mV o addirittura centinaia di mV, mentre le normali ampiezze del segnale differenziale sono in genere solo pochi volt, con conseguente calo significativo dell'SNR.

2. Rumore da modo comune a modo differenziale
I segnali differenziali sono teoricamente sensibili solo alla differenza di tensione tra i due fili e hanno capacità di reiezione contro le interferenze di modo comune. Tuttavia, i cavi, i connettori e le reti di filtri effettivi non sono mai perfettamente simmetrici. Quando entra in gioco un'interferenza di modo comune ad alta frequenza, una parte di essa viene convertita in tensione di modo differenziale e sovrapposta ai segnali seno/coseno. Questo rumore appare spesso come una 'peluria' periodica sulla busta.

3. Clipping e saturazione
Quando l'ampiezza dell'interferenza è grande e il picco del segnale sovrapposto supera l'intervallo di ingresso RDC o i binari di alimentazione dell'amplificatore operazionale, le parti superiori della forma d'onda vengono 'tagliate'. Il clipping distrugge direttamente l'inviluppo seno/cos, causando gravi errori non lineari nell'angolo decodificato.

4. Deriva dell'offset CC
I componenti a bassa frequenza nell'interferenza, le correnti del circuito di terra o gli effetti di rettifica possono causare un offset CC nel segnale, rendendo la forma d'onda asimmetrica. La decodifica RDC presuppone tipicamente segnali CA puri; l'offset porta a errori angolari e ondulazioni della velocità.

5. Distorsione armonica
La non linearità dei materiali magnetici e l'intermodulazione tra l'interferenza e il portatore di eccitazione generano componenti armoniche. Una volta che le armoniche entrano nell'RDC, possono essere demodulate in errori armonici di ordine superiore nell'angolo, manifestandosi come ondulazione di coppia o rumore.

6. Squilibrio di ampiezza seno/coseno e sfasamento
Se i due percorsi del segnale per seno e cos hanno parametri di filtro, lunghezze di cavo o impedenze di contatto del connettore diversi, i due canali vengono influenzati in modo diverso in caso di forte interferenza, con conseguente disadattamento di ampiezza o sfasamento. L'RDC calcola l'angolo in base a sinθ/cosθ; lo squilibrio di ampiezza o di fase produce direttamente errori angolari.

V. Impatto della distorsione sul sistema

La distorsione del segnale non è semplicemente un 'problema visivo' sull'oscilloscopio; si riflette direttamente sulle prestazioni del sistema:

·  Jitter dell'uscita angolare : il rumore demodulato dall'RDC provoca jitter ad alta frequenza nel valore dell'angolo, amplificando il rumore del feedback della velocità.

·  Errori angolari periodici : la distorsione dell'inviluppo e le armoniche causano errori angolari che variano periodicamente con la posizione del rotore, portando a fluttuazioni di corrente sull'asse dq e ondulazioni di coppia.

·  Guasti e perdita dell'aggancio : gravi interferenze possono causare la perdita dell'aggancio del circuito di tracciamento RDC, con conseguenti salti angolari e l'attivazione della protezione da sovracorrente o sovratensione.

·  Degrado delle prestazioni del sistema : nei veicoli elettrici, ciò può comportare una riduzione dell'efficienza del motore, un aumento delle vibrazioni e del rumore e persino compromettere la sicurezza del veicolo.

VI. Come identificare e risolvere i problemi

Nel debug pratico, i seguenti metodi possono determinare rapidamente se i segnali del risolutore sono influenzati da forti EMI:

·  Utilizzare  sonde differenziali  per misurare S1-S3 e S2-S4, evitando sonde single-ended che potrebbero introdurre anelli di massa.

·  Osservare contemporaneamente sia il segnale di eccitazione che i segnali di uscita per determinare se vengono introdotte interferenze attraverso il lato di eccitazione.

·  Confrontare le forme d'onda con il motore fermo rispetto a quello in funzione e con l'accensione e lo spegnimento PWM, per determinare se l'interferenza ha origine dal circuito di alimentazione.

·  Utilizzare la FFT dell'oscilloscopio per analizzare lo spettro delle interferenze e verificare se coincide con la frequenza portante PWM o con le armoniche dei fronti.

·  Misurare la tensione di modo comune delle due linee verso terra per valutare il livello di interferenza di modo comune.

VII. Misure di repressione

La soppressione della distorsione richiede sforzi simultanei su tre fronti: la fonte dell'interferenza, il percorso di accoppiamento e il ricevitore.

1. Ottimizzare il cablaggio e la schermatura

·  Utilizzare doppini intrecciati schermati per le linee di segnale del risolutore, con la schermatura messa a terra in un singolo punto all'estremità del decodificatore per evitare anelli di terra causati dalla messa a terra a doppia estremità.

·  Posare le linee di segnale separatamente dai cavi di potenza, evitando lunghi tratti paralleli; se l'attraversamento è inevitabile, attraversarli perpendicolarmente.

·  Se necessario, utilizzare condotti metallici o schermatura a doppio strato per migliorare l'efficacia della schermatura ad alta frequenza.

2. Filtrazione e protezione

·  Aggiungere induttanze di modo comune e filtri passa-basso RC all'ingresso RDC per sopprimere il rumore di modo comune e i disturbi ad alta frequenza.

·  La frequenza di taglio del filtro dovrebbe essere superiore alla frequenza di eccitazione del risolutore evitando un ritardo di fase eccessivo che altrimenti introdurrebbe nuovi errori angolari.

·  Aggiungere dispositivi di protezione come tubi TVS per evitare che sovratensioni transitorie danneggino il circuito del decoder.

3. Layout e messa a terra

·  Posizionare la scheda decoder il più vicino possibile al connettore delresolver per accorciare le tracce del segnale analogico.

·  Separare la terra analogica dalla terra dell'alimentazione, collegandole in un unico punto per impedire il passaggio di grandi correnti attraverso la terra analogica.

·  Prestare attenzione alla continuità dello schermo nella scelta del connettore, assicurandosi che lo schermo non sia rotto sul connettore.

4. Trattamento lato eccitazione

·  Utilizzare doppini intrecciati schermati anche per le linee di eccitazione e aggiungere filtri all'alimentazione di eccitazione.

·  Evitare di condividere connettori o cablaggi tra segnali di eccitazione e cavi di alimentazione.

5. Misure sistemiche e algoritmiche

·  Scegli chip RDC con forte capacità anti-interferenza, come quelli con demodulazione sincrona e filtraggio digitale integrati.

·  Nel software, applicare filtri, limiti di velocità e controlli di plausibilità al segnale angolare per evitare che singoli impulsi di interferenza causino anomalie di controllo.

·  Ottimizzare le velocità di risposta del fronte PWM e aggiungere circuiti snubber per ridurre le interferenze alla fonte.

VIII. Conclusione

Il risolutore magnetoresistivo è intrinsecamente un sensore robusto, ma le sue uscite seno/coseno sono segnali analogici di basso livello suscettibili a distorsione in caso di forti EMI. Comprendere le fonti di interferenza e i percorsi di accoppiamento e implementare schermatura, filtraggio, messa a terra e layout adeguati sono essenziali per garantire la precisione e l'affidabilità del feedback angolare.

Per gli ingegneri, la forma d'onda sull'oscilloscopio è il miglior 'rapporto sullo stato di salute'. Quanto prima viene rilevata la distorsione del segnale, tanto minore è la probabilità di problemi del sistema.