Analýza skreslenia signálu Sin/Cos v reluktančných typoch rozlišovačov pri silnej elektromagnetickej interferencii - EV Resolver Sensor

V aplikáciách, ako sú elektrické pohony nových energetických vozidiel a priemyselné servomotory, reluktančného typu rezolvery sú široko používané ako snímače polohy rotora motora. Neobsahujú žiadne polovodičové čipy, odolávajú vysokým teplotám a vibráciám – zdajú sa byť veľmi 'drsné'. Mnohí inžinieri sa však na mieste stretávajú so záhadným problémom: akonáhle sa výkon motora zvýši a spínacia frekvencia PWM stúpne, výstupné signály sínusového/kosínusového rezolveru sa prejavia poruchami, plochým prekrývaním, skreslením obálkového uhla a inými anomáliami, čo vedie dokonca k chveniu regulátora krútiaceho momentu.

I. Ako vyzerá sínusový/kosínusový signál normálneho rozlišovača?

Konštrukcia rezolveru reluktančného typu je pomerne jednoduchá: stator nesie budiace vinutie a dve priestorovo ortogonálne výstupné vinutia, zatiaľ čo rotor je vyrobený zo špeciálne tvarovaných vyčnievajúcich pólov z kremíkovej ocele bez vinutia. Na budiace vinutie sa aplikuje vysokofrekvenčné sínusové budenie:

Keď sa rotor otáča o uhol θ , dve výstupné vinutia indukujú:

V praxi je každý signál rozdielový, napr. S1-S3 a S2-S4. Ako je možné vidieť, výstupom resolvera je vysokofrekvenčný nosič, ktorého amplitúda je modulovaná uhlom rotora  θ  . Na osciloskope sa priebehy javia ako dve obálky, ktoré sa menia s uhlom ako sínus a kosínus.

Dekódovací čip – konvertor Resolver-to-Digital Converter (RDC) – demoduluje tieto signály, extrahuje obálky a vypočíta uhol pomocou  

II. Odkiaľ pochádza silné elektromagnetické rušenie

Rezolver je zvyčajne namontovaný na konci motora, obklopený typickým prostredím silného elektromagnetického rušenia:

·  Vysokorýchlostné prepínanie IGBT/MOSFET : Nosná frekvencia PWM ovládača motora je zvyčajne v rozsahu niekoľkých kHz až desiatok kHz, ale spínacie hrany sú len desiatky až stovky nanosekúnd, pričom spektrá siahajú až do desiatok MHz.

·  Napájacie prípojnice a fázové káble : Rýchle zmeny vysokého prúdu a vysokého napätia vytvárajú silné elektrické a magnetické polia.

·  Operácie stykača a relé : Vytvárajú oblúkové a prechodné impulzy.

·  Výkonové meniče : Zvlnenie a harmonické zo spínaných zdrojov napájania.

Keď sa tieto interferencie spoja so signálovými vedeniami rozkladača, prekryjú sa inak čisté sínusové/kosínusové signály.

III. Ako interferencia vstupuje do signálneho reťazca

Existujú štyri hlavné cesty, ktorými interferencia vstupuje do signálového reťazca resolvera:

1. Vyžarovacia väzba
Elektrické vedenia a spínacie uzly fungujú ako vysielacie antény, zatiaľ čo káblové zväzky resolvera fungujú ako prijímacie antény. Keď sú zväzky resolvera vedené paralelne s napájacími káblami, vysokofrekvenčné elektromagnetické polia indukujú napätie priamo na zväzkoch.

2. Vodivá väzba Rušenie
vstupuje do systému resolvera cez budiace napájacie vedenia alebo napájací zdroj dosky dekodéra a potom sa spája so signálovou stranou.

3. Rozdiely zemného potenciálu
Veľké prúdy spôsobujú poklesy napätia na uzemňovacích dráhach alebo kovových krytoch, čím sa vytvárajú nerovnaké zemné potenciály medzi koncom rezolvera a koncom dekodéra, čím sa vytvárajú napätia v spoločnom režime.

4. Presluchy medzi vedeniami
Keď zväzky rozkladačov bežia paralelne s fázovými káblami, prípojnicami atď., parazitná kapacita a vzájomná indukčnosť medzi vedeniami prenášajú rušenie.

IV. Typické prejavy skreslenia

Na osciloskope sa sínusové/kosínusové signály pri silnom EMI môžu objaviť v nasledujúcich formách.

1. Vysokofrekvenčná glitch superpozícia
Na nosiči sa objavujú hroty a zvonenie synchronizované s hranami PWM. Je to preto, že vysokofrekvenčné prúdy generované počas spínacích momentov sa spájajú do signálových vedení prostredníctvom parazitnej kapacity. Amplitúdy poruchy môžu dosiahnuť desiatky mV alebo dokonca stovky mV, zatiaľ čo normálne amplitúdy diferenciálneho signálu sú zvyčajne len niekoľko voltov, čo vedie k výraznému poklesu SNR.

2. Šum zo spoločného režimu na diferenciálny režim
Diferenciálne signály sú teoreticky citlivé iba na rozdiel napätia medzi dvoma vodičmi a majú schopnosť odmietnutia rušenia v spoločnom režime. Skutočné káble, konektory a filtračné siete však nikdy nie sú dokonale symetrické. Keď vstúpi vysokofrekvenčné rušenie spoločného režimu, jeho časť sa premení na napätie v diferenciálnom režime a superponuje sa na sínusové/kosínusové signály. Tento šum sa na obálke často objavuje ako periodický 'fuzz'.

3. Orezávanie a saturácia
Keď je amplitúda rušenia veľká a vrchol superponovaného signálu presahuje vstupný rozsah RDC alebo napájacie koľajnice operačného zosilňovača, vrcholy kriviek sú 'orezané'. Orezávanie priamo ničí obálku sin/cos, čo spôsobuje vážne nelineárne chyby v dekódovanom uhle.

4. DC offset drift
Nízkofrekvenčné zložky v interferencii, prúdy zemnej slučky alebo usmerňovacie efekty môžu spôsobiť DC offset v signáli, čím sa tvar vlny stane asymetrickým. RDC dekódovanie typicky predpokladá čisté AC signály; posun vedie k chybám uhla a zvlneniu rýchlosti.

5. Harmonické skreslenie
Nelinearita magnetických materiálov a intermodulácia medzi interferenciou a budiacim nosičom generujú harmonické zložky. Keď harmonické vstúpia do RDC, môžu byť demodulované na harmonické chyby vysokého rádu v uhle, ktoré sa prejavujú ako zvlnenie krútiaceho momentu alebo šum.

6. Nevyváženosť amplitúdy sínus/kosínus a fázový posun
Ak majú dve signálové cesty pre sin a cos rôzne parametre filtra, dĺžky káblov alebo impedanciu kontaktov konektora, pri silnom rušení sú oba kanály ovplyvnené rozdielne, čo vedie k nesúladu amplitúdy alebo fázovému posunu. RDC vypočítava uhol na základe sinθ/cosθ; amplitúdová alebo fázová nevyváženosť priamo vytvára uhlové chyby.

V. Vplyv skreslenia na systém

Skreslenie signálu nie je len 'vizuálny problém' osciloskopu; priamo sa odráža na výkone systému:

·  Jitter uhlového výstupu : Hluk demodulovaný RDC spôsobuje vysokofrekvenčné chvenie v hodnote uhla, čím sa zosilňuje hluk spätnej väzby rýchlosti.

·  Periodické uhlové chyby : Skreslenie obalu a harmonické spôsobujú uhlové chyby, ktoré sa periodicky menia s polohou rotora, čo vedie k kolísaniu prúdu na osi dq a zvlneniu krútiaceho momentu.

·  Chyby a strata uzamknutia : Silné rušenie môže spôsobiť, že sledovacia slučka RDC stratí uzamknutie, čo má za následok skoky uhla a spustenie nadprúdovej alebo prepäťovej ochrany.

·  Zhoršenie výkonu systému : V elektrických vozidlách to môže viesť k zníženiu účinnosti motora, zvýšeným vibráciám a hluku a dokonca k ohrozeniu bezpečnosti vozidla.

VI. Ako identifikovať a riešiť problémy

Pri praktickom ladení môžu nasledujúce metódy rýchlo určiť, či sú signály resolvera ovplyvnené silným EMI:

· Na meranie S1-S3 a S2-S4  použite  diferenciálne sondy  , vyhnite sa sondám s jedným koncom, ktoré môžu vytvárať zemné slučky.

·  Súcasne sledujte budiaci signál aj výstupné signály, aby ste zistili, ci je cez budiacu stranu privádzané rušenie.

·  Porovnajte priebehy so stojacim motorom vs. bežiacim a so zapnutým a vypnutým PWM, aby ste zistili, či rušenie pochádza z napájacieho obvodu.

·  Použite FFT osciloskopu na analýzu interferenčného spektra a skontrolujte, či sa zhoduje s nosnou frekvenciou PWM alebo okrajovými harmonickými.

·  Zmerajte napätie v bežnom režime dvoch vedení voči zemi, aby ste posúdili úroveň rušenia v bežnom režime.

VII. Opatrenia na potlačenie

Potlačenie skreslenia vyžaduje súčasné úsilie na troch frontoch: zdroj rušenia, spojovacia dráha a prijímač.

1. Optimalizujte káblový zväzok a tienenie

·  Pre signálne vedenia rezolvera použite tienené krútené páry, pričom tienenie je uzemnené v jednom bode na konci dekodéra, aby ste sa vyhli zemným slučkám spôsobeným obojstranným uzemnením.

·  Signálne vedenia veďte oddelene od napájacích káblov, vyhýbajte sa dlhým paralelným vedeniam; ak sa kríženiu nedá vyhnúť, prekrížte ich kolmo.

·  V prípade potreby použite kovové vedenia alebo dvojvrstvové tienenie na zlepšenie účinnosti vysokofrekvenčného tienenia.

2. Filtrovanie a ochrana

·  Pridajte bežné tlmivky a RC dolnopriepustné filtre na vstup RDC na potlačenie šumu bežného režimu a vysokofrekvenčných porúch.

·  Medzná frekvencia filtra by mala byť vyššia ako frekvencia budenia resolvera, pričom by sa malo zabrániť nadmernému fázovému oneskoreniu, ktoré by inak zaviedlo nové uhlové chyby.

·  Pridajte ochranné zariadenia, ako sú elektrónky TVS, aby ste zabránili poškodeniu obvodov dekodéra prechodným prepätím.

3. Rozloženie a uzemnenie

·  Umiestnite dosku dekodéra čo najbližšie ku konektoru resolvera, aby ste skrátili stopy analógového signálu.

·  Oddeľte analógové uzemnenie od napájacieho uzemnenia a pripojte ich v jednom bode, aby ste zabránili pretekaniu veľkých prúdov cez analógové uzemnenie.

·  Pri výbere konektora dávajte pozor na kontinuitu tienenia a zabezpečte, aby sa tienenie na konektore neporušilo.

4. Liečba strany excitácie

·  Tienené skrútené páry použite aj pre budiace vedenia a pridajte k budiacemu zdroju filtrovanie.

·  Vyhnite sa zdieľaniu konektorov alebo zväzkov medzi budiacimi signálmi a napájacími káblami.

5. Systémové a algoritmické opatrenia

·  Vyberte si RDC čipy so silnou odolnosťou proti rušeniu, ako sú čipy so vstavanou synchrónnou demoduláciou a digitálnym filtrovaním.

·  V softvéri použite filtrovanie, obmedzenie rýchlosti a kontroly hodnovernosti na uhlový signál, aby ste predišli tomu, že jednotlivé interferenčné impulzy spôsobia anomálie v riadení.

·  Optimalizujte frekvenciu okrajov PWM a pridajte tlmiace obvody na zníženie rušenia pri zdroji.

VIII. Záver

Magnetorezistívny rozkladač je vo svojej podstate odolný snímač, ale jeho sínusové/kosínusové výstupy sú analógové signály nízkej úrovne, ktoré sú náchylné na skreslenie pri silnom EMI. Pochopenie zdrojov rušenia a spojovacích ciest a implementácia správneho tienenia, filtrovania, uzemnenia a usporiadania sú nevyhnutné na zabezpečenie presnosti a spoľahlivosti spätnej väzby uhla.

Pre inžinierov je priebeh na osciloskope najlepšou 'správou o zdravotnom stave'. Čím skôr sa skreslenie signálu zistí, tým nižšia je pravdepodobnosť systémových problémov.