Анализ искажений сигнала Sin/Cos в резольверах реактивного типа в условиях сильных электромагнитных помех - Датчик резольвера EV

В таких приложениях, как электроприводы транспортных средств на новой энергии и промышленные сервоприводы, реактивный тип Резолверы широко используются в качестве датчиков положения ротора двигателя. Они не содержат полупроводниковых микросхем, выдерживают высокие температуры и вибрацию – они выглядят очень «надежными». Однако многие инженеры сталкиваются на месте с загадочной проблемой: как только мощность двигателя увеличивается и частота переключения ШИМ возрастает, в синусоидальных/косинусных выходных сигналах резольвера возникают сбои, сглаживание, искажение огибающей и другие аномалии, приводящие к угловому джиттеру, пульсациям крутящего момента и даже к неисправностям контроллера.

I. Как выглядит синус/косинусный сигнал нормального резольвера?

Конструкция реактивного резольвера относительно проста: статор несет обмотку возбуждения и две пространственно ортогональные выходные обмотки, а ротор выполнен из кремниевых стальных явнополюсных полюсов специальной формы без обмоток. На обмотку возбуждения подается высокочастотное синусоидальное возбуждение:

Когда ротор вращается на угол θ , две выходные обмотки индуцируют соответственно:

На практике каждый сигнал является дифференциальным, например, S1-S3 и S2-S4. Как можно видеть, выход резольвера представляет собой высокочастотную несущую, амплитуда которой модулируется углом ротора  θ  . На осциллографе сигналы выглядят как две огибающие, которые изменяются в зависимости от угла как синус и косинус соответственно.

Чип декодирования — резольвер-цифровой преобразователь (RDC) — демодулирует эти сигналы, извлекает огибающие и вычисляет угол с помощью  

II. Откуда берутся сильные электромагнитные помехи

Резольвер обычно устанавливается на стороне двигателя, в типичной среде с сильными электромагнитными помехами:

·  Высокоскоростное переключение IGBT/MOSFET : Несущая частота ШИМ контроллера двигателя обычно находится в диапазоне от нескольких кГц до десятков кГц, но фронты переключения составляют всего от десятков до сотен наносекунд, а спектр простирается до десятков МГц.

·  Силовые шины и фазовые кабели : Быстрые изменения сильного тока и высокого напряжения создают сильные электрические и магнитные поля.

·  Работа контактора и реле : Создание дуги и переходных импульсов.

·  Преобразователи мощности : пульсации и гармоники от импульсных источников питания.

Как только эти помехи попадают в сигнальные линии резольвера, они накладываются на чистые синусоидальные/косинусоидальные сигналы.

III. Как помехи попадают в сигнальную цепь

Существует четыре основных пути попадания помех в сигнальную цепь резольвера:

1. Радиационная связь
Линии электропередачи и коммутационные узлы действуют как передающие антенны, а жгуты проводов резольвера действуют как приемные антенны. Когда жгуты резольвера проложены параллельно силовым кабелям, высокочастотные электромагнитные поля наводят напряжение непосредственно на жгутах.

2. Кондуктивная
связь Помехи попадают в систему резольвера через линии питания возбуждения или питание платы декодера, а затем попадают на сторону сигнала.

3. Разность потенциалов земли
Большие токи вызывают падение напряжения на проводах заземления или металлических корпусах, создавая неравные потенциалы земли между концом резольвера и концом декодера, образуя синфазные напряжения.

4. Перекрестные помехи между линиями.
Когда жгуты резольвера проложены параллельно фазным кабелям, шинам и т. д., паразитная емкость и взаимная индуктивность между линиями создают помехи.

IV. Типичные проявления искажений

На осциллографе синусоидальные/косинусоидальные сигналы при сильных электромагнитных помехах могут проявляться в следующих формах.

1. Суперпозиция высокочастотных глитчей.
На несущей появляются пики и звон, синхронизированные с фронтами ШИМ. Это связано с тем, что высокочастотные токи, генерируемые в моменты переключения, попадают в сигнальные линии через паразитную емкость. Амплитуды выбросов могут достигать десятков или даже сотен мВ, в то время как нормальные амплитуды дифференциальных сигналов обычно составляют всего несколько вольт, что приводит к значительному падению отношения сигнал/шум.

2. Шум от синфазного к дифференциальному.
Дифференциальные сигналы теоретически чувствительны только к разнице напряжений между двумя проводами и обладают способностью подавлять синфазные помехи. Однако реальные кабели, разъемы и сети фильтров никогда не бывают идеально симметричными. При появлении высокочастотных синфазных помех часть их преобразуется в напряжение дифференциального режима и накладывается на синусоидальные/косинусоидальные сигналы. Этот шум часто проявляется в виде периодического «пуха» на огибающей.

3. Ограничение и насыщение.
Когда амплитуда помех велика и пик наложенного сигнала превышает входной диапазон RDC или шины питания операционного усилителя, вершины сигнала «обрезаются». Ограничение напрямую разрушает огибающую sin/cos, вызывая серьезные нелинейные ошибки в декодированном угле.

4. Дрейф смещения постоянного тока.
Низкочастотные компоненты помех, токи контура заземления или эффекты выпрямления могут вызвать смещение постоянного тока в сигнале, делая форму сигнала асимметричной. Декодирование RDC обычно предполагает чистые сигналы переменного тока; смещение приводит к угловым ошибкам и пульсациям скорости.

5. Гармонические искажения.
Нелинейность магнитных материалов и интермодуляция между помехами и несущей возбуждения порождают гармонические составляющие. Как только гармоники попадают в RDC, они могут демодулироваться в гармонические ошибки высокого порядка по углу, проявляясь в виде пульсаций крутящего момента или шума.

6. Синусоидальный/косинусный дисбаланс амплитуд и фазовый сдвиг.
Если два пути сигнала для sin и cos имеют разные параметры фильтра, длину кабеля или импеданс контактов разъема, сильные помехи по-разному влияют на два канала, что приводит к несовпадению амплитуд или фазовому сдвигу. RDC вычисляет угол на основе sinθ/cosθ; Амплитудный или фазовый дисбаланс напрямую приводит к угловым ошибкам.

V. Влияние искажений на систему

Искажение сигнала — это не просто «визуальная проблема» на осциллографе; это напрямую отражается на производительности системы:

·  Дрожание выходного сигнала угла : шум, демодулируемый RDC, вызывает высокочастотное дрожание значения угла, усиливая шум обратной связи по скорости.

·  Периодические угловые ошибки : искажения огибающей и гармоники вызывают угловые ошибки, которые периодически меняются в зависимости от положения ротора, что приводит к флуктуациям тока по оси dq и пульсациям крутящего момента.

·  Неисправности и потеря блокировки : Сильные помехи могут привести к потере блокировки контура слежения RDC, что приведет к скачкам угла и срабатыванию защиты от перегрузки по току или перенапряжения.

·  Ухудшение производительности системы : в электромобилях это может привести к снижению эффективности двигателя, увеличению вибрации и шума и даже поставить под угрозу безопасность транспортного средства.

VI. Как определить и устранить неполадки

При практической отладке следующие методы позволяют быстро определить, подвержены ли сигналы резольвера сильным электромагнитным помехам:

·  Используйте  дифференциальные пробники  для измерения S1-S3 и S2-S4, избегая несимметричных пробников, которые могут создавать контуры заземления.

·  Наблюдайте одновременно за сигналом возбуждения и выходными сигналами, чтобы определить, вводятся ли помехи со стороны возбуждения.

·  Сравните формы сигналов при неподвижном и работающем двигателе, а также при включенном и выключенном ШИМ, чтобы определить, исходят ли помехи от силовой цепи.

·  Используйте БПФ осциллографа для анализа спектра помех и проверки, совпадает ли он с несущей частотой ШИМ или граничными гармониками.

·  Измерьте синфазное напряжение двух линий относительно земли, чтобы оценить уровень синфазных помех.

VII. Меры подавления

Подавление искажений требует одновременных усилий на трех фронтах: источник помех, канал связи и приемник.

1. Оптимизируйте жгут проводов и экранирование.

·  Для сигнальных линий резольвера используйте экранированные витые пары с заземлением экрана в одной точке на конце декодера, чтобы избежать контуров заземления, вызванных двусторонним заземлением.

·  Прокладывайте сигнальные линии отдельно от силовых кабелей, избегая длинных параллельных трасс; если пересечение неизбежно, пересекайте их перпендикулярно.

·  При необходимости используйте металлические кабелепроводы или двухслойную защиту для повышения эффективности высокочастотного экранирования.

2. Фильтрация и защита

·  Добавьте на вход RDC синфазные дроссели и RC-фильтры нижних частот для подавления синфазных помех и высокочастотных выбросов.

·  Частота среза фильтра должна быть выше, чем частота возбуждения резольвера, избегая при этом чрезмерной задержки фазы, которая в противном случае привела бы к новым угловым ошибкам.

·  Добавьте защитные устройства, такие как TVS-лампы, чтобы предотвратить повреждение схемы декодера переходными перенапряжениями.

3. Планировка и заземление

·  Размещайте плату декодера как можно ближе к разъему резольвера, чтобы сократить трассы аналогового сигнала.

·  Отделите аналоговую землю от силовой, соединив их в одной точке, чтобы предотвратить протекание больших токов через аналоговую землю.

·  При выборе разъема обратите внимание на целостность экрана, чтобы экран не был поврежден в разъеме.

4. Лечение стороны возбуждения

·  Также используйте экранированные витые пары для линий возбуждения и добавьте фильтрацию в источник питания возбуждения.

·  Избегайте совместного использования разъемов или жгутов сигналов возбуждения и силовых кабелей.

5. Системные и алгоритмические меры.

·  Выбирайте чипы RDC с сильной защитой от помех, например, со встроенной синхронной демодуляцией и цифровой фильтрацией.

·  В программном обеспечении применяйте фильтрацию, ограничение скорости и проверку достоверности сигнала угла, чтобы предотвратить возникновение аномалий управления отдельными импульсами помех.

·  Оптимизируйте скорость нарастания фронта ШИМ и добавьте снабберные цепи, чтобы уменьшить помехи в источнике.

VIII. Заключение

Магниторезистивный резольвер по своей сути является надежным датчиком, но его синусоидальные/косинусные выходы представляют собой аналоговые сигналы низкого уровня, которые подвержены искажениям при сильных электромагнитных помехах. Понимание источников помех и путей связи, а также реализация надлежащего экранирования, фильтрации, заземления и компоновки имеют важное значение для обеспечения точности и надежности угловой обратной связи.

Для инженеров форма сигнала на осциллографе является лучшим «отчетом о состоянии». Чем раньше обнаружено искажение сигнала, тем ниже вероятность возникновения проблем в системе.