Analiza distorsiunii semnalului Sin/Cos la rezolutoarele de tip reluctanta sub interferenta electromagnetica puternica -Senzorul rezolutor EV

În aplicații precum acționările electrice pentru vehicule cu energie nouă și servomotoarele industriale, de tip reluctantă Resolverii sunt utilizați pe scară largă ca senzori de poziție a rotorului motorului. Ele nu conțin cipuri semiconductoare, rezistă la temperaturi ridicate și rezistă la vibrații - par foarte „rezistente”. Cu toate acestea, mulți ingineri întâmpină o problemă surprinzătoare la fața locului: odată ce puterea motorului crește și frecvența de comutare PWM crește, semnalele de ieșire sinus/cosinus ale rezolutorului dezvoltă erori, neplată, distorsiuni ale anvelopei, distorsiuni ale anvelopei, distorsiuni și chiar unghiuri de ondulare a controlerului defecte.

I. Cum arată un semnal sinus/cosinus al rezolutorului normal?

Structura unui resolver de tip reluctantă este relativ simplă: statorul poartă o înfășurare de excitație și două înfășurări de ieșire spațial ortogonale, în timp ce rotorul este realizat din poli proeminenți din oțel siliciu cu formă specială, fără înfășurări. O excitație sinusoidală de înaltă frecvență este aplicată înfășurării de excitație:

Când rotorul se rotește cu un unghi θ , cele două înfășurări de ieșire induc, respectiv:

În practică, fiecare semnal este diferențial, de exemplu, S1-S3 și S2-S4. După cum se poate observa, ieșirea rezolutorului este o purtătoare de înaltă frecvență a cărei amplitudine este modulată de unghiul rotorului  θ  . Pe un osciloscop, formele de undă apar ca două plicuri care variază în funcție de unghi, ca sinus și, respectiv, cosinus.

Cipul de decodare - Resolver-to-Digital Converter (RDC) - demodulează aceste semnale, extrage plicurile și calculează unghiul prin  

II. De unde provin interferențe electromagnetice puternice

Resolverul este de obicei montat la capătul motorului, înconjurat de un mediu tipic de interferență electromagnetică puternică:

·  Comutarea de mare viteză a IGBT-urilor/MOSFET-urilor : Frecvența purtătoare PWM a controlerului de motor este de obicei în intervalul de la câțiva kHz la zeci de kHz, dar marginile de comutare sunt doar de la zeci la sute de nanosecunde, cu spectre extinzând până la zeci de MHz.

·  Bare de alimentare și cabluri de fază : Schimbările rapide ale curentului ridicat și tensiunii înalte generează câmpuri electrice și magnetice puternice.

·  Operații cu contactori și relee : Produce arc și impulsuri tranzitorii.

·  Convertizoare de putere : Ondulări și armonici de la comutarea surselor de alimentare.

Odată ce aceste interferențe se cuplează în liniile de semnal ale rezolutorului, ele se suprapun semnalelor sinus/cosinus, altfel curate.

III. Cum intră interferența în lanțul de semnal

Există patru căi principale prin care interferența intră în lanțul de semnal al rezolutorului:

1. Cuplaj radiativ
Liniile electrice și nodurile de comutare acționează ca niște antene de transmisie, în timp ce cablajele de rezolvare acționează ca niște antene de recepție. Când cablajele de rezoluție sunt direcționate paralel cu cablurile de alimentare, câmpurile electromagnetice de înaltă frecvență induc tensiuni direct pe cablaje.

2. Cuplaj conductiv
Interferența intră în sistemul de rezoluție prin liniile de alimentare cu excitație sau prin sursa de alimentare a plăcii de decodor și apoi se cuplează în partea de semnal.

3. Diferențe de potențial la pământ
Curenții mari provoacă căderi de tensiune pe urmele de pământ sau carcasele metalice, creând potențiale de masă inegale între capătul rezolutorului și capătul decodorului, formând tensiuni de mod comun.

4. Diafonie între linii
Când cablajele de rezoluție sunt paralele cu cablurile de fază, barele colectoare etc., capacitatea parazită și inductanța reciprocă între linii cuplează interferența.

IV. Manifestări tipice ale distorsiunii

Pe un osciloscop, semnalele sinus/cosinus sub EMI puternice pot apărea în următoarele forme.

1. Suprapunerea glitch-urilor de înaltă frecvență
Pe purtător apar vârfurile și soneria sincronizate cu marginile PWM. Acest lucru se datorează faptului că curenții de înaltă frecvență generați în timpul momentelor de comutare se cuplează în linii de semnal prin capacitatea parazită. Amplitudinile glitch-urilor pot atinge zeci de mV sau chiar sute de mV, în timp ce amplitudinile normale ale semnalului diferențial sunt de obicei de doar câțiva volți, ceea ce duce la o scădere semnificativă a SNR.

2. Zgomot din modul comun la modul diferențial
Semnalele diferențiale sunt teoretic sensibile numai la diferența de tensiune dintre cele două fire și au capacitatea de respingere împotriva interferenței în modul comun. Cu toate acestea, cablurile reale, conectorii și rețelele de filtre nu sunt niciodată perfect simetrice. Când intră interferența în modul comun de înaltă frecvență, o parte din aceasta este convertită în tensiune în mod diferențial și suprapusă semnalelor sinus/cosinus. Acest zgomot apare adesea ca „fuzz” periodic pe plic.

3. Decuparea și saturația
Când amplitudinea interferenței este mare, iar vârful semnalului suprapus depășește domeniul de intrare RDC sau șinele de alimentare ale amplificatorului operațional, vârfurile formei de undă sunt „decupate”. Cliparea distruge direct anvelopa sin/cos, provocând erori neliniare severe în unghiul decodificat.

4. Derivarea DC offset
Componentele de joasă frecvență din interferență, curenții buclei de masă sau efectele de redresare pot provoca o offset DC în semnal, făcând forma de undă asimetrică. Decodificarea RDC presupune de obicei semnale AC pure; offset duce la erori de unghi și ondulație de viteză.

5. Distorsiunea armonică
Neliniaritatea materialelor magnetice și intermodulația între interferență și purtătorul de excitație generează componente armonice. Odată ce armonicile intră în RDC, ele pot fi demodulate în erori armonice de ordin înalt în unghi, manifestându-se ca ondulație de cuplu sau zgomot.

6. Dezechilibru de amplitudine sinus/cosinus și schimbare de fază
Dacă cele două căi de semnal pentru sin și cos au parametri de filtru diferiți, lungimi de cablu sau impedanțe de contact ale conectorului, cele două canale sunt afectate diferit în cazul interferențelor puternice, rezultând nepotrivirea amplitudinii sau schimbarea de fază. RDC calculează unghiul pe baza sinθ/cosθ; dezechilibrul de amplitudine sau de fază produce direct erori de unghi.

V. Impactul distorsiunii asupra sistemului

Distorsiunea semnalului nu este doar o „problemă vizuală” la osciloscop; se reflectă direct asupra performanței sistemului:

·  Jitter de ieșire unghiulară : Zgomotul demodulat de RDC provoacă fluctuații de înaltă frecvență în valoarea unghiului, amplificând zgomotul de feedback de viteză.

·  Erori periodice unghiulare : distorsiunile anvelopei și armonicile provoacă erori de unghi care variază periodic în funcție de poziția rotorului, ducând la fluctuații de curent pe axa dq și la ondularea cuplului.

·  Defecțiuni și pierderea blocării : Interferențele severe pot face ca bucla de urmărire RDC să piardă blocarea, ducând la salturi de unghi și declanșând protecția la supracurent sau supratensiune.

·  Degradarea performanței sistemului : La vehiculele electrice, acest lucru poate duce la o eficiență redusă a motorului, la creșterea vibrațiilor și a zgomotului și chiar la compromiterea siguranței vehiculului.

VI. Cum se identifică și se depanează

În depanarea practică, următoarele metode pot determina rapid dacă semnalele rezolutorului sunt afectate de EMI puternice:

·  Folosiți  sonde diferențiale  pentru a măsura S1-S3 și S2-S4, evitând sondele cu un singur capăt care pot introduce bucle de masă.

·  Observați atât semnalul de excitare, cât și semnalele de ieșire simultan pentru a determina dacă interferența sunt introduse prin partea de excitație.

·  Comparați formele de undă cu motorul staționar vs. în funcțiune și cu PWM pornit vs. oprit, pentru a determina dacă interferența provine din circuitul de alimentare.

·  Utilizați FFT al osciloscopului pentru a analiza spectrul de interferență și pentru a verifica dacă acesta coincide cu frecvența purtătoare PWM sau cu armonicile de margine.

·  Măsurați tensiunea în modul comun a celor două linii la masă pentru a evalua nivelul de interferență în modul comun.

VII. Măsuri de suprimare

Suprimarea distorsiunii necesită eforturi simultane pe trei fronturi: sursa de interferență, calea de cuplare și receptor.

1. Optimizați cablajul și ecranarea

·  Folosiți perechi răsucite ecranate pentru liniile de semnal ale rezolutorului, cu ecranul împământat într-un singur punct la capătul decodorului pentru a evita buclele de împământare cauzate de împământarea cu două capete.

·  Direcționați liniile de semnal separat de cablurile de alimentare, evitând cursele lungi în paralel; dacă traversarea este inevitabilă, traversați-le perpendicular.

·  Dacă este necesar, utilizați conducte metalice sau ecranare cu două straturi pentru a îmbunătăți eficacitatea ecranării de înaltă frecvență.

2. Filtrare și protecție

·  Adăugați șocuri de mod comun și filtre trece-jos RC la intrarea RDC pentru a suprima zgomotul în modul comun și erorile de înaltă frecvență.

·  Frecvența de tăiere a filtrului ar trebui să fie mai mare decât frecvența de excitare a rezolutorului, evitând în același timp întârzierea excesivă de fază, care altfel ar introduce noi erori de unghi.

·  Adăugați dispozitive de protecție, cum ar fi tuburile TVS, pentru a preveni supratensiunile tranzitorii să deterioreze circuitele decodorului.

3. Aspect și împământare

·  Plasați placa de decodor cât mai aproape de conectorul resolverului pentru a scurta urmele semnalului analogic.

·  Separați pământul analogic de pământul de alimentare, conectându-le într-un singur punct pentru a preveni curgerea curenților mari prin pământul analogic.

·  Acordați atenție continuității ecranului în alegerea conectorului, asigurându-vă că scutul nu este rupt la conector.

4. Tratament secundar excitație

·  Utilizați perechi răsucite ecranate și pentru liniile de excitație și adăugați filtrare la sursa de alimentare de excitație.

·  Evitați împărțirea conectorilor sau cablajelor între semnalele de excitare și cablurile de alimentare.

5. Măsuri de sistem și algoritmice

·  Alegeți cipuri RDC cu capacitate puternică anti-interferență, cum ar fi cele cu demodulare sincronă și filtrare digitală încorporate.

·  În software, aplicați filtrarea, limitarea ratei și verificările de plauzibilitate semnalului unghiular pentru a preveni ca impulsurile de interferență individuale să cauzeze anomalii de control.

·  Optimizați ratele de slew PWM și adăugați circuite de atenuare pentru a reduce interferența la sursă.

VIII. Concluzie

Resolverul magnetorezistiv este în mod inerent un senzor robust, dar ieșirile sale sinus/cosinus sunt semnale analogice de nivel scăzut care sunt susceptibile la distorsiuni în cazul EMI puternic. Înțelegerea surselor de interferență și a căilor de cuplare și implementarea unei ecranări, filtrare, împământare și aspect adecvate sunt esențiale pentru a asigura acuratețea și fiabilitatea feedback-ului unghiului.

Pentru ingineri, forma de undă de pe osciloscop este cel mai bun „raport de sănătate”. Cu cât este detectată mai devreme distorsiunea semnalului, cu atât probabilitatea problemelor sistemului este mai mică.