Wybór czujnika resolwera silnika napędu głównego New Energy: pięć ocen inżynieryjnych, które łatwo jest niedocenić

Do wyboru czujnika położenia w głównych silnikach napędowych służy resolwer jest prawie nieunikniony. Ale sam „wybór resolwera” nie jest trudny. Trudne jest dokonanie kilku ocen zawartych w arkuszu danych, które naprawdę określają wydajność produkcji masowej: czy pary biegunów pasują do silnika, jak bardzo można ufać dokładności, jakie warunki pracy należy zastosować do sprawdzenia temperatury i wibracji, czy łańcuch dekodowania jest odpowiednio dopasowany i jaki poziom bezpieczeństwa funkcjonalnego należy osiągnąć. Każda z tych pięciu kwestii wystarczy, aby projekt na etapie prototypu wyglądał zupełnie normalnie, jednocześnie eksponując problemy w produkcji masowej lub w ekstremalnych warunkach.

Najpierw wyjaśnij: dlaczego aplikacje napędu głównego nadal nie mogą uniknąć resolwerów

W obliczu wysokich temperatur, zanieczyszczenia olejem i silnych zakłóceń elektromagnetycznych w komorze silnika, dyski kodowe i transoptory enkoderów optycznych są z natury delikatne, podczas gdy rozwiązania oparte na technologii Halla mają trudności ze spełnieniem wymagań dotyczących dokładności i spójności sterowania napędem głównym. Istotą resolwera jest transformator elektromagnetyczny: na wirniku nie ma żadnych elementów elektronicznych. Opiera się wyłącznie na zmianie sprzężenia magnetycznego pomiędzy uzwojeniem wzbudzenia stojana a zaistnieniem wirnika w celu wyprowadzenia sygnałów obwiedni sinusoidalnej i cosinusoidalnej, przy czym całe przetwarzanie sygnału jest zakończone po stronie stojana i w obwodzie dekodującym. Ta konstrukcja „wirnika pasywnego” powoduje, że jego dolne granice odporności na temperaturę, olejoodporność i odporność na wibracje są znacznie wyższe niż w przypadku rozwiązań opartych na aktywnych komponentach na wirniku.

Nie oznacza to jednak, że rezolwer jest optymalny w każdym wymiarze. Jego wady są równie oczywiste: znacząco wpływają na niego zmiany w konstrukcji silnika, a kompatybilność platformowa jest gorsza od rozwiązań wiroprądowych. W nowych scenariuszach, takich jak systemy 800 V i bardzo duże prędkości, czujniki położenia wiroprądowego stopniowo zyskują na popularności. Dlatego też założeniem wyboru resolwera jest to, że w głównym zastosowaniu napędu większy nacisk kładzie się na „trwałą niezawodność w trudnych warunkach” niż na „elastyczność ponownego wykorzystania platformy”. Jeśli to założenie jest prawdziwe, pięć poniższych ocen jest naprawdę znaczących.

Ocena 1: Dopasowywanie par biegunów nie polega tylko na „dopasowywaniu”

Pary biegunów rezolwera muszą mieć wyraźny związek z parami biegunów silnika, ale samo „wyrównanie” ma dwie bardzo różne strategie realizacji i znacznie różnią się kosztami.

Preferowanym rozwiązaniem jest RPP = MPP (pary biegunów rezolwera są równe parom biegunów silnika).  Główne silniki napędowe samochodów osobowych mają zazwyczaj od 4 do 10 par biegunów. Dopasowanie par biegunów rezolwera zapobiega wzmocnieniu błędów obróbki i montażu przez pary biegunów silnika i zapewnia wyższą dokładność w stanie ustalonym dla sterowania FOC. Jest to metoda stawiająca na dokładność, kosztem konieczności dostosowania rezolwera do każdego silnika, co skutkuje małą wspólnością platform.

Drugi to RPP = 1 (rezolwer jednoparowy, kompromis platformy).  Zaletą jest to, że jeden resolwer może obsługiwać wiele silników, ale błędy takie jak mimośrodowość mechaniczna i odchylenie montażowe są mnożone przez pary biegunów silnika i szczególnie prawdopodobne jest pojawienie się jako tętnienie momentu obrotowego w obszarze osłabienia pola przy dużej prędkości. Jeśli zostanie wybrana ta trasa, należy zarezerwować wystarczający margines dokładności w tolerancjach konstrukcyjnych i procesach montażu, aby „wchłonąć” efekt wzmocnienia. W przeciwnym razie, niezależnie od tego, jak dobrze wygląda dokładność elektryczna w arkuszu danych, po zainstalowaniu na silniku zostanie ona zniszczona przez błędy mechaniczne.

Ocena 2: Rozłóż wartość dokładności; Często główną przyczyną jest błąd mechaniczny

„Błąd elektryczny ±X minut łuku” w arkuszu danych jest mierzony w idealnych warunkach instalacji i wyrównania. Po faktycznej instalacji na silniku źródła błędów obejmują także mimośrodowość instalacji, luz osiowy i niewspółosiowość stojana-wirnika, z których każdy zwiększa całkowity błąd.

Oznacza to, że częstym błędem przy wyborze jest wielokrotne porównywanie dokładności samego resolwera przy braku równie rygorystycznego przeglądu łańcucha tolerancji na interfejsie montażowym. Dzielone rezolwery z oddzielnie zamontowanymi stojanem i wirnikiem stawiają wyższe wymagania projektom konstrukcyjnym i procesom montażu, ale zajmują mniej miejsca; zintegrowane resolwery są łatwiejsze w montażu, ale kosztują więcej. Należy uwzględnić ten kompromis na etapie przeglądu strukturalnego, a nie próbować go zaradzić po obróbce oprzyrządowania poprzez „przejście na moduł resolwerujący o wyższej dokładności”. Kiedy dokładność mechaniczna jest niewystarczająca, żaden chip dekodujący nie jest w stanie zapisać wyniku.

Z perspektywy porównawczej w branży błąd elektryczny popularnych reluktancji stosowanych w branży motoryzacyjnej mieści się w przybliżeniu w zakresie od ±25′ do ±30′, a niektóre zoptymalizowane konstrukcje mogą osiągać niższe wartości w rzeczywistych pomiarach. Prawdziwe pytanie podczas wyboru brzmi: w jakich warunkach instalacji uzyskano tę wartość? Czy mój łańcuch tolerancji strukturalnych może utrzymać te same warunki?

Ocena 3: Zweryfikuj temperaturę i wibracje w „najgorszych warunkach pracy”, ale obszarem o dużej awaryjności często nie jest jednostka rezolwera

Dolna granica temperatury pracy resolwerów silników napędowych zwykle musi wynosić -40°C, natomiast górnej granicy nie można wyznaczyć na podstawie średniej temperatury obudowy silnika. Miejsca w pobliżu uzwojeń są znacznie cieplejsze niż obudowa. Górne limity temperatur głównych produktów motoryzacyjnych w branży mieszczą się w zakresie od 150°C do 155°C, a scenariusze znajdujące się w pobliżu źródeł ciepła wymagają walidacji z większym marginesem. Wibracje i wstrząsy należy również sprawdzać każdy element po elemencie pod kątem losowych profili wibracji i wstrząsów mechanicznych w samochodach, a nie tylko sprawdzać je poprzez przejście testów statycznych w temperaturze pokojowej.

Ale tym, co łatwiej jest nie docenić niż odporność termiczną korpusu, jest  część łącząca . W rzeczywistych projektach, w których występują anomalie sygnału, znaczna część to nie awarie uzwojeń rezolwera lub obwodu magnetycznego, ale degradacja uszczelnienia, słaby kontakt lub zakłócenia między przewodami w wiązkach przewodów i złączach pod wpływem wahań temperatury i wibracji. Jeśli selekcja sprawdza jedynie temperaturę znamionową korpusu rezolwera, pozostawiając dobór materiału wiązki przewodów, uszczelnienie złącza i odciążenie naprężeń do późniejszego „w razie potrzeby”, najsłabsze ogniwo w łańcuchu niezawodności zostaje pozostawione na samym końcu.

Ocena 4: Parametry elektryczne i łańcuch dekodowania należy porównać w tej samej tabeli

Rezolwer wysyła na nośną sygnały sinus i cosinus o modulowanej amplitudzie. Informacje o kącie są ukryte w obwiedni i muszą zostać zdemodulowane, zanim staną się kątami cyfrowymi możliwymi do wykorzystania przez MCU. Wybór schematu dekodowania bezpośrednio nakłada odwrotne ograniczenia na parametry elektryczne korpusu rezolwera.

Twarde dekodowanie (chip RDC)  odbywa się zgodnie z dedykowaną trasą konwertera resolwera na cyfrę, z typową rozdzielczością od 12 do 16 bitów i opóźnieniem śledzenia w zakresie od dziesiątek do setek mikrosekund. Posiada wbudowaną dojrzałą pętlę PLL i prawie nie zużywa mocy obliczeniowej MCU, dzięki czemu nadaje się do platform produkcji masowej z napiętymi harmonogramami kalibracji. Kosztem jest stała szerokość pasma pętli, której nie można w dużym stopniu dostosować do charakterystyki dynamicznej konkretnego silnika.

Miękkie dekodowanie (DSADC + algorytm programowy)  eliminuje zewnętrzne RDC i wykorzystuje wbudowany przetwornik ADC delta-sigma MCU do bezpośredniego próbkowania sygnałów o modulowanej amplitudzie, po czym oprogramowanie kończy całe obliczenia. Wysoki współczynnik nadpróbkowania i cyfrowe filtrowanie przetwornika DSADC mogą przesunąć szum kwantyzacji do wysokich częstotliwości i osiągnąć wysoki stosunek sygnału do szumu dla obwiedni niskiej częstotliwości na nośnej 5–10 kHz, zachowując jednocześnie elastyczność w dostosowywaniu parametrów obliczeniowych dla charakterystyk dynamicznych silnika. Kosztem jest zajęcie mocy obliczeniowej MCU i zasobów programistycznych, a jakość rozwiązania w dużym stopniu zależy od dojrzałości oprogramowania.

Niezależnie od wybranej trasy parametry, które należy dopasować podczas selekcji, obejmują co najmniej: częstotliwość wzbudzenia (główne przetworniki RDC obejmują zakres wzbudzenia od 2 kHz do 20 kHz, a typowe resolwery mają znamionową częstotliwość w pobliżu 10 kHz), współczynnik transformacji (zwykle w zakresie od 0,286 do 0,5), impedancję wzbudzenia oraz możliwości napędu i zakres wejściowy układu dekodującego. Konsekwencje niedopasowania wzmocnienia są bezpośrednie: niewystarczająca amplituda pogarsza stosunek sygnału do szumu, natomiast nasycenie amplitudy powoduje obcinanie kształtu fali. W obu przypadkach informacja o kącie jest zniekształcona. Porównanie arkusza danych resolwera z ręcznym chipem dekodującym element po elemencie na etapie schematu sprzętu kosztuje tylko pół dnia i pozwala zaoszczędzić niekończące się późniejsze poprawki związane z debugowaniem.

Ocena 5: Bezpieczeństwo funkcjonalne nie kończy się na „wyborze modelu z oceną ASIL”

Główny czujnik położenia napędu jest punktem początkowym zamkniętej pętli sterowania momentem obrotowym. W przypadku zaniku sygnału kąta konsekwencje obejmują wahania momentu obrotowego, przerwę w zasilaniu lub niezamierzony moment obrotowy. Dlatego też względy bezpieczeństwa funkcjonalnego nie mogą kończyć się na poziomie „twierdzenia dostawcy o wsparciu dla ASIL X”; należy je wdrożyć w konkretnym projekcie  zwarć jednopunktowych i architekturze redundantnej.

Standardową praktyką branżową jest osiągnięcie poziomu ASIL C (SEooC) na poziomie korpusu rezolwera lub elementu czujnikowego oraz wspieranie całego systemu w osiąganiu poziomu ASIL D poprzez konstrukcję redundancji na poziomie systemu — uzwojenia dwukanałowe, podwójne łańcuchy dekodujące lub równoległa weryfikacja „czujnik fizyczny + estymacja bezczujnikowa”. Pytania, które należy zadać podczas wyboru obejmują: Jakie tryby awarii obejmuje instrukcja bezpieczeństwa dostawcy? Jaki jest zakres diagnostyki? Jeśli stosowany jest schemat dwukanałowy, w jaki sposób zapewniona jest niezależność obu kanałów i w jaki sposób wykluczone są awarie spowodowane wspólną przyczyną? Pytania te są zwykle niewidoczne w tabelach porównawczych specyfikacji, ale bezpośrednio decydują o tym, czy argument dotyczący bezpieczeństwa funkcjonalnego można zamknąć.

Wracając do poczucia porządku w selekcji

Łącząc te pięć ocen, logika wyboru jest właściwie jasna:  najpierw określ strategię pary biegunów (najpierw dokładność lub najpierw platforma), następnie zablokuj formę konstrukcyjną i łańcuch tolerancji instalacji, następnie sprawdź temperaturę i wibracje w najgorszych warunkach i uwzględnij część połączeniową na tej samej liście kontrolnej niezawodności, następnie dopasuj parametry elektryczne i łańcuch dekodowania jako jeden system, a na koniec użyj wymagań bezpieczeństwa funkcjonalnego, aby ponownie sprawdzić, czy architektura nadmiarowa jest prawidłowa.  Po tych pięciu krokach zwykle pozostaje tylko jeden lub dwa potencjalne modele, a różnice między nimi są tą częścią, na której naprawdę warto poświęcić czas na porównanie prototypów.

Resolwer nie jest jedynym wyborem dla czujników położenia głównego napędu, ale w projektach napędów głównych produkowanych masowo, gdzie niezawodność i tolerancja środowiskowa są najważniejszymi priorytetami, rezolwer jest nadal komponentem, który należy „poprawnie wybrać”, a nie „wybrać przypadkowo”. Kluczem do prawidłowego wyboru nie jest najbardziej widoczna wartość dokładności w arkuszu danych, ale to, czy pięć powyższych ocen zostało poważnie uwzględnionych na początku projektu.