Seleção do sensor do resolvedor do motor de acionamento principal da New Energy: cinco julgamentos de engenharia que são fáceis de subestimar

Para seleção do sensor de posição nos motores de acionamento principal, o resolvedor é quase inevitável. Mas “escolher um resolvedor” em si não é difícil. O que é difícil é fazer alguns julgamentos por trás da folha de dados que realmente determinam o desempenho da produção em massa: se os pares de pólos correspondem ao motor, até que ponto confiar no valor de precisão, quais condições operacionais usar para validação de temperatura e vibração, se a cadeia de decodificação está adequadamente combinada e qual nível de segurança funcional deve ser alcançado. Cada uma dessas cinco questões é suficiente para fazer um projeto parecer perfeitamente normal na fase de protótipo, ao mesmo tempo que expõe problemas na produção em massa ou sob condições extremas.

Primeiro, esclareça: por que as aplicações da unidade principal ainda não conseguem evitar os resolvedores

Diante de altas temperaturas, contaminação por óleo e forte interferência eletromagnética no compartimento do motor, os discos de código e optoacopladores dos codificadores ópticos são inerentemente frágeis, enquanto as soluções baseadas em Hall lutam para atender aos requisitos de precisão e consistência do controle da unidade principal. A essência de um resolver é um transformador eletromagnético: não há componentes eletrônicos no rotor. Ele depende puramente da variação do acoplamento magnético entre o enrolamento de excitação do estator e a saliência do rotor para emitir sinais de envelope senoidal e cosseno, com todo o processamento de sinal concluído no lado do estator e no circuito de decodificação. Essa estrutura de “rotor passivo” determina que seus limites inferiores de resistência à temperatura, resistência ao óleo e resistência à vibração sejam muito mais elevados do que aqueles de soluções que dependem de componentes ativos no rotor.

Mas isso não significa que o resolvedor seja ideal em todas as dimensões. Suas deficiências são igualmente claras: ele é significativamente afetado por mudanças no projeto do motor e sua compatibilidade de plataforma é inferior às soluções de correntes parasitas. Em cenários emergentes, como sistemas de 800 V e velocidades ultra-altas, os sensores de posição de correntes parasitas estão gradualmente ganhando força. Portanto, a premissa para a escolha de um resolvedor é que a aplicação da unidade principal dá maior importância à “confiabilidade sustentada em ambientes adversos” do que à “flexibilidade de reutilização da plataforma”. Se essa premissa for válida, os cinco julgamentos a seguir são realmente significativos.

Julgamento 1: A correspondência de pares de pólos não se trata apenas de 'combinação'

Os pares de pólos do resolvedor devem ter um relacionamento claro com os pares de pólos do motor, mas o “alinhamento” em si tem duas estratégias de implementação muito diferentes, com custos significativamente diferentes.

A solução preferida é RPP = MPP (pares de pólos do resolvedor iguais aos pares de pólos do motor).  Os motores de acionamento principal de automóveis de passageiros normalmente têm pares de 4 a 10 pólos. Fazer com que os pares de pólos do resolver correspondam a eles evita que erros de usinagem e montagem sejam amplificados pelos pares de pólos do motor e fornece maior precisão de estado estacionário para controle FOC. Esta é a rota que prioriza a precisão, ao custo de exigir que o resolvedor seja personalizado para cada motor, resultando em baixa uniformidade de plataforma.

O outro é RPP = 1 (resolvedor de par unipolar, um compromisso de plataforma).  A vantagem é que um resolver pode cobrir vários motores, mas erros como excentricidade mecânica e desvio de montagem são multiplicados pelos pares de pólos do motor e são especialmente prováveis ​​de aparecer como ondulação de torque na região de enfraquecimento de campo de alta velocidade. Se esta rota for escolhida, deve-se reservar margem de precisão suficiente nas tolerâncias estruturais e nos processos de montagem para “absorver” o efeito de amplificação. Caso contrário, não importa quão boa seja a precisão elétrica na folha de dados, ela será consumida por erros mecânicos uma vez instalada no motor.

Julgamento 2: Decomponha o valor da precisão; erro mecânico é frequentemente o principal contribuinte

O “erro elétrico ±X minutos de arco” em uma folha de dados é medido sob condições ideais de instalação e alinhamento. Após a instalação real no motor, as fontes de erro também incluem pelo menos a excentricidade da instalação, a folga axial e o desalinhamento do estator-rotor, cada um dos quais aumenta o erro total.

Isso significa que um erro de seleção comum é comparar repetidamente a precisão do próprio resolvedor, sem realizar uma revisão igualmente rigorosa da cadeia de tolerância na interface de montagem. Os resolvers divididos, com estator e rotor montados separadamente, exigem mais do projeto estrutural e dos processos de montagem, mas são mais eficientes em termos de espaço; resolvedores integrados são mais fáceis de montar, mas custam mais volume. Essa compensação deve ser travada durante o estágio de revisão estrutural, em vez de tentar remediá-la após o ferramental, “mudando para um resolvedor de maior precisão”. Quando a precisão mecânica é insuficiente, nenhum chip de decodificação pode salvar o resultado.

Do ponto de vista de comparação da indústria, o erro elétrico dos principais resolvedores de relutância variável de nível automotivo está aproximadamente na faixa de ±25′ a ±30′, e alguns projetos otimizados podem atingir valores mais baixos em medições reais. A verdadeira questão durante a seleção é: em que condições de instalação este valor foi obtido? Minha cadeia de tolerância estrutural pode manter as mesmas condições?

Julgamento 3: Valide a temperatura e a vibração sob as 'piores condições operacionais', mas a área de alta falha muitas vezes não é o corpo do resolvedor

O limite inferior de temperatura operacional para resolvers do motor de acionamento geralmente é necessário para cobrir -40°C, enquanto o limite superior não pode ser determinado pela temperatura média da carcaça do motor. Locais próximos aos enrolamentos são muito mais quentes que a carcaça. Os limites superiores de temperatura dos principais produtos automotivos da indústria estão distribuídos na faixa de 150°C a 155°C, e cenários próximos a fontes de calor exigem validação com margem maior. A vibração e o choque também devem ser verificados item por item em relação aos perfis de vibração aleatória automotiva e choque mecânico, e não apenas satisfeitos pela aprovação em testes estáticos à temperatura ambiente.

Mas o que é mais facilmente subestimado do que a resistência térmica do corpo é a  parte de conexão . Em projetos reais onde ocorrem anomalias de sinal, uma proporção considerável não são falhas dos enrolamentos do resolver ou do circuito magnético, mas sim degradação da vedação, mau contato ou interferência entre fios em chicotes de fios e conectores sob ciclos de temperatura e vibração. Se a seleção verificar apenas a classificação de temperatura do corpo do resolver, deixando a seleção do material do chicote, a vedação do conector e o alívio de tensão para serem tratados posteriormente 'conforme necessário', o elo mais fraco na cadeia de confiabilidade será deixado para o final.

Julgamento 4: Os parâmetros elétricos e a cadeia de decodificação devem ser comparados na mesma tabela

O resolvedor emite sinais seno e cosseno modulados em amplitude em uma portadora. A informação do ângulo fica oculta no envelope e deve ser demodulada antes de se tornar um ângulo digital utilizável pelo MCU. A escolha do esquema de decodificação impõe diretamente restrições reversas aos parâmetros elétricos do corpo do resolvedor.

A decodificação rígida (chip RDC)  segue a rota dedicada do conversor de resolução para digital, com resolução típica de 12 a 16 bits e latência de rastreamento na faixa de dezenas a centenas de microssegundos. Ele possui um loop PLL maduro integrado e quase não consome energia de computação do MCU, tornando-o adequado para plataformas de produção em massa com cronogramas de calibração apertados. O custo é a largura de banda do loop fixo, que não pode ser profundamente personalizada para as características dinâmicas de um motor específico.

A decodificação suave (algoritmo de software DSADC +)  elimina o RDC externo e usa o ADC delta-sigma no chip do MCU para amostrar diretamente os sinais modulados em amplitude, após o qual o software completa todo o cálculo. A alta taxa de sobreamostragem e a filtragem digital do DSADC podem empurrar o ruído de quantização para altas frequências e alcançar uma alta relação sinal-ruído para o envelope de baixa frequência em uma portadora de 5–10 kHz, mantendo a flexibilidade para ajustar os parâmetros de cálculo para características dinâmicas do motor. O custo é a ocupação do poder computacional e dos recursos de desenvolvimento do MCU, e a qualidade da solução depende muito da maturidade do software.

Qualquer que seja a rota tomada, os parâmetros que devem ser alinhados durante a seleção incluem pelo menos: frequência de excitação (os RDCs convencionais cobrem uma faixa de excitação de 2 kHz a 20 kHz e os resolvedores típicos são classificados perto de 10 kHz), taxa de transformação (geralmente na faixa de 0,286 a 0,5), impedância de excitação e a capacidade de acionamento e faixa de entrada do chip de decodificação. As consequências da incompatibilidade de ganho são diretas: amplitude insuficiente piora a relação sinal-ruído, enquanto a saturação de amplitude causa corte da forma de onda. Em ambos os casos, a informação do ângulo está distorcida. Comparar a folha de dados do resolvedor com o manual do chip de decodificação item por item no estágio esquemático de hardware custa apenas meio dia e economiza retrabalho interminável de depuração posteriormente.

Julgamento 5: A segurança funcional não termina com a “escolha de um modelo com classificação ASIL”

O sensor de posição do acionamento principal é o ponto inicial do circuito fechado de controle de torque. Uma vez que o sinal angular falha, as consequências variam desde flutuação de torque até interrupção de energia ou torque não intencional. Portanto, as considerações de segurança funcional não podem parar no nível de “o fornecedor reivindica apoio ao ASIL X”; eles devem ser implementados no projeto específico de  falhas de ponto único e arquitetura redundante.

A prática padrão da indústria é alcançar ASIL C (SEooC) no corpo do resolvedor ou no nível do elemento sensor e apoiar o sistema geral para alcançar ASIL D por meio de projeto de redundância em nível de sistema - enrolamentos de canal duplo, cadeias de decodificação dupla ou verificação paralela de 'sensor físico + estimativa sem sensor'. As perguntas a serem feitas durante a seleção incluem: Quais modos de falha o manual de segurança do fornecedor cobre? Qual é a cobertura diagnóstica? Se for utilizado um esquema de canal duplo, como é garantida a independência dos dois canais e como são excluídas as falhas de causa comum? Essas questões geralmente são invisíveis nas tabelas de comparação de especificações, mas determinam diretamente se o argumento da segurança funcional pode ser encerrado.

Voltando ao sentido de ordem na seleção

Conectando esses cinco julgamentos, a lógica de seleção é realmente clara:  primeiro determine a estratégia do par de pólos (primeiro a precisão ou primeiro a plataforma), depois bloqueie a forma estrutural e a cadeia de tolerância de instalação, depois valide a temperatura e a vibração nas piores condições e inclua a parte de conexão na mesma lista de verificação de confiabilidade, em seguida combine os parâmetros elétricos e a cadeia de decodificação como um sistema e, finalmente, use os requisitos de segurança funcional para verificar inversamente se a arquitetura redundante é válida.  Após essas cinco etapas, geralmente restam apenas um ou dois modelos candidatos, e as diferenças entre esses um ou dois são a parte na qual realmente vale a pena gastar tempo para comparação de protótipos.

O resolvedor não é a única opção para sensores de posição do acionamento principal, mas em projetos de acionamento principal de produção em massa onde a confiabilidade e a tolerância ambiental são as principais prioridades, o resolvedor ainda é um componente que deve ser 'selecionado corretamente' em vez de 'selecionado casualmente'.