Analyse av Sin/Cos-signalforvrengning i reluktanstype-resolvere under sterk elektromagnetisk interferens -EV-resolversensor

I applikasjoner som nye energikjøretøy elektriske stasjoner og industrielle servoer, motvilje-type resolvere er mye brukt som motorrotorposisjonssensorer. De inneholder ingen halvlederbrikker, tåler høye temperaturer og motstår vibrasjoner - de virker veldig 'robuste.' Imidlertid møter mange ingeniører et forvirrende problem på stedet: når motoreffekten øker og PWM-svitsjefrekvensen øker, utvikler resolverens sinus/cosinus-utgangssignaler feil, flat-topping, envelope-forvrengning, som fører til envelope-forvrengning, og andre vinkelforstyrrelser. krusning, og til og med kontrollerfeil.

I. Hvordan ser et normalt sinus-/kosinussignal ut?

Strukturen til en reluktans-type resolver er relativt enkel: Statoren har en eksitasjonsvikling og to romlig ortogonale utgangsviklinger, mens rotoren er laget av spesielt utformede silisiumstål fremspringende poler uten viklinger. En høyfrekvent sinusformet eksitasjon påføres eksitasjonsviklingen:

Når rotoren roterer med en vinkel θ , induserer de to utgangsviklingene henholdsvis:

I praksis er hvert signal differensielt, f.eks. S1-S3 og S2-S4. Som det kan sees, er resolverutgangen en høyfrekvent bærebølge hvis amplitude er modulert av rotorvinkelen  θ  . På et oscilloskop fremstår bølgeformene som to konvolutter som varierer med vinkel som henholdsvis sinus og cosinus.

Dekodingsbrikken -Resolver-to-Digital Converter (RDC) -demodulerer disse signalene, trekker ut konvoluttene og beregner vinkelen via  

II. Hvor kommer sterke elektromagnetiske forstyrrelser fra

Resolveren er vanligvis montert ved motorenden, omgitt av et typisk miljø med sterk elektromagnetisk interferens:

·  Høyhastighetssvitsjing av IGBT-er/MOSFET-er : PWM-bærefrekvensen til motorkontrolleren er vanligvis i området noen få kHz til titalls kHz, men svitsjekantene er bare titalls til hundrevis av nanosekunder, med spektre som strekker seg opp til titalls MHz.

·  Strømskinner og fasekabler : Raske endringer i høy strøm og høy spenning genererer sterke elektriske og magnetiske felt.

·  Kontaktor- og reléoperasjoner : Gir lysbue- og transientpulser.

·  Strømomformere : Rippling og harmoniske fra bytte av strømforsyninger.

Når disse interferensene kobles inn i resolversignallinjene, overlapper de de ellers rene sinus/cosinus-signalene.

III. Hvordan interferens kommer inn i signalkjeden

Det er fire hovedveier som interferens kommer inn i resolversignalkjeden:

1. Radiativ kobling
Kraftledninger og svitsjnoder fungerer som sendeantenner, mens resolverledningsnett fungerer som mottaksantenner. Når resolver-ledninger føres parallelt med strømkabler, induserer høyfrekvente elektromagnetiske felt spenninger direkte på ledninger.

2. Konduktiv kobling
Interferens kommer inn i resolversystemet gjennom eksitasjonsstrømforsyningslinjene eller dekoderkortets strømforsyning, og kobles deretter til signalsiden.

3. Jordpotensialforskjeller
Store strømmer forårsaker spenningsfall på jordspor eller metallhus, og skaper ulik jordpotensial mellom resolverenden og dekoderenden, og danner common-mode spenninger.

4. Krysstale mellom linjer
Når resolver-ledninger går parallelt med fasekabler, samleskinner, etc., kobler parasittisk kapasitans og gjensidig induktans mellom linjer interferens over.

IV. Typiske manifestasjoner av forvrengning

På et oscilloskop kan sinus/cosinus-signalene under sterk EMI vises i følgende former.

1. Høyfrekvent glitch-superposisjon
Pigger og ringing synkronisert med PWM-kanter vises på bæreren. Dette er fordi høyfrekvente strømmer generert under svitsjemomenter kobles til signallinjer gjennom parasittisk kapasitans. Glitch-amplituder kan nå titalls mV eller til og med hundrevis av mV, mens normale differensialsignalamplituder vanligvis bare er noen få volt, noe som resulterer i et betydelig fall i SNR.

2. Common-mode til differensial-mode-støy
Differensialsignaler er teoretisk følsomme kun for spenningsforskjellen mellom de to ledningene og har avvisningsevne mot common-mode interferens. Imidlertid er faktiske kabler, kontakter og filternettverk aldri perfekt symmetriske. Når høyfrekvent common-mode interferens kommer inn, blir en del av den konvertert til differensial-modus spenning og overlagret sinus/cosinus-signalene. Denne støyen vises ofte som periodisk 'fuzz' på konvolutten.

3. Klipping og metning
Når interferensamplituden er stor, og den overlagrede signaltoppen overskrider RDC-inngangsområdet eller op-forsterkerens forsyningsskinnene, 'klippes' bølgeformtoppene. Klipping ødelegger direkte sin/cos-konvolutten, og forårsaker alvorlige ikke-lineære feil i den dekodede vinkelen.

4. DC offset drift
Lavfrekvente komponenter i interferensen, jordsløyfestrømmer eller likerettingseffekter kan forårsake en DC offset i signalet, noe som gjør bølgeformen asymmetrisk. RDC-dekoding forutsetter vanligvis rene AC-signaler; offset fører til vinkelfeil og hastighetsrippel.

5. Harmonisk forvrengning
Ikke-linearitet av magnetiske materialer og intermodulasjon mellom interferens og eksitasjonsbæreren genererer harmoniske komponenter. Når harmoniske kommer inn i RDC, kan de demoduleres til høyordens harmoniske feil i vinkelen, som manifesterer seg som dreiemomentrippel eller støy.

6. Sinus/cosinus amplitudeubalanse og faseforskyvning
Hvis de to signalbanene for sin og cos har forskjellige filterparametere, kabellengder eller kontaktimpedanser, påvirkes de to kanalene forskjellig under sterk interferens, noe som resulterer i amplitudemismatch eller faseforskyvning. RDC beregner vinkelen basert på sinθ/cosθ; amplitude eller faseubalanse gir direkte vinkelfeil.

V. Virkningen av forvrengning på systemet

Signalforvrengning er ikke bare et «visuelt problem» på oscilloskopet; det reflekterer direkte på systemytelsen:

·  Vinkelutgangsjitter : Støy demodulert av RDC forårsaker høyfrekvent jitter i vinkelverdien, og forsterker hastighetsfeedbacksstøy.

·  Periodiske vinkelfeil : Envelope-forvrengning og harmoniske forårsaker vinkelfeil som varierer periodisk med rotorposisjonen, noe som fører til dq-aksens strømsvingninger og dreiemomentrippel.

·  Feil og tap av lås : Alvorlig interferens kan føre til at RDC-sporingssløyfen mister låsen, noe som resulterer i vinkelhopp og utløser overstrøm- eller overspenningsbeskyttelse.

·  Systemytelsesforringelse : I elektriske kjøretøy kan dette føre til redusert motoreffektivitet, økt vibrasjon og støy, og til og med kompromittere kjøretøysikkerheten.

VI. Hvordan identifisere og feilsøke

Ved praktisk feilsøking kan følgende metoder raskt avgjøre om resolversignaler påvirkes av sterk EMI:

·  Bruk  differensialprober  for å måle S1-S3 og S2-S4, og unngå enkeltendede prober som kan introdusere jordsløyfer.

·  Observer både eksitasjonssignalet og utgangssignalene samtidig for å finne ut om interferens introduseres gjennom eksitasjonssiden.

·  Sammenlign bølgeformer med motoren stasjonær vs. kjører, og med PWM slått på vs. av, for å finne ut om interferens stammer fra strømkretsen.

·  Bruk oscilloskopets FFT til å analysere interferensspekteret og sjekke om det sammenfaller med PWM-bærefrekvensen eller kantharmoniske.

·  Mål fellesmodusspenningen til de to linjene til jord for å vurdere interferensnivået i fellesmodus.

VII. Undertrykkelsestiltak

Å undertrykke forvrengning krever samtidig innsats på tre fronter: interferenskilden, koblingsbanen og mottakeren.

1. Optimaliser ledningsnett og skjerming

·  Bruk skjermede tvunnede par for resolversignallinjer, med skjermingen jordet i et enkelt punkt ved dekoderenden for å unngå jordsløyfer forårsaket av tosidig jording.

·  Trekk signallinjer separat fra strømkabler, unngå lange parallelle løp; hvis kryssing er uunngåelig, kryss dem vinkelrett.

·  Om nødvendig, bruk metallrør eller dobbeltlags skjerming for å forbedre høyfrekvent skjermingseffektivitet.

2. Filtrering og beskyttelse

·  Legg til common-mode chokes og RC lavpassfiltre ved RDC-inngangen for å undertrykke common-mode støy og høyfrekvente feil.

·  Filtergrensefrekvensen bør være høyere enn resolverens eksitasjonsfrekvens, samtidig som man unngår overdreven faseforsinkelse, som ellers ville introdusert nye vinkelfeil.

·  Legg til beskyttelsesenheter som TVS-rør for å forhindre at forbigående overspenninger skader dekoderkretsene.

3. Layout og jording

·  Plasser dekoderkortet så nær resolverkontakten som mulig for å forkorte analoge signalspor.

·  Skille analog jord fra strømjord, koble dem til et enkelt punkt for å forhindre at store strømmer flyter gjennom den analoge jordingen.

·  Vær oppmerksom på skjermkontinuiteten ved valg av kobling, og pass på at skjermingen ikke er ødelagt ved koblingen.

4. Behandling av eksitasjonsside

·  Bruk også skjermede tvunnete par for eksitasjonslinjer, og legg til filtrering til eksitasjonsstrømforsyningen.

·  Unngå å dele kontakter eller seler mellom eksitasjonssignaler og strømkabler.

5. System og algoritmiske mål

·  Velg RDC-brikker med sterk anti-interferensevne, for eksempel de med innebygd synkron demodulering og digital filtrering.

·  I programvare, bruk filtrering, hastighetsbegrensning og plausibilitetskontroller på vinkelsignalet for å forhindre at individuelle interferenspulser forårsaker kontrollavvik.

·  Optimaliser PWM edge slew rates og legg til snubberkretser for å redusere interferens ved kilden.

VIII. Konklusjon

Den magnetoresistive resolveren er i seg selv en robust sensor, men sinus/cosinus-utgangene er analoge signaler på lavt nivå som er utsatt for forvrengning under sterk EMI. Å forstå kildene til interferens og koblingsveier, og implementere riktig skjerming, filtrering, jording og layout, er avgjørende for å sikre nøyaktigheten og påliteligheten til vinkeltilbakemeldinger.

For ingeniører er bølgeformen på oscilloskopet den beste «helserapporten.» Jo tidligere signalforvrengning oppdages, desto lavere er sannsynligheten for systemproblemer.