Analyse van Sin/Cos-signaalvervorming in Reluctance-type Resolvers onder sterke elektromagnetische interferentie -EV Resolver-sensor

In toepassingen zoals elektrische aandrijvingen voor nieuwe energievoertuigen en industriële servo's, van het type terughoudendheid solvers worden veel gebruikt als motorrotorpositiesensoren. Ze bevatten geen halfgeleiderchips, zijn bestand tegen hoge temperaturen en zijn bestand tegen trillingen - ze zien er erg 'robuust' uit. Veel ingenieurs komen echter ter plekke een raadselachtig probleem tegen: zodra het motorvermogen toeneemt en de PWM-schakelfrequentie stijgt, ontwikkelen de sinus/cosinus-uitgangssignalen van de solver glitches, flat-topping, omhullende vervorming en andere afwijkingen, wat leidt tot hoekjitter, koppelrimpeling en zelfs controllerfouten.

I. Hoe ziet een normaal sinus-/cosinussignaal van de oplossing eruit?

De structuur van een reluctantie-type solver is relatief eenvoudig: de stator heeft een excitatiewikkeling en twee ruimtelijk orthogonale uitgangswikkelingen, terwijl de rotor is gemaakt van speciaal gevormde uitspringende polen van siliciumstaal zonder wikkelingen. Op de bekrachtigingswikkeling wordt een hoogfrequente sinusoïdale excitatie toegepast:

Wanneer de rotor over een hoek θ draait , veroorzaken de twee uitgangswikkelingen respectievelijk:

In de praktijk is elk signaal differentieel, bijvoorbeeld S1-S3 en S2-S4. Zoals te zien is, is de output van de solver een hoogfrequente draaggolf waarvan de amplitude wordt gemoduleerd door de rotorhoek  θ  . Op een oscilloscoop verschijnen de golfvormen als twee omhulsels die met de hoek variëren als respectievelijk sinus en cosinus.

De decodeerchip – de Resolver-to-Digital Converter (RDC) – demoduleert deze signalen, extraheert de enveloppen en berekent de hoek via  

II. Waar komt sterke elektromagnetische interferentie vandaan

De solver wordt doorgaans aan de motorzijde gemonteerd, omringd door een typische omgeving met sterke elektromagnetische interferentie:

·  Snel schakelen van IGBT's/MOSFET's : de PWM-draaggolffrequentie van de motorcontroller ligt gewoonlijk in het bereik van enkele kHz tot tientallen kHz, maar de schakelflanken bedragen slechts tientallen tot honderden nanoseconden, met spectra die zich uitstrekken tot tientallen MHz.

·  Stroomrails en fasekabels : Snelle veranderingen in hoge stroom en hoge spanning genereren sterke elektrische en magnetische velden.

·  Bediening van schakelaars en relais : Produceert vonken en transiënte pulsen.

·  Stroomomvormers : rimpelingen en harmonischen van schakelende voedingen.

Zodra deze interferenties in de signaallijnen van de oplossing zijn opgenomen, worden ze op de overigens schone sinus-/cosinussignalen gesuperponeerd.

III. Hoe interferentie de signaalketen binnendringt

Er zijn vier hoofdpaden waarlangs interferentie de signaalketen van de oplossing binnendringt:

1. Stralingskoppeling
Hoogspanningslijnen en schakelknooppunten fungeren als zendantennes, terwijl de kabelbomen van de solver fungeren als ontvangstantennes. Wanneer solverkabelbomen parallel aan stroomkabels worden gelegd, induceren hoogfrequente elektromagnetische velden spanningen direct op de kabelbomen.

2. Geleidende koppeling
Interferentie komt het resolversysteem binnen via de bekrachtigingsvoedingslijnen of de voeding van de decoderkaart en koppelt vervolgens aan de signaalzijde.

3. Aardpotentiaalverschillen
Grote stromen veroorzaken spanningsdalingen op aardsporen of metalen behuizingen, waardoor ongelijke aardpotentialen ontstaan ​​tussen het uiteinde van de solver en het uiteinde van de decoder, waardoor common-mode spanningen ontstaan.

4. Overspraak tussen lijnen
Wanneer de kabelbomen van de solver parallel lopen aan fasekabels, stroomrails, etc., koppelen parasitaire capaciteit en wederzijdse inductie tussen lijnen interferentie over.

IV. Typische manifestaties van vervorming

Op een oscilloscoop kunnen de sinus-/cosinussignalen bij sterke EMI in de volgende vormen verschijnen.

1. Hoogfrequente glitch-superpositie
Er verschijnen pieken en beltonen gesynchroniseerd met PWM-randen op de drager. Dit komt doordat hoogfrequente stromen die tijdens schakelmomenten worden gegenereerd, via parasitaire capaciteit in signaallijnen worden gekoppeld. Glitch-amplitudes kunnen tientallen mV of zelfs honderden mV bereiken, terwijl normale differentiële signaalamplitudes doorgaans slechts enkele volt bedragen, wat resulteert in een aanzienlijke daling van de SNR.

2. Common-mode naar differentiële-mode-ruis
Differentiële signalen zijn theoretisch alleen gevoelig voor het spanningsverschil tussen de twee draden en hebben een onderdrukkingsvermogen tegen common-mode-interferentie. Feitelijke kabels, connectoren en filternetwerken zijn echter nooit perfect symmetrisch. Wanneer hoogfrequente common-mode-interferentie optreedt, wordt een deel ervan omgezet in differentiële-modusspanning en over de sinus-/cosinussignalen heen gesuperponeerd. Dit geluid verschijnt vaak als periodieke 'fuzz' op de envelop.

3. Clipping en verzadiging
Wanneer de interferentieamplitude groot is en de gesuperponeerde signaalpiek het RDC-ingangsbereik of de voedingsrails van de op-amp overschrijdt, worden de golfvormtoppen 'geknipt'. Clipping vernietigt direct de sin/cos-omhullende, waardoor ernstige niet-lineaire fouten in de gedecodeerde hoek ontstaan.

4. DC-offset-drift
Laagfrequente componenten in de interferentie, aardlusstromen of rectificatie-effecten kunnen een DC-offset in het signaal veroorzaken, waardoor de golfvorm asymmetrisch wordt. RDC-decodering gaat doorgaans uit van pure AC-signalen; offset leidt tot hoekfouten en snelheidsrimpels.

5. Harmonische vervorming
Niet-lineariteit van magnetische materialen en intermodulatie tussen interferentie en de excitatiedraaggolf genereren harmonische componenten. Zodra harmonischen de RDC binnenkomen, kunnen ze worden gedemoduleerd tot harmonische fouten van hoge orde in de hoek, die zich manifesteren als koppelrimpels of ruis.

6. Sinus/cosinus-amplitude-onbalans en faseverschuiving
Als de twee signaalpaden voor sin en cos verschillende filterparameters, kabellengtes of connectorcontactimpedanties hebben, worden de twee kanalen verschillend beïnvloed onder sterke interferentie, wat resulteert in amplitude-mismatch of faseverschuiving. De RDC berekent de hoek op basis van sinθ/cosθ; amplitude- of fase-onbalans veroorzaakt direct hoekfouten.

V. Impact van vervorming op het systeem

Signaalvervorming is niet alleen een 'visueel probleem' op de oscilloscoop; het weerspiegelt rechtstreeks de systeemprestaties:

·  Hoekuitgangsjitter : Door de RDC gedemoduleerde ruis veroorzaakt hoogfrequente jitter in de hoekwaarde, waardoor de snelheidsfeedbackruis wordt versterkt.

·  Periodieke hoekfouten : Omhullende vervorming en harmonischen veroorzaken hoekfouten die periodiek variëren afhankelijk van de rotorpositie, wat leidt tot stroomfluctuaties op de dq-as en koppelrimpels.

·  Storingen en verlies van vergrendeling : Ernstige interferentie kan ertoe leiden dat de RDC-volglus de vergrendeling verliest, wat resulteert in hoeksprongen en het activeren van overstroom- of overspanningsbeveiliging.

·  Verslechtering van de systeemprestaties : Bij elektrische voertuigen kan dit leiden tot verminderde motorefficiëntie, meer trillingen en lawaai, en zelfs de veiligheid van het voertuig in gevaar brengen.

VI. Hoe te identificeren en problemen op te lossen

Bij het praktisch debuggen kunnen de volgende methoden snel bepalen of de signalen van de oplossing worden beïnvloed door sterke EMI:

·  Gebruik  differentiële sondes  om S1-S3 en S2-S4 te meten, en vermijd sondes met één uiteinde die aardlussen kunnen veroorzaken.

·  Observeer zowel het excitatiesignaal als de uitgangssignalen tegelijkertijd om te bepalen of er interferentie wordt geïntroduceerd via de excitatiezijde.

·  Vergelijk golfvormen met de motor stationair versus draaiend, en met PWM ingeschakeld versus uitgeschakeld, om te bepalen of interferentie afkomstig is van het stroomcircuit.

·  Gebruik de FFT van de oscilloscoop om het interferentiespectrum te analyseren en te controleren of dit samenvalt met de PWM-draaggolffrequentie of randharmonischen.

·  Meet de common-mode-spanning van de twee lijnen naar aarde om het common-mode-interferentieniveau te bepalen.

VII. Onderdrukkingsmaatregelen

Het onderdrukken van vervorming vereist gelijktijdige inspanningen op drie fronten: de interferentiebron, het koppelpad en de ontvanger.

1. Optimaliseer de kabelboom en afscherming

·  Gebruik afgeschermde getwiste paren voor signaallijnen van de oplossing, waarbij de afscherming op één punt aan het decoderuiteinde is geaard om aardlussen te voorkomen die worden veroorzaakt door aarding met twee uiteinden.

·  Leid signaalleidingen gescheiden van stroomkabels en vermijd lange parallelle trajecten; als kruisen onvermijdelijk is, steek ze dan loodrecht over.

·  Gebruik indien nodig metalen leidingen of dubbellaagse afscherming om de effectiviteit van de hoogfrequente afscherming te verbeteren.

2. Filtering en bescherming

·  Voeg common-mode-smoorspoelen en RC-laagdoorlaatfilters toe aan de RDC-ingang om common-mode-ruis en hoogfrequente storingen te onderdrukken.

·  De filterafsnijfrequentie moet hoger zijn dan de excitatiefrequentie van de solver, terwijl buitensporige fasevertraging moet worden vermeden, die anders nieuwe hoekfouten zou introduceren.

·  Voeg beveiligingsapparatuur toe, zoals TVS-buizen, om te voorkomen dat transiënte overspanningen de decodercircuits beschadigen.

3. Indeling en aarding

·  Plaats de decoderkaart zo dicht mogelijk bij de resolutieconnector om de analoge signaalsporen te verkorten.

·  Scheid de analoge aarde van de voedingsaarde en verbind ze op één enkel punt om te voorkomen dat er grote stromen door de analoge aarde stromen.

·  Let bij de keuze van de connector op de continuïteit van de afscherming en zorg ervoor dat de afscherming bij de connector niet kapot gaat.

4. Excitatie-bijbehandeling

·  Gebruik ook afgeschermde, getwiste paren voor bekrachtigingslijnen en voeg filtering toe aan de bekrachtigingsvoeding.

·  Vermijd het delen van connectoren of kabelbomen tussen bekrachtigingssignalen en stroomkabels.

5. Systeem- en algoritmische maatregelen

·  Kies RDC-chips met een sterk anti-interferentievermogen, zoals chips met ingebouwde synchrone demodulatie en digitale filtering.

·  Pas in software filtering, frequentiebeperking en plausibiliteitscontroles toe op het hoeksignaal om te voorkomen dat individuele interferentiepulsen besturingsafwijkingen veroorzaken.

·  Optimaliseer de PWM-randzwenksnelheden en voeg snubbercircuits toe om interferentie bij de bron te verminderen.

VIII. Conclusie

De magnetoresistieve solver is van nature een robuuste sensor, maar de sinus-/cosinusuitgangen zijn analoge signalen op laag niveau die gevoelig zijn voor vervorming bij sterke EMI. Het begrijpen van de interferentiebronnen en koppelingspaden, en het implementeren van de juiste afscherming, filtering, aarding en lay-out, zijn essentieel om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van hoekfeedback te garanderen.

Voor ingenieurs is de golfvorm op de oscilloscoop het beste 'gezondheidsrapport'. Hoe eerder signaalvervorming wordt gedetecteerd, hoe kleiner de kans op systeemproblemen.