신에너지 자동차 전기 드라이브 및 산업용 서보와 같은 애플리케이션에서 릴럭턴스형 리졸버는 모터 회전자 위치 센서로 널리 사용됩니다. 여기에는 반도체 칩이 포함되어 있지 않고 고온을 견디며 진동에 강해 매우 '견고해 보입니다.' 그러나 많은 엔지니어는 현장에서 당혹스러운 문제에 직면합니다. 모터 전력이 증가하고 PWM 스위칭 주파수가 증가하면 리졸버의 사인/코사인 출력 신호에 글리치, 플랫 토핑, 엔벨로프 왜곡 및 기타 이상 현상이 발생하여 각도 지터, 토크 리플, 심지어 컨트롤러 오류까지 발생합니다.
I. 일반 리졸버 사인/코사인 신호는 어떤 모습입니까?
릴럭턴스형 리졸버의 구조는 상대적으로 간단합니다. 고정자는 여자 권선과 공간적으로 직교하는 두 개의 출력 권선을 갖고 있고, 회전자는 권선이 없는 특수 모양의 실리콘강 돌출 극으로 만들어집니다. 고주파 정현파 여기가 여자 권선에 적용됩니다.
회전자가 각도 θ 만큼 회전하면 두 출력 권선은 각각 다음을 유도합니다.
실제로 각 신호는 S1-S3 및 S2-S4와 같이 차동 신호입니다. 볼 수 있듯이 리졸버 출력은 진폭이 회전자 각도 에 의해 변조되는 고주파수 캐리어입니다 θ . 오실로스코프에서 파형은 각각 사인과 코사인으로 각도에 따라 달라지는 두 개의 봉투로 나타납니다.
디코딩 칩인 RDC(Resolver-to-Digital Converter)는 이러한 신호를 복조하고 포락선을 추출하며 다음을 통해 각도를 계산합니다.
II. 강한 전자기 간섭은 어디에서 오는가
리졸버는 일반적으로 강력한 전자기 간섭 환경으로 둘러싸인 모터 끝에 장착됩니다.
· IGBT/MOSFET의 고속 스위칭 : 모터 컨트롤러의 PWM 캐리어 주파수는 일반적으로 수 kHz ~ 수십 kHz 범위에 있지만 스위칭 에지는 수십 ~ 수백 나노초에 불과하며 스펙트럼은 최대 수십 MHz까지 확장됩니다.
· 전력 부스바 및 상 케이블 : 고전류 및 고전압의 빠른 변화는 강한 전기장 및 자기장을 생성합니다.
· 접촉기 및 릴레이 작동 : 아크 및 과도 펄스를 생성합니다.
· 전력 변환기 : 스위칭 전원 공급 장치의 리플 및 고조파.
이러한 간섭이 리졸버 신호 라인에 결합되면 깨끗한 사인/코사인 신호에 중첩됩니다.
III. 간섭이 신호 체인에 들어가는 방법
간섭이 리졸버 신호 체인에 들어가는 주요 경로는 4가지가 있습니다.
1. 방사형 커플링 전력선과 스위칭 노드는 송신 안테나처럼 작동하고 리졸버 배선 장치는 수신 안테나처럼 작동합니다. 리졸버 하네스가 전원 케이블과 평행하게 배선되면 고주파 전자기장이 하네스에 직접 전압을 유도합니다.
2. 전도성 결합 간섭은 여자 전원 공급 라인 또는 디코더 보드 전원 공급 장치를 통해 리졸버 시스템에 들어간 다음 신호 측에 결합됩니다.
3. 접지 전위차 큰 전류는 접지 트레이스 또는 금속 하우징에 전압 강하를 유발하여 리졸버 끝과 디코더 끝 사이에 불평등한 접지 전위를 생성하고 공통 모드 전압을 형성합니다.
4. 라인 간 누화 리졸버 하네스가 위상 케이블, 버스바 등과 평행하게 실행되면 라인 간 기생 용량과 상호 인덕턴스가 간섭을 결합합니다.
IV. 왜곡의 전형적인 징후
오실로스코프에서 강한 EMI 하의 사인/코사인 신호는 다음과 같은 형태로 나타날 수 있습니다.
1. 고주파 글리치 중첩 PWM 에지와 동기화된 스파이크 및 링잉이 캐리어에 나타납니다. 이는 스위칭 순간에 생성된 고주파 전류가 기생 용량을 통해 신호 라인에 결합되기 때문입니다. 글리치 진폭은 수십 mV 또는 심지어 수백 mV에 도달할 수 있지만 일반적인 차동 신호 진폭은 일반적으로 몇 볼트에 불과하므로 SNR이 크게 떨어집니다.
2. 공통 모드에서 차동 모드로의 잡음 차동 신호는 이론적으로 두 와이어 사이의 전압 차이에만 민감하며 공통 모드 간섭에 대한 제거 기능을 갖습니다. 그러나 실제 케이블, 커넥터 및 필터 네트워크는 결코 완벽하게 대칭이 아닙니다. 고주파 공통 모드 간섭이 들어오면 그 일부가 차동 모드 전압으로 변환되어 사인/코사인 신호에 중첩됩니다. 이 소음은 봉투에 주기적인 '퍼즈'로 나타나는 경우가 많습니다.
3. 클리핑 및 포화 간섭 진폭이 크고 중첩된 신호 피크가 RDC 입력 범위 또는 연산 증폭기 공급 레일을 초과하면 파형 상단이 '클리핑'됩니다. 클리핑은 사인/코사인 엔벨로프를 직접 파괴하여 디코딩된 각도에 심각한 비선형 오류를 유발합니다.
4. DC 오프셋 드리프트 간섭, 접지 루프 전류 또는 정류 효과의 저주파 성분으로 인해 신호에 DC 오프셋이 발생하여 파형이 비대칭이 될 수 있습니다. RDC 디코딩은 일반적으로 순수한 AC 신호를 가정합니다. 오프셋으로 인해 각도 오류와 속도 리플이 발생합니다.
5. 고조파 왜곡 자성체의 비선형성 및 간섭과 여기 캐리어 간의 상호 변조로 인해 고조파 성분이 생성됩니다. 고조파가 RDC에 들어가면 각도의 고차 고조파 오류로 복조되어 토크 리플이나 노이즈로 나타날 수 있습니다.
6. 사인/코사인 진폭 불균형 및 위상 변이 사인 및 코사인에 대한 두 신호 경로의 필터 매개변수, 케이블 길이 또는 커넥터 접촉 임피던스가 서로 다른 경우 강한 간섭 하에서 두 채널이 서로 다르게 영향을 받아 진폭 불일치 또는 위상 변이가 발생합니다. RDC는 sinθ/cosθ를 기반으로 각도를 계산합니다. 진폭 또는 위상 불균형은 각도 오류를 직접적으로 발생시킵니다.
V. 왜곡이 시스템에 미치는 영향
신호 왜곡은 오실로스코프의 단순한 '시각적 문제'가 아닙니다. 이는 시스템 성능에 직접적으로 반영됩니다.
· 각도 출력 지터 : RDC에 의해 복조된 잡음은 각도 값에 고주파 지터를 발생시켜 속도 피드백 잡음을 증폭시킵니다.
· 주기적인 각도 오류 : 엔벨로프 왜곡 및 고조파는 회전자 위치에 따라 주기적으로 변하는 각도 오류를 유발하여 dq축 전류 변동 및 토크 리플을 발생시킵니다.
· 잠금 오류 및 손실 : 심각한 간섭으로 인해 RDC 추적 루프가 잠금을 잃어 각도 점프가 발생하고 과전류 또는 과전압 보호가 트리거될 수 있습니다.
· 시스템 성능 저하 : 전기 자동차의 경우 모터 효율 저하, 진동 및 소음 증가, 심지어 차량 안전성 저하로 이어질 수 있습니다.
6. 식별 및 문제 해결 방법
실제 디버깅에서 다음 방법을 사용하면 리졸버 신호가 강한 EMI의 영향을 받는지 여부를 신속하게 확인할 수 있습니다.
· 사용하여 차동 프로브를 S1-S3 및 S2-S4를 측정하고 접지 루프를 유발할 수 있는 단일 종단 프로브를 피하십시오.
· 여자 신호와 출력 신호를 동시에 관찰하여 여자 측을 통해 간섭이 유입되는지 확인합니다.
· 모터 정지 상태와 작동 상태, PWM 스위치 켜짐 상태와 꺼짐 상태의 파형을 비교하여 간섭이 전원 회로에서 발생하는지 확인합니다.
· 오실로스코프의 FFT를 사용하여 간섭 스펙트럼을 분석하고 그것이 PWM 캐리어 주파수 또는 에지 고조파와 일치하는지 확인합니다.
· 공통 모드 간섭 수준을 평가하기 위해 접지에 대한 두 라인의 공통 모드 전압을 측정합니다.
Ⅶ. 진압 조치
왜곡을 억제하려면 간섭 소스, 결합 경로, 수신기라는 세 가지 측면에서 동시에 노력해야 합니다.
1. 배선 하네스 및 차폐 최적화
· 이중 종단 접지로 인한 접지 루프를 방지하기 위해 디코더 끝의 단일 지점에 접지된 차폐와 함께 리졸버 신호 라인에 차폐 연선을 사용합니다.
· 신호선을 전원 케이블과 별도로 배선하여 긴 병렬 연결을 피합니다. 불가피하게 교차할 경우에는 수직으로 교차하십시오.
· 필요한 경우 금속 도관이나 이중층 차폐를 사용하여 고주파 차폐 효과를 향상시킵니다.
2. 필터링 및 보호
· RDC 입력에 공통 모드 초크와 RC 저역 통과 필터를 추가하여 공통 모드 잡음과 고주파수 글리치를 억제합니다.
· 필터 차단 주파수는 리졸버 여기 주파수보다 높아야 하며, 그렇지 않으면 새로운 각도 오류가 발생할 수 있는 과도한 위상 지연을 피해야 합니다.
· TVS 튜브와 같은 보호 장치를 추가하여 일시적인 과전압으로 인해 디코더 회로가 손상되는 것을 방지합니다.
3. 레이아웃 및 접지
· 아날로그 신호 추적을 줄이려면 디코더 보드를 리졸버 커넥터에 최대한 가깝게 배치하십시오.
· 아날로그 접지와 전원 접지를 분리하여 단일 지점에 연결하여 아날로그 접지를 통해 큰 전류가 흐르는 것을 방지합니다.
· 커넥터 선택 시 쉴드 연속성에 주의하여 커넥터에서 쉴드가 파손되지 않도록 하십시오.
4. 여자측 처리
· 여자 라인에도 차폐 연선을 사용하고 여자 전원 공급 장치에 필터링을 추가합니다.
· 여자 신호와 전원 케이블 사이에 커넥터나 하네스를 공유하지 마십시오.
5. 시스템 및 알고리즘적 조치
· 동기식 복조 및 디지털 필터링 기능이 내장된 칩과 같이 강력한 간섭 방지 기능을 갖춘 RDC 칩을 선택하십시오.
· 소프트웨어에서 필터링, 속도 제한 및 타당성 검사를 각도 신호에 적용하여 개별 간섭 펄스가 제어 이상을 유발하는 것을 방지합니다.
· PWM 에지 슬루율을 최적화하고 스너버 회로를 추가하여 소스에서의 간섭을 줄입니다.
Ⅷ. 결론
자기 저항 리졸버는 본질적으로 견고한 센서이지만 사인/코사인 출력은 강한 EMI에서 왜곡되기 쉬운 낮은 수준의 아날로그 신호입니다. 각도 피드백의 정확성과 신뢰성을 보장하려면 간섭 소스와 결합 경로를 이해하고 적절한 차폐, 필터링, 접지 및 레이아웃을 구현하는 것이 필수적입니다.
엔지니어에게는 오실로스코프의 파형이 최고의 '상태 보고서'입니다. 신호 왜곡이 조기에 감지될수록 시스템 문제가 발생할 가능성이 낮아집니다.
