Selezione del sensore delsolver del motore di azionamento principale di New Energy: cinque giudizi ingegneristici facili da sottovalutare

Per la selezione del sensore di posizione nei motori di azionamento principali, il il risolutore è quasi inevitabile. Ma la 'scegliere un risolutore' in sé non è difficile. Ciò che è difficile è esprimere i pochi giudizi dietro la scheda tecnica che determinano veramente le prestazioni della produzione di massa: se le coppie polari corrispondono al motore, quanto fidarsi del valore di precisione, quali condizioni operative utilizzare per la convalida di temperatura e vibrazioni, se la catena di decodifica è abbinata correttamente e quale livello di sicurezza funzionale deve essere raggiunto. Ciascuno di questi cinque problemi è sufficiente per far sembrare un progetto perfettamente normale nella fase di prototipo, esponendo al contempo problemi nella produzione di massa o in condizioni estreme.

Innanzitutto, chiarire: perché le principali applicazioni di azionamento non possono ancora evitare i risolutori

A fronte delle alte temperature, della contaminazione dell'olio e delle forti interferenze elettromagnetiche nel vano motore, i dischi di codice e gli optoaccoppiatori degli encoder ottici sono intrinsecamente fragili, mentre le soluzioni basate su Hall faticano a soddisfare i requisiti di precisione e coerenza del controllo dell'azionamento principale. L'essenza di un risolutore è un trasformatore elettromagnetico: non ci sono componenti elettronici sul rotore. Si basa esclusivamente sulla variazione dell'accoppiamento magnetico tra l'avvolgimento di eccitazione dello statore e la salienza del rotore per emettere segnali di inviluppo seno e coseno, con tutta l'elaborazione del segnale completata sul lato statore e nel circuito di decodifica. Questa struttura a 'rotore passivo' determina che i suoi limiti inferiori di resistenza alla temperatura, resistenza all'olio e resistenza alle vibrazioni sono molto più alti di quelli delle soluzioni che si basano su componenti attivi sul rotore.

Ma questo non significa che il risolutore sia ottimale in ogni dimensione. I suoi difetti sono altrettanto evidenti: è influenzato in modo significativo dai cambiamenti nella progettazione del motore e la compatibilità della sua piattaforma è inferiore alle soluzioni a correnti parassite. Negli scenari emergenti come i sistemi a 800 V e le velocità ultra elevate, i sensori di posizione a correnti parassite stanno gradualmente guadagnando terreno. Pertanto, la premessa per scegliere un risolutore è che l'applicazione dell'unità principale attribuisce un peso maggiore all''affidabilità sostenuta in ambienti difficili' rispetto alla 'flessibilità nel riutilizzo della piattaforma'. Se questa premessa è valida, i seguenti cinque giudizi sono veramente significativi.

Giudizio 1: L'abbinamento delle coppie di poli non è solo una questione di 'abbinamento'

Le coppie polari del risolutore devono avere una chiara relazione con le coppie polari del motore, ma l''allineamento' stesso ha due strategie di implementazione molto diverse con costi significativamente diversi.

La soluzione preferita è RPP = MPP (coppie polari delresolver uguali coppie polari del motore).  I motori di azionamento principale delle autovetture hanno generalmente da 4 a 10 coppie di poli. Far corrispondere le coppie polari del risolutore impedisce che gli errori di lavorazione e assemblaggio vengano amplificati dalle coppie polari del motore e fornisce una maggiore precisione in stato stazionario per il controllo FOC. Questo è il percorso che privilegia la precisione, al costo di richiedere la personalizzazione del risolutore per ciascun motore, con conseguente bassa comunanza della piattaforma.

L'altro è RPP = 1 (risolutore di coppia unipolare, un compromesso della piattaforma).  Il vantaggio è che un risolutore può coprire più motori, ma errori come l'eccentricità meccanica e la deviazione dell'assemblaggio vengono moltiplicati per le coppie di poli del motore e possono manifestarsi soprattutto come ondulazione di coppia nella regione di indebolimento del campo ad alta velocità. Se si sceglie questa strada, è necessario riservare un margine di precisione sufficiente nelle tolleranze strutturali e nei processi di assemblaggio per 'assorbire' l'effetto di amplificazione. Altrimenti, non importa quanto buona sia la precisione elettrica sulla scheda tecnica, verrà consumata da errori meccanici una volta installata sul motore.

Giudizio 2: Scomporre la cifra di precisione; l'errore meccanico è spesso il principale fattore che contribuisce

L''errore elettrico ±X minuti d'arco' in una scheda tecnica viene misurato in condizioni ideali di installazione e allineamento. Dopo l'effettiva installazione sul motore, le fonti di errore includono almeno l'eccentricità di installazione, il gioco assiale e il disallineamento statore-rotore, ciascuno dei quali si aggiunge all'errore totale.

Ciò significa che un errore di selezione comune è quello di confrontare ripetutamente la precisione del risolutore stesso senza effettuare una revisione altrettanto rigorosa della catena di tolleranza sull'interfaccia di montaggio. I risolutori divisi, con statore e rotore montati separatamente, impongono requisiti più elevati in termini di progettazione strutturale e processi di assemblaggio ma sono più efficienti in termini di spazio; i risolutori integrati sono più facili da assemblare ma costano di più. Questo compromesso dovrebbe essere bloccato durante la fase di revisione strutturale, piuttosto che cercare di porvi rimedio dopo l'attrezzaggio 'passando a un risolutore con maggiore precisione'. Quando la precisione meccanica è insufficiente, nessun chip di decodifica può salvare il risultato.

Da una prospettiva di confronto del settore, l'errore elettrico dei tradizionali risolutori a riluttanza variabile di livello automobilistico è all'incirca compreso tra ±25′ e ±30′ e alcuni progetti ottimizzati possono raggiungere valori inferiori nelle misurazioni effettive. La vera domanda in fase di selezione è: in quali condizioni di installazione è stato ottenuto questo dato? La mia catena di tolleranza strutturale può mantenere le stesse condizioni?

Giudizio 3: Convalidare la temperatura e le vibrazioni nelle 'condizioni operative peggiori', ma l'area ad alto rischio di guasto spesso non è il corpo del risolutore

Il limite inferiore della temperatura operativa per i risoluzione dei motori di azionamento è solitamente richiesto per coprire -40°C, mentre il limite superiore non può essere determinato dalla temperatura media dell'alloggiamento del motore. I punti vicini agli avvolgimenti sono molto più caldi dell'alloggiamento. I limiti superiori di temperatura dei principali prodotti di tipo automobilistico del settore sono distribuiti nell'intervallo compreso tra 150°C e 155°C e gli scenari vicini a fonti di calore richiedono una convalida con un margine più elevato. Allo stesso modo, le vibrazioni e gli urti dovrebbero essere controllati elemento per elemento rispetto alle vibrazioni casuali del settore automobilistico e ai profili di shock meccanico, non semplicemente soddisfatti superando test statici a temperatura ambiente.

Ma quello che viene più facilmente sottovalutato rispetto alla resistenza termica della carrozzeria è la  parte di collegamento . Nei progetti reali in cui si verificano anomalie del segnale, una percentuale considerevole non è dovuta a guasti degli avvolgimenti del risolutore o del circuito magnetico, ma al degrado delle guarnizioni, a un contatto scarso o a interferenze tra i cavi nei cablaggi e nei connettori sottoposti a cicli di temperatura e vibrazioni. Se la selezione verifica solo la temperatura nominale del corpo del risolutore, lasciando che la selezione del materiale del cablaggio, la sigillatura del connettore e il pressacavo vengano gestiti in seguito 'secondo necessità', l'anello più debole nella catena dell'affidabilità viene lasciato alla fine.

Giudizio 4: I parametri elettrici e la catena di decodifica devono essere confrontati nella stessa tabella

Il risolutore emette segnali seno e coseno modulati in ampiezza su una portante. Le informazioni sull'angolo sono nascoste nell'inviluppo e devono essere demodulate prima di poter diventare un angolo digitale utilizzabile dall'MCU. La scelta dello schema di decodifica impone direttamente vincoli inversi sui parametri elettrici del corpo del risolutore.

La decodifica hardware (chip RDC)  segue il percorso dedicato da risolutore a convertitore digitale, con una risoluzione tipica da 12 a 16 bit e una latenza di tracciamento compresa tra decine e centinaia di microsecondi. Dispone di un loop PLL maturo integrato e non consuma quasi nessuna potenza di calcolo dell'MCU, rendendolo adatto a piattaforme di produzione di massa con programmi di calibrazione ristretti. Il costo è la larghezza di banda dell'anello fisso, che non può essere profondamente personalizzata per le caratteristiche dinamiche di un motore specifico.

La decodifica morbida (DSADC + algoritmo software)  elimina l'RDC esterno e utilizza l'ADC delta-sigma su chip dell'MCU per campionare direttamente i segnali modulati in ampiezza, dopodiché il software completa l'intero calcolo. L'elevato rapporto di sovracampionamento e il filtraggio digitale del DSADC possono spingere il rumore di quantizzazione alle alte frequenze e ottenere un elevato rapporto segnale-rumore per l'inviluppo a bassa frequenza su una portante di 5-10 kHz, pur mantenendo la flessibilità per regolare i parametri di calcolo per le caratteristiche dinamiche del motore. Il costo è rappresentato dall'occupazione della potenza di calcolo e delle risorse di sviluppo dell'MCU, mentre la qualità della soluzione dipende in larga misura dalla maturità del software.

Qualunque sia il percorso intrapreso, i parametri che devono essere allineati durante la selezione includono almeno: frequenza di eccitazione (gli RDC tradizionali coprono un intervallo di eccitazione da 2 kHz a 20 kHz e i risolutori tipici sono classificati vicino a 10 kHz), rapporto di trasformazione (comunemente compreso tra 0,286 e 0,5), impedenza di eccitazione, capacità di pilotaggio e intervallo di ingresso del chip di decodifica. Le conseguenze della mancata corrispondenza del guadagno sono dirette: un'ampiezza insufficiente peggiora il rapporto segnale/rumore, mentre la saturazione dell'ampiezza causa il ritaglio della forma d'onda. In entrambi i casi, le informazioni sull'angolo sono distorte. Confrontare la scheda tecnica del risolutore con il manuale del chip di decodifica, elemento per elemento, nella fase dello schema hardware costa solo mezza giornata e consente di risparmiare infinite rielaborazioni di debug successive.

Giudizio 5: La sicurezza funzionale non si esaurisce con la 'scelta di un modello classificato ASIL'

Il sensore di posizione della trasmissione principale è il punto di partenza del circuito chiuso del controllo di coppia. Una volta che il segnale dell'angolo viene a mancare, le conseguenze vanno dalla fluttuazione della coppia all'interruzione di corrente o alla coppia involontaria. Pertanto, le considerazioni sulla sicurezza funzionale non possono fermarsi al livello di 'il fornitore rivendica il supporto per ASIL X'; devono essere implementati nella progettazione specifica di  guasti single-point e nell'architettura ridondante.

La pratica standard del settore è quella di raggiungere ASIL C (SEooC) a livello del corpo del risolutore o dell'elemento di rilevamento e supportare l'intero sistema nel raggiungimento di ASIL D attraverso una progettazione di ridondanza a livello di sistema: avvolgimenti a doppio canale, doppie catene di decodifica o verifica parallela della 'stima sensore fisico + sensorless'. Le domande da porre durante la selezione includono: Quali modalità di guasto copre il manuale di sicurezza del fornitore? Qual è la copertura diagnostica? Se viene utilizzato uno schema a doppio canale, come viene garantita l'indipendenza dei due canali e come vengono esclusi i guasti per causa comune? Queste domande sono solitamente invisibili nelle tabelle di confronto delle specifiche, ma determinano direttamente se l’argomento della sicurezza funzionale può essere chiuso.

Ritornando al senso dell'ordine nella selezione

Collegando insieme questi cinque giudizi, la logica della selezione è in realtà chiara:  innanzitutto determinare la strategia della coppia di poli (prima la precisione o prima la piattaforma), quindi bloccare la forma strutturale e la catena di tolleranza di installazione, quindi convalidare la temperatura e le vibrazioni nelle condizioni peggiori e includere la parte di connessione nella stessa lista di controllo di affidabilità, quindi abbinare i parametri elettrici e la catena di decodifica come un unico sistema e infine utilizzare i requisiti di sicurezza funzionale per verificare in senso inverso se l'architettura ridondante è valida.  Dopo questi cinque passaggi, di solito rimangono solo uno o due modelli candidati e le differenze tra questi uno o due sono la parte su cui vale davvero la pena dedicare tempo per il confronto dei prototipi.

Il risolutore non è l'unica scelta per i sensori di posizione dell'azionamento principale, ma nei progetti di azionamento principale di produzione di massa in cui l'affidabilità e la tolleranza ambientale sono le massime priorità, il risolutore è ancora un componente che deve essere 'selezionato correttamente' piuttosto che 'selezionato casualmente'. La chiave per selezionare correttamente non è il valore di precisione più importante sulla scheda tecnica, ma se i cinque giudizi di cui sopra sono stati affrontati seriamente all'inizio del progetto.