Analiza zniekształceń sygnału Sin/Cos w resolwerach typu reluktancyjnego pod wpływem silnych zakłóceń elektromagnetycznych – czujnik resolwera EV

W zastosowaniach takich jak napędy elektryczne pojazdów nowej energii i serwa przemysłowe, typu reluktancyjnego Rezolwery są szeroko stosowane jako czujniki położenia wirnika silnika. Nie zawierają chipów półprzewodnikowych, są odporne na wysokie temperatury i wibracje – sprawiają wrażenie bardzo „wytrzymałych”. Jednakże wielu inżynierów napotyka na miejscu zagadkowy problem: gdy moc silnika wzrasta i częstotliwość przełączania PWM wzrasta, w sygnałach wyjściowych sinus/cosinus rezolwera pojawiają się zakłócenia, zniekształcenia obwiedni i inne anomalie, prowadzące do drgań kąta, tętnienia momentu obrotowego, a nawet usterek sterownika.

I. Jak wygląda normalny sygnał sinus/cosinus z mechanizmu przeliczającego?

Budowa reluktancyjnego resolwera jest stosunkowo prosta: stojan zawiera uzwojenie wzbudzenia i dwa przestrzennie ortogonalne uzwojenia wyjściowe, natomiast wirnik wykonany jest ze specjalnie ukształtowanych wystających biegunów ze stali krzemowej, pozbawionych uzwojeń. Do uzwojenia wzbudzenia przykładane jest wzbudzenie sinusoidalne o wysokiej częstotliwości:

Gdy wirnik obraca się o kąt θ , oba uzwojenia wyjściowe indukują odpowiednio:

W praktyce każdy sygnał jest różnicowy, np. S1-S3 i S2-S4. Jak widać, na wyjściu rezolwera znajduje się nośna wysokiej częstotliwości, której amplituda jest modulowana przez kąt wirnika  θ  . Na oscyloskopie przebiegi pojawiają się jako dwie obwiednie, których kąt zmienia się odpowiednio jako sinus i cosinus.

Układ dekodujący – konwerter resolwera na cyfrę (RDC) – demoduluje te sygnały, wyodrębnia obwiednie i oblicza kąt za pomocą  

II. Skąd pochodzą silne zakłócenia elektromagnetyczne

Resolwer jest zwykle montowany po stronie silnika, w otoczeniu typowego środowiska silnych zakłóceń elektromagnetycznych:

·  Szybkie przełączanie tranzystorów IGBT/MOSFET : Częstotliwość nośna PWM sterownika silnika mieści się zwykle w zakresie od kilku kHz do kilkudziesięciu kHz, ale krawędzie przełączania trwają tylko od kilkudziesięciu do setek nanosekund, a widma sięgają kilkudziesięciu MHz.

·  Szyny zasilające i kable fazowe : Szybkie zmiany wysokiego prądu i wysokiego napięcia generują silne pola elektryczne i magnetyczne.

·  Operacje styczników i przekaźników : Wytwarzają impulsy łukowe i przejściowe.

·  Przetwornice mocy : Tętnienia i harmoniczne z zasilaczy impulsowych.

Kiedy te zakłócenia dotrą do linii sygnałowych przelicznika, nakładają się na czyste sygnały sinus/cosinus.

III. Jak zakłócenia przedostają się do łańcucha sygnałowego

Istnieją cztery główne ścieżki, którymi zakłócenia przedostają się do łańcucha sygnałowego przelicznika:

1. Sprzężenie radiacyjne
Linie energetyczne i węzły przełączające działają jak anteny nadawcze, podczas gdy wiązki przewodów rezolwera działają jak anteny odbiorcze. Gdy wiązki przewodów rezolwerów są prowadzone równolegle do kabli zasilających, pola elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości indukują napięcie bezpośrednio w wiązkach przewodów.

2. Sprzężenie przewodzące Zakłócenia
dostają się do systemu resolwera poprzez linie zasilania wzbudzenia lub zasilacz płytki dekodera, a następnie są sprzęgane po stronie sygnału.

3. Różnice potencjałów uziemienia
Duże prądy powodują spadki napięcia na ścieżkach uziemienia lub metalowych obudowach, tworząc nierówne potencjały uziemienia pomiędzy końcem rezolwera i końcem dekodera, tworząc napięcia w trybie wspólnym.

4. Przesłuchy między liniami
Kiedy wiązki resolwerów biegną równolegle do kabli fazowych, szyn zbiorczych itp., pasożytnicza pojemność i wzajemna indukcyjność pomiędzy liniami powodują powstawanie zakłóceń.

IV. Typowe przejawy zniekształcenia

Na oscyloskopie sygnały sinus/cosinus pod wpływem silnego pola elektromagnetycznego mogą pojawiać się w następującej formie.

1. Superpozycja usterek wysokiej częstotliwości
Na nośnej pojawiają się skoki i dzwonienie zsynchronizowane z krawędziami PWM. Dzieje się tak, ponieważ prądy o wysokiej częstotliwości generowane podczas momentów przełączania łączą się w linie sygnałowe poprzez pasożytniczą pojemność. Amplitudy zakłóceń mogą sięgać dziesiątek mV, a nawet setek mV, podczas gdy normalne amplitudy sygnału różnicowego wynoszą zwykle tylko kilka woltów, co powoduje znaczny spadek współczynnika SNR.

2. Szum w trybie wspólnym i w trybie różnicowym
Sygnały różnicowe są teoretycznie wrażliwe tylko na różnicę napięcia między dwoma przewodami i mają zdolność tłumienia zakłóceń w trybie wspólnym. Jednak rzeczywiste kable, złącza i sieci filtrów nigdy nie są idealnie symetryczne. Kiedy pojawiają się zakłócenia o wysokiej częstotliwości w trybie wspólnym, część z nich jest przekształcana w napięcie w trybie różnicowym i nakładana na sygnały sinus/cosinus. Hałas ten często pojawia się jako okresowe „zamglenie” na obwiedni.

3. Obcinanie i nasycenie
Gdy amplituda zakłóceń jest duża, a nałożony szczyt sygnału przekracza zakres wejściowy RDC lub szyny zasilania wzmacniacza operacyjnego, wierzchołki przebiegów są „obcinane”. Obcinanie bezpośrednio niszczy obwiednię sin/cos, powodując poważne nieliniowe błędy w dekodowanym kącie.

4. Dryf przesunięcia prądu stałego
Składniki o niskiej częstotliwości w zakłóceniach, prądy pętli uziemienia lub efekty prostowania mogą powodować przesunięcie prądu stałego w sygnale, powodując asymetryczność kształtu fali. Dekodowanie RDC zazwyczaj zakłada czyste sygnały AC; przesunięcie prowadzi do błędów kątowych i tętnienia prędkości.

5. Zniekształcenia harmoniczne
Nieliniowość materiałów magnetycznych oraz intermodulacja pomiędzy zakłóceniami a nośnikiem wzbudzenia generują składowe harmoniczne. Gdy harmoniczne dostaną się do RDC, mogą zostać zdemodulowane na błędy harmoniczne wyższego rzędu w kącie, objawiające się tętnieniem momentu obrotowego lub szumem.

6. Nierównowaga amplitudy sinus/cosinus i przesunięcie fazowe
Jeśli dwie ścieżki sygnałowe dla sinus i cos mają różne parametry filtra, długości kabli lub impedancje styków złączy, silne zakłócenia wpływają w różny sposób na oba kanały, co powoduje niedopasowanie amplitudy lub przesunięcie fazowe. RDC oblicza kąt w oparciu o sinθ/cosθ; Nierównowaga amplitudy lub fazy bezpośrednio powoduje błędy kątowe.

V. Wpływ zniekształceń na system

Zniekształcenie sygnału to nie tylko „problem wizualny” na oscyloskopie; przekłada się to bezpośrednio na wydajność systemu:

·  Jitter sygnału wyjściowego kąta : Szum demodulowany przez RDC powoduje drgania o wysokiej częstotliwości w wartości kąta, wzmacniając szum sprzężenia zwrotnego prędkości.

·  Okresowe błędy kąta : Zniekształcenia obwiedni i harmoniczne powodują błędy kąta, które zmieniają się okresowo w zależności od położenia wirnika, prowadząc do wahań prądu w osi dq i tętnienia momentu obrotowego.

·  Usterki i utrata blokady : Poważne zakłócenia mogą spowodować utratę blokady pętli śledzącej RDC, co skutkuje skokami kątowymi i wyzwoleniem zabezpieczenia nadprądowego lub przepięciowego.

·  Pogorszenie wydajności systemu : W pojazdach elektrycznych może to prowadzić do zmniejszenia wydajności silnika, zwiększonych wibracji i hałasu, a nawet zagrozić bezpieczeństwu pojazdu.

VI. Jak zidentyfikować i rozwiązać problem

W praktycznym debugowaniu następujące metody mogą szybko określić, czy silne zakłócenia elektromagnetyczne mają wpływ na sygnały przelicznika:

· Do pomiaru S1-S3 i S2-S4  używaj  sond różnicowych  , unikając sond z pojedynczym zakończeniem, które mogą wprowadzić pętle masy.

·  Obserwuj jednocześnie sygnał wzbudzenia i sygnały wyjściowe, aby określić, czy po stronie wzbudzenia wprowadzane są zakłócenia.

·  Porównaj przebiegi przy silniku stojącym i pracującym oraz przy włączonym i wyłączonym PWM, aby określić, czy zakłócenia pochodzą z obwodu mocy.

·  Użyj FFT oscyloskopu do analizy widma zakłóceń i sprawdzenia, czy pokrywa się ono z częstotliwością nośną PWM lub harmonicznymi krawędziowymi.

·  Zmierz napięcie w trybie wspólnym obu linii do masy, aby ocenić poziom zakłóceń w trybie wspólnym.

VII. Środki tłumiące

Tłumienie zniekształceń wymaga równoczesnych wysiłków na trzech frontach: źródle zakłóceń, ścieżce sprzężenia i odbiorniku.

1. Zoptymalizuj wiązkę przewodów i ekranowanie

·  Do linii sygnałowych resolwera należy używać ekranowanych skrętek, z ekranem uziemionym w jednym punkcie po stronie dekodera, aby uniknąć pętli uziemienia spowodowanych podwójnym uziemieniem.

·  Przewody sygnałowe należy prowadzić oddzielnie od przewodów zasilających, unikając długich, równoległych przebiegów; jeżeli skrzyżowanie jest nieuniknione, należy je przeciąć prostopadle.

·  Jeśli to konieczne, należy zastosować przewody metalowe lub ekranowanie dwuwarstwowe, aby poprawić skuteczność ekranowania wysokich częstotliwości.

2. Filtrowanie i ochrona

·  Dodaj dławiki trybu wspólnego i filtry dolnoprzepustowe RC na wejściu RDC, aby tłumić szumy trybu wspólnego i zakłócenia o wysokiej częstotliwości.

·  Częstotliwość odcięcia filtra powinna być wyższa niż częstotliwość wzbudzenia rezolwera, unikając przy tym nadmiernego opóźnienia fazowego, które w przeciwnym razie mogłoby wprowadzić nowe błędy kątowe.

·  Dodaj urządzenia zabezpieczające, takie jak lampy TVS, aby zapobiec uszkodzeniu obwodów dekodera przez przejściowe przepięcia.

3. Układ i uziemienie

·  Umieść płytkę dekodera jak najbliżej złącza resolwera, aby skrócić ścieżki sygnału analogowego.

·  Oddziel masę analogową od masy zasilania, łącząc je w jednym punkcie, aby zapobiec przepływowi dużych prądów przez masę analogową.

·  Przy wyborze złącza należy zwrócić uwagę na ciągłość ekranu, upewniając się, że ekran nie jest uszkodzony na złączu.

4. Leczenie strony wzbudzenia

·  Używaj ekranowanych skrętek także dla linii wzbudzenia i dodaj filtrowanie do zasilania wzbudzenia.

·  Unikaj dzielenia złączy lub wiązek przewodów pomiędzy sygnałami wzbudzenia i kablami zasilającymi.

5. Miary systemowe i algorytmiczne

·  Wybierz chipy RDC o silnych właściwościach przeciwzakłóceniowych, takie jak te z wbudowaną synchroniczną demodulacją i filtrowaniem cyfrowym.

·  W oprogramowaniu zastosuj filtrowanie, ograniczanie szybkości i sprawdzanie wiarygodności sygnału kąta, aby zapobiec powodowaniu anomalii sterowania przez pojedyncze impulsy zakłócające.

·  Zoptymalizuj szybkość narastania sygnału PWM i dodaj obwody tłumiące, aby zredukować zakłócenia u źródła.

VIII. Wniosek

Resolwer magnetorezystancyjny jest z natury czujnikiem wytrzymałym, ale jego wyjścia sinus/cosinus to sygnały analogowe niskiego poziomu, które są podatne na zniekształcenia w przypadku silnych zakłóceń elektromagnetycznych. Zrozumienie źródeł zakłóceń i ścieżek sprzężenia oraz wdrożenie odpowiedniego ekranowania, filtrowania, uziemienia i układu są niezbędne do zapewnienia dokładności i niezawodności sprzężenia zwrotnego kąta.

Dla inżynierów przebieg na oscyloskopie jest najlepszym „raportem stanu”. Im wcześniej wykryte zostanie zniekształcenie sygnału, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo problemów z systemem.