Выбор датчика резольвера двигателя главного привода New Energy: пять инженерных решений, которые легко недооценить

Для выбора датчика положения в двигателях главного привода резольвер практически неизбежен. Но сам «выбор резольвера» не сложен. Что сложно, так это сделать несколько суждений на основе таблицы данных, которые действительно определяют производительность массового производства: соответствуют ли пары полюсов двигателю, насколько можно доверять показателю точности, какие рабочие условия использовать для проверки температуры и вибрации, правильно ли подобрана цепь декодирования и какой уровень функциональной безопасности должен быть достигнут. Каждой из этих пяти проблем достаточно, чтобы проект выглядел совершенно нормально на стадии прототипа, но при этом выявил проблемы в массовом производстве или в экстремальных условиях.

Во-первых, проясним: почему приложения основного диска до сих пор не могут избежать резольверов

В условиях высоких температур, загрязнения масла и сильных электромагнитных помех в моторном отсеке кодовые диски и оптопары оптических энкодеров по своей природе хрупкие, в то время как решения Холла с трудом соответствуют требованиям точности и согласованности управления главным приводом. Сущность резольвера — электромагнитный преобразователь: на роторе нет электронных компонентов. Он основан исключительно на изменении магнитной связи между обмоткой возбуждения статора и заметностью ротора для вывода синусоидальных и косинусоидальных сигналов огибающей, при этом вся обработка сигналов выполняется на стороне статора и в схеме декодирования. Эта структура «пассивного ротора» определяет, что ее нижние пределы термостойкости, маслостойкости и виброустойчивости намного выше, чем у решений, основанных на активных компонентах ротора.

Но это не означает, что резольвер оптимален во всех измерениях. Его недостатки столь же очевидны: на него существенно влияют изменения в конструкции двигателя, а совместимость с платформой уступает вихретоковым решениям. В новых сценариях, таких как системы с напряжением 800 В и сверхвысокие скорости, вихретоковые датчики положения постепенно набирают обороты. Таким образом, предпосылкой для выбора резольвера является то, что основное приложение привода придает большее значение «устойчивой надежности в суровых условиях», чем «гибкости повторного использования платформы». Если эта предпосылка верна, то следующие пять суждений действительно имеют смысл.

Суждение 1: Согласование пар полюсов – это не просто «сопоставление»

Пары полюсов резольвера должны иметь четкую связь с парами полюсов двигателя, но само «выравнивание» имеет две совершенно разные стратегии реализации со значительно разными затратами.

Предпочтительным решением является RPP = MPP (пары полюсов резольвера равны парам полюсов двигателя).  Двигатели главного привода легковых автомобилей обычно имеют от 4 до 10 пар полюсов. Согласование пар полюсов резольвера предотвращает усиление ошибок обработки и сборки парами полюсов двигателя и обеспечивает более высокую установившуюся точность управления FOC. Это путь, ориентированный на точность, но за счет необходимости настройки резольвера для каждого двигателя, что приводит к низкой унификации платформ.

Второй вариант — RPP = 1 (резольвер однополюсной пары, компромиссная платформа).  Преимущество состоит в том, что один резольвер может охватывать несколько двигателей, но такие ошибки, как механическое эксцентриситет и отклонение сборки, умножаются на пары полюсов двигателя и особенно вероятны в виде пульсаций крутящего момента в области высокоскоростного ослабления поля. Если выбран этот путь, необходимо сохранить достаточный запас точности в структурных допусках и процессах сборки, чтобы «поглотить» эффект усиления. В противном случае, независимо от того, насколько хороша электрическая точность в технических характеристиках, она будет сведена на нет механическими ошибками, установленными на двигателе.

Решение 2: Разбить показатель точности; механическая ошибка часто является основной причиной

«Электрическая погрешность ±X угловых минут» в технической документации измерена при идеальных условиях установки и выравнивания. После фактической установки на двигатель источники ошибок также включают, как минимум, эксцентриситет установки, осевой люфт и несоосность статора и ротора, каждый из которых увеличивает общую ошибку.

Это означает, что распространенной ошибкой при выборе является неоднократное сравнение точности самого резольвера при отсутствии столь же строгого анализа цепочки допусков на монтажном интерфейсе. Сплит-резольверы с отдельно установленными статором и ротором предъявляют более высокие требования к конструктивному проектированию и процессам сборки, но более экономичны по пространству; Интегрированные резольверы проще собрать, но они стоят дороже. Этот компромисс следует учитывать на этапе структурного анализа, а не пытаться исправить его после оснащения путем «переключения на резольвер более высокой точности». Когда механическая точность недостаточна, никакой чип декодирования не может сохранить результат.

С точки зрения отраслевого сравнения, электрическая погрешность основных резольверов с переменным сопротивлением автомобильного класса находится примерно в диапазоне от ± 25 до ± 30 футов, а некоторые оптимизированные конструкции могут достигать более низких значений в реальных измерениях. Реальный вопрос при выборе: при каких условиях установки была получена эта цифра? Может ли моя цепочка структурных допусков поддерживать те же условия?

Решение 3. Подтвердите температуру и вибрацию в «наихудших условиях эксплуатации», но областью повышенного риска часто является не корпус резольвера.

Нижний предел рабочей температуры для резольверов приводного двигателя обычно должен составлять -40°C, тогда как верхний предел не может быть определен по средней температуре корпуса двигателя. Места рядом с обмотками намного горячее, чем корпус. Верхние пределы температуры основных продуктов автомобильной промышленности находятся в диапазоне от 150°C до 155°C, а сценарии, близкие к источникам тепла, требуют проверки с более высоким запасом. Вибрацию и удары также следует проверять по отдельности на соответствие автомобильным профилям случайной вибрации и механических ударов, а не просто проверять их путем прохождения статических испытаний при комнатной температуре.

Но что легче недооценить, чем термостойкость корпуса, так это  соединительную часть . В реальных проектах, где возникают аномалии сигнала, значительная часть из них связана не с неисправностями обмоток резольвера или магнитной цепи, а с ухудшением герметичности, плохим контактом или межпроводными помехами в жгутах проводов и разъемах под воздействием температурных циклов и вибрации. Если при выборе проверяется только номинальная температура корпуса резольвера, а выбор материала проводки, уплотнение разъема и разгрузка от натяжения оставляются на потом «по мере необходимости», то самое слабое звено в цепи надежности остается до самого конца.

Решение 4. Электрические параметры и цепочку декодирования необходимо сравнивать в одной таблице.

Резольвер выдает амплитудно-модулированные синусоидальные и косинусоидальные сигналы на несущей. Информация об угле скрыта в конверте и должна быть демодулирована, прежде чем она станет цифровым углом, пригодным для использования MCU. Выбор схемы декодирования непосредственно накладывает обратные ограничения на электрические параметры корпуса резольвера.

Жесткое декодирование (чип RDC)  следует по специальному маршруту преобразователя в цифровой сигнал с типичным разрешением от 12 до 16 бит и задержкой отслеживания в диапазоне от десятков до сотен микросекунд. Он имеет встроенный контур ФАПЧ и практически не потребляет вычислительную мощность микроконтроллера, что делает его пригодным для платформ массового производства с жесткими графиками калибровки. Цена — это фиксированная полоса пропускания, которую невозможно глубоко настроить под динамические характеристики конкретного двигателя.

Мягкое декодирование (DSADC + программный алгоритм)  исключает внешний RDC и использует встроенный дельта-сигма АЦП микроконтроллера для прямой выборки амплитудно-модулированных сигналов, после чего программное обеспечение завершает весь расчет. Высокий коэффициент передискретизации и цифровая фильтрация DSADC позволяют поднять шум квантования на высокие частоты и достичь высокого отношения сигнал/шум для низкочастотной огибающей на несущей 5–10 кГц, сохраняя при этом гибкость в настройке параметров расчета для динамических характеристик двигателя. Цена — это использование вычислительных мощностей микроконтроллера и ресурсов разработки, а качество решения во многом зависит от зрелости программного обеспечения.

Какой бы путь ни был выбран, параметры, которые должны быть согласованы во время выбора, включают, по крайней мере: частоту возбуждения (основные RDC охватывают диапазон возбуждения от 2 кГц до 20 кГц, а типичные резольверы рассчитаны на частоту около 10 кГц), коэффициент преобразования (обычно в диапазоне от 0,286 до 0,5), полное сопротивление возбуждения, а также мощность возбуждения и входной диапазон чипа декодирования. Последствия рассогласования усиления являются прямыми: недостаточная амплитуда ухудшает соотношение сигнал/шум, а насыщение амплитуды приводит к ограничению формы сигнала. В обоих случаях информация об ракурсе искажается. Сравнение таблицы данных резольвера с описанием микросхемы декодирования по пунктам на этапе построения схемы оборудования занимает всего полдня и избавляет от бесконечных отладочных работ в дальнейшем.

Решение 5: Функциональная безопасность не ограничивается «выбором модели с рейтингом ASIL».

Датчик положения главного привода является отправной точкой замкнутого контура управления крутящим моментом. При пропадании сигнала угла последствия варьируются от колебаний крутящего момента до прерывания подачи питания или непреднамеренного крутящего момента. Следовательно, соображения функциональной безопасности не могут ограничиваться уровнем «поставщик заявляет о поддержке УПБА X»; они должны быть реализованы в конкретной конструкции  одиночных повреждений и резервированной архитектуре..

Стандартной практикой в ​​отрасли является достижение уровня ASIL C (SEooC) на уровне корпуса резольвера или чувствительного элемента, а также поддержка всей системы в достижении уровня ASIL D посредством проектирования резервирования на уровне системы — двухканальных обмоток, двойных цепей декодирования или параллельной проверки «физический датчик + бездатчиковая оценка». Вопросы, которые следует задать во время выбора, включают в себя: Какие виды отказов описаны в руководстве по безопасности поставщика? Каков охват диагностикой? Если используется двухканальная схема, то как обеспечивается независимость двух каналов и как исключаются отказы по общей причине? Эти вопросы обычно незаметны в таблицах сравнения спецификаций, однако они напрямую определяют, можно ли закрыть аргумент функциональной безопасности.

Возвращаясь к порядку в выборе

Объединив эти пять решений вместе, логика выбора на самом деле ясна:  сначала определите стратегию пары полюсов (сначала точность или платформа), затем зафиксируйте форму конструкции и цепочку допусков при установке, затем проверьте температуру и вибрацию в наихудших условиях и включите часть соединения в тот же контрольный список надежности, затем сопоставьте электрические параметры и цепочку декодирования как одну систему и, наконец, используйте требования функциональной безопасности для обратной проверки правильности резервированной архитектуры.  После этих пяти шагов обычно остаются только одна или две модели-кандидаты, и различия между этими одной или двумя — это та часть, на которую действительно стоит потратить время для сравнения прототипов.

Резолвер не является единственным выбором для датчиков положения главного привода, но в проектах главного привода массового производства, где надежность и экологическая устойчивость являются главными приоритетами, резольвер по-прежнему является компонентом, который необходимо «выбирать правильно», а не «выбирать случайно». Ключом к правильному выбору является не самый заметный показатель точности в технических характеристиках, а то, были ли всерьез учтены пять приведенных выше суждений на ранних этапах проекта.