Selectarea senzorului de rezoluție a motorului de acționare principală nouă energie: cinci judecăți tehnice care sunt ușor de subestimat

Pentru selectarea senzorului de poziție în motoarele de antrenare principale, rezolvarea este aproape inevitabil. Dar „alegerea unui resolver” în sine nu este dificilă. Ceea ce este dificil este să faceți cele câteva judecăți din spatele foii de date care determină cu adevărat performanța producției de masă: dacă perechile de poli se potrivesc cu motorul, cât de mult să aveți încredere în cifra de precizie, ce condiții de operare să folosiți pentru validarea temperaturii și vibrațiilor, dacă lanțul de decodare este potrivit corespunzător și ce nivel de siguranță funcțională trebuie atins. Fiecare dintre aceste cinci probleme este suficientă pentru a face un proiect să arate perfect normal în stadiul de prototip, expunând în același timp probleme în producția de masă sau în condiții extreme.

În primul rând, clarificați: de ce aplicațiile principale de unități încă nu pot evita soluțiile

În fața temperaturilor ridicate, a contaminării cu ulei și a interferențelor electromagnetice puternice în compartimentul motorului, discurile de cod și optocuplele codificatoarelor optice sunt în mod inerent fragile, în timp ce soluțiile bazate pe Hall se luptă să îndeplinească cerințele de acuratețe și consistență ale controlului principal al unității. Esența unui resolver este un transformator electromagnetic: nu există componente electronice pe rotor. Se bazează exclusiv pe variația de cuplare magnetică dintre înfășurarea de excitație a statorului și proeminența rotorului pentru a scoate semnale sinus și cosinus, cu toată procesarea semnalului finalizată pe partea statorului și în circuitul de decodificare. Această structură „rotor pasiv” determină că limitele sale inferioare pentru rezistența la temperatură, rezistența la ulei și rezistența la vibrații sunt mult mai mari decât cele ale soluțiilor care se bazează pe componente active de pe rotor.

Dar asta nu înseamnă că rezolutorul este optim în fiecare dimensiune. Neajunsurile sale sunt la fel de clare: este afectată semnificativ de schimbările în designul motorului, iar compatibilitatea cu platforma sa este inferioară soluțiilor cu curent turbionar. În scenarii emergente, cum ar fi sistemele de 800 V și viteze ultra-înalte, senzorii de poziție cu curent turbionar câștigă treptat acțiune. Prin urmare, premisa pentru alegerea unui resolver este că aplicația de unitate principală acordă o pondere mai mare pe „fiabilitatea susținută în medii dure” decât pe „flexibilitatea reutilizarii platformei”. Dacă această premisă este valabilă, următoarele cinci judecăți sunt cu adevărat semnificative.

Judecata 1: Potrivirea perechilor de poli nu este doar despre „potrivire”

Perechile de poli resolver trebuie să aibă o relație clară cu perechile de poli motor, dar „alinierea” în sine are două strategii de implementare foarte diferite, cu costuri semnificativ diferite.

Soluția preferată este RPP = MPP (perechi de poli rezolutori egali perechi de poli motor).  Motoarele de acționare principală pentru autoturisme au de obicei 4 până la 10 perechi de poli. Realizarea potrivirii perechilor de poli de rezoluție cu ele previne amplificarea erorilor de prelucrare și asamblare de perechile de poli ai motorului și oferă o precizie mai mare la starea de echilibru pentru controlul FOC. Acesta este primul traseu cu acuratețe, cu prețul necesității ca resolverul să fie personalizat pentru fiecare motor, rezultând în comunitatea scăzută a platformei.

Celălalt este RPP = 1 (resolvent de pereche unică, un compromis de platformă).  Avantajul este că un rezolutor poate acoperi mai multe motoare, dar erorile precum excentricitatea mecanică și abaterea de asamblare sunt multiplicate cu perechile de poli ai motorului și sunt mai susceptibile să apară ca ondulație de cuplu în regiunea de slăbire a câmpului de mare viteză. Dacă se alege această cale, trebuie rezervată o marjă de precizie suficientă în toleranțele structurale și procesele de asamblare pentru a „absorbi” efectul de amplificare. În caz contrar, oricât de bine arată acuratețea electrică pe fișa de date, aceasta va fi consumată de erori mecanice odată instalate pe motor.

Judecata 2: Descompune cifra de precizie; eroarea mecanică este adesea principalul contributor

„Eroarea electrică ±X arcminute” dintr-o fișă de date este măsurată în condiții ideale de instalare și aliniere. După instalarea efectivă pe motor, sursele de eroare includ, de asemenea, cel puțin excentricitatea de instalare, jocul axial și nealinierea stator-rotor, fiecare dintre acestea se adaugă la eroarea totală.

Aceasta înseamnă că o greșeală obișnuită de selecție este aceea de a compara în mod repetat acuratețea rezolutorului însuși, fără o revizuire la fel de riguroasă a lanțului de toleranță la interfața de montare. Rezolutoarele split, cu stator și rotor montate separat, impun cerințe mai mari în ceea ce privește proiectarea structurală și procesele de asamblare, dar sunt mai eficiente din punct de vedere al spațiului; rezolutoarele integrate sunt mai ușor de asamblat, dar costă mai mult volum. Acest compromis ar trebui să fie blocat în timpul etapei de revizuire structurală, mai degrabă decât să încerce să-l remedieze după scule prin „trecerea la un rezolutor de precizie mai mare”. Când precizia mecanică este insuficientă, niciun cip de decodare nu poate salva rezultatul.

Dintr-o perspectivă de comparație a industriei, eroarea electrică a solutoarelor de reluctanță variabilă de calitate auto se află aproximativ în intervalul de la ±25′ la ±30′, iar unele modele optimizate pot atinge valori mai mici în măsurătorile reale. Întrebarea adevărată în timpul selecției este: în ce condiții de instalare a fost obținută această cifră? Poate lanțul meu de toleranță structurală să mențină aceleași condiții?

Judecata 3: Validați temperatura și vibrația în „condițiile de operare în cel mai rău caz”, dar zona cu defecțiuni mari nu este adesea corpul rezolutorului

Limita inferioară de temperatură de funcționare pentru rezolutoarele motoarelor de acţionare este de obicei necesară pentru a acoperi -40°C, în timp ce limita superioară nu poate fi determinată de temperatura medie a carcasei motorului. Locațiile apropiate de înfășurări sunt mult mai fierbinți decât carcasă. Limitele superioare de temperatură ale produselor principale de calitate auto din industrie sunt distribuite în intervalul 150°C până la 155°C, iar scenariile apropiate de sursele de căldură necesită validare cu o marjă mai mare. Vibrațiile și șocurile ar trebui, de asemenea, verificate punct cu articol în raport cu profilele de vibrații aleatorii ale automobilelor și șocuri mecanice, nu doar satisfăcute prin trecerea testelor statice la temperatura camerei.

Dar ceea ce este mai ușor de subestimat decât rezistența la temperatură a corpului este  porțiunea de legătură . În proiectele reale în care apar anomalii de semnal, o proporție considerabilă nu sunt defecțiuni ale înfășurărilor rezolutorului sau ale circuitului magnetic, ci degradarea etanșării, contactul slab sau interferența între fire în cablajele și conectorii sub cicluri de temperatură și vibrații. Dacă selecția verifică doar temperatura nominală a corpului rezolutorului, lăsând selectarea materialului cablajului, etanșarea conectorului și reducerea tensiunii pentru a fi gestionate mai târziu „după cum este necesar”, cea mai slabă verigă din lanțul de fiabilitate este lăsată până la capăt.

Judecata 4: Parametrii electrici și lanțul de decodare trebuie comparați la același tabel

Resolverul emite semnale sinus și cosinus modulate în amplitudine pe o purtătoare. Informațiile despre unghi sunt ascunse în plic și trebuie demodulate înainte de a putea deveni un unghi digital utilizabil de MCU. Alegerea schemei de decodare impune direct constrângeri inverse asupra parametrilor electrici ai corpului resolver.

Decodarea hard (cip RDC)  urmează traseul dedicat convertizorului resolver-la-digital, cu rezoluție tipică de 12 până la 16 biți și latență de urmărire în intervalul de la zeci până la sute de microsecunde. Are o buclă PLL matură încorporată și nu consumă aproape deloc putere de calcul MCU, ceea ce îl face potrivit pentru platformele de producție în masă cu programe de calibrare stricte. Costul este lățimea de bandă fixă ​​a buclei, care nu poate fi personalizată profund pentru caracteristicile dinamice ale unui anumit motor.

Decodificarea soft (DSADC + algoritm software)  elimină RDC-ul extern și utilizează ADC-ul delta-sigma pe cip al MCU pentru a eșantiona direct semnalele modulate în amplitudine, după care software-ul finalizează întregul calcul. Raportul mare de supraeșantionare și filtrarea digitală a DSADC pot împinge zgomotul de cuantizare la frecvențe înalte și pot obține un raport semnal-zgomot ridicat pentru anvelopa de frecvență joasă pe o purtătoare de 5-10 kHz, păstrând în același timp flexibilitatea de a ajusta parametrii de calcul pentru caracteristicile dinamice ale motorului. Costul este ocuparea puterii de calcul a MCU și a resurselor de dezvoltare, iar calitatea soluției depinde în mare măsură de maturitatea software-ului.

Indiferent de calea luată, parametrii care trebuie aliniați în timpul selecției includ cel puțin: frecvența de excitație (RDC-urile principale acoperă un interval de excitație de la 2 kHz la 20 kHz, iar rezoltoarele tipice sunt evaluate aproape de 10 kHz), raportul de transformare (de obicei în intervalul 0,286 până la 0,5), impedanța de excitație și intervalul de decodare a cipului de intrare. Consecințele nepotrivirii câștigului sunt directe: amplitudinea insuficientă agravează raportul semnal-zgomot, în timp ce saturația în amplitudine provoacă tăierea formei de undă. În ambele cazuri, informațiile despre unghi sunt distorsionate. Compararea fișei de date a rezolutorului cu manualul cipului de decodare, articol cu ​​articol, în stadiul de schema hardware costă doar o jumătate de zi și economisește nesfârșite reluări de depanare mai târziu.

Judecata 5: Siguranța funcțională nu se termină cu „alegerea unui model evaluat ASIL”

Senzorul principal de poziție a acționării este punctul de pornire al buclei închise de control al cuplului. Odată ce semnalul unghiului eșuează, consecințele variază de la fluctuația cuplului până la întreruperea puterii sau cuplul neintenționat. Prin urmare, considerentele de siguranță funcțională nu se pot opri la nivelul „furnizorului pretinde suport pentru ASIL X”; ele trebuie implementate în proiectarea specifică a  defecțiunilor cu un singur punct și a arhitecturii redundante.

Practica standard din industrie este de a realiza ASIL C (SEooC) la nivelul corpului resolver sau a elementului senzor și de a sprijini întregul sistem în atingerea ASIL D prin proiectare de redundanță la nivel de sistem - înfășurări cu două canale, lanțuri de decodare duble sau verificare paralelă a „senzor fizic + estimare fără senzori”. Întrebările de pus în timpul selecției modurilor de siguranță ale furnizorului includ: Care este acoperirea diagnosticului? Dacă se utilizează o schemă cu două canale, cum este asigurată independența celor două canale și cum sunt excluse defecțiunile cauzate de cauze comune? Aceste întrebări sunt de obicei invizibile în tabelele de comparare a specificațiilor, dar ele determină direct dacă argumentul siguranței funcționale poate fi închis.

Revenind la sensul ordinii în selecție

Conectând aceste cinci judecăți împreună, logica selecției este de fapt clară:  mai întâi determinați strategia perechii de stâlpi (acuratețe-în primul rând sau platforma-mai întâi), apoi blocați forma structurală și lanțul de toleranță de instalare, apoi validați temperatura și vibrația în cele mai defavorizate condiții și includeți porțiunea de conexiune în aceeași listă de verificare a fiabilității, apoi potriviți parametrii electrici și decodificarea funcțională a sistemului, pentru a se inversa, în final, pentru a se utiliza ca un singur sistem de decodare. arhitectura redundantă este valabilă.  După acești cinci pași, de obicei, rămân doar unul sau două modele candidate, iar diferențele dintre aceștia unul sau doi sunt partea căreia merită cu adevărat să petreceți timp pentru compararea prototipurilor.

Resolverul nu este singura alegere pentru senzorii de poziție a acționării principale, dar în proiectele de producție în masă, în care fiabilitatea și toleranța la mediu sunt prioritățile de top, resolverul este încă o componentă care trebuie să fie „selectată corect” mai degrabă decât „selectată întâmplător”.