Nový výber snímača rozdeľovača motora hlavného pohonu energie: Päť technických úsudkov, ktoré je ľahké podceniť

Pre výber snímača polohy v motoroch hlavného pohonu, resolver je takmer nevyhnutný. Ale samotný 'výber resolvera' nie je náročný. Zložité je urobiť niekoľko úsudkov za údajovým listom, ktoré skutočne určujú výkon sériovej výroby: či sa páry pólov zhodujú s motorom, do akej miery sa dá dôverovať údaju presnosti, aké prevádzkové podmienky použiť na overenie teploty a vibrácií, či je správne zladený dekódovací reťazec a akú úroveň funkčnej bezpečnosti treba dosiahnuť. Každý z týchto piatich problémov stačí na to, aby projekt vyzeral úplne normálne vo fáze prototypu a zároveň odhalil problémy v hromadnej výrobe alebo v extrémnych podmienkach.

Najprv si ujasnite: prečo sa aplikácie hlavného disku stále nedokážu vyhnúť resolverom

V dôsledku vysokých teplôt, znečistenia olejom a silného elektromagnetického rušenia v priestore motora sú kódovacie disky a optočleny optických kódovačov vo svojej podstate krehké, zatiaľ čo riešenia založené na Hallovi sa snažia splniť požiadavky na presnosť a konzistenciu riadenia hlavného pohonu. Podstatou resolvera je elektromagnetický transformátor: na rotore nie sú žiadne elektronické komponenty. Spolieha sa čisto na variáciu magnetickej väzby medzi budiacim vinutím statora a salienciou rotora na výstup sínusových a kosínusových obalových signálov, pričom celé spracovanie signálu je dokončené na strane statora a v dekódovacom obvode. Táto štruktúra „pasívneho rotora“ určuje, že jej spodné limity teplotnej odolnosti, odolnosti voči oleju a odolnosti voči vibráciám sú oveľa vyššie ako u riešení, ktoré sa spoliehajú na aktívne komponenty na rotore.

To však neznamená, že resolver je optimálny v každej dimenzii. Jeho nedostatky sú rovnako jasné: je výrazne ovplyvnený zmenami v konštrukcii motora a jeho platformová kompatibilita je horšia ako riešenia s vírivými prúdmi. Vo vznikajúcich scenároch, ako sú 800V systémy a ultra vysoké rýchlosti, postupne získavajú trakciu snímače polohy s vírivým prúdom. Predpokladom pre výber resolvera je teda to, že hlavná aplikácia pohonu kladie väčší dôraz na 'trvalú spoľahlivosť v drsnom prostredí' ako na 'flexibilitu opätovného použitia platformy'. Ak platí tento predpoklad, nasledujúcich päť úsudkov je skutočne zmysluplných.

Úsudok 1: Párovanie pólov nie je len o 'párovaní'

Páry pólov rozkladača musia mať jasný vzťah s pármi pólov motora, ale samotné 'zarovnanie' má dve veľmi odlišné implementačné stratégie s výrazne odlišnými nákladmi.

Preferované riešenie je RPP = MPP (páry pólov rezolvera sa rovnajú párom pólov motora).  Hlavné hnacie motory osobných automobilov majú zvyčajne 4 až 10 párov pólov. Zosúladenie párov pólov rozkladača s nimi zabraňuje zosilneniu chýb pri obrábaní a montáži pármi pólov motora a poskytuje vyššiu presnosť v ustálenom stave pre riadenie FOC. Toto je najpresnejšia cesta za cenu potreby prispôsobenia resolvera pre každý motor, čo má za následok nízku zhodnosť platforiem.

Druhým je RPP = 1 (jednopólový párový resolver, kompromis platformy).  Výhodou je, že jeden resolver môže pokryť viacero motorov, ale chyby, ako je mechanická excentricita a montážna odchýlka, sú znásobené pólovými pármi motora a je obzvlášť pravdepodobné, že sa prejavia ako zvlnenie krútiaceho momentu v oblasti zoslabovania vysokorýchlostného poľa. Ak sa zvolí táto cesta, musí byť v konštrukčných toleranciách a montážnych procesoch vyhradená dostatočná rezerva presnosti, aby sa 'absorboval' zosilňovací efekt. V opačnom prípade, bez ohľadu na to, ako dobre vyzerá elektrická presnosť v údajovom liste, bude po inštalácii na motor spotrebovaná mechanickými chybami.

Úsudok 2: Rozdeľte číslo presnosti; mechanická chyba je často hlavným prispievateľom

'Elektrická chyba ±X oblúkových minút' v údajovom liste sa meria za ideálnych podmienok inštalácie a nastavenia. Po skutočnej inštalácii na motor zdroje chýb zahŕňajú prinajmenšom excentricitu inštalácie, axiálnu vôľu a nesúososť statora a rotora, z ktorých každá prispieva k celkovej chybe.

To znamená, že častou chybou pri výbere je opakované porovnávanie presnosti samotného resolvera, pričom chýba rovnako dôsledná kontrola tolerančného reťazca na montážnom rozhraní. Split resolvery so samostatne namontovaným statorom a rotorom kladú vyššie požiadavky na konštrukčný návrh a montážne procesy, ale sú priestorovo efektívnejšie; integrované rozkladače sa ľahšie montujú, ale stoja väčší objem. Tento kompromis by sa mal zablokovať počas fázy štrukturálnej revízie, a nie pokúšať sa ho napraviť po obrábaní 'prepnutím na presnejší resolver'. Keď je mechanická presnosť nedostatočná, žiadny dekódovací čip nemôže zachrániť výsledok.

Z pohľadu priemyselného porovnania je elektrická chyba bežných rozkladačov premenlivej reluktancie automobilovej triedy zhruba v rozsahu ±25′ až ±30′ a niektoré optimalizované návrhy môžu dosiahnuť nižšie hodnoty v skutočných meraniach. Skutočná otázka pri výbere znie: za akých podmienok inštalácie bolo toto číslo získané? Môže môj reťazec štrukturálnej tolerancie zachovať rovnaké podmienky?

Úsudok 3: Overte teplotu a vibrácie v 'najhorších prevádzkových podmienkach', ale oblasť s vysokými poruchami často nie je telom rozkladača

Spodná hranica prevádzkovej teploty pre resolvery hnacieho motora sa zvyčajne vyžaduje na pokrytie -40 °C, zatiaľ čo hornú hranicu nemožno určiť priemernou teplotou krytu motora. Miesta v blízkosti vinutí sú oveľa teplejšie ako kryt. Horné teplotné limity bežných produktov pre automobilový priemysel v priemysle sú distribuované v rozsahu 150 °C až 155 °C a scenáre v blízkosti zdrojov tepla vyžadujú overenie s vyššou rezervou. Vibrácie a otrasy by sa tiež mali kontrolovať kus po položke oproti profilom náhodných vibrácií a mechanických otrasov v automobiloch, nielen vyhovieť absolvovaním statických testov pri izbovej teplote.

Čo sa však ľahšie podceňuje ako teplotná odolnosť telesa, je  spojovacia časť . V skutočných projektoch, kde sa vyskytujú anomálie signálu, značnú časť nepredstavujú poruchy vinutia resolvera alebo magnetického obvodu, ale degradácia tesnenia, zlý kontakt alebo rušenie medzi vodičmi v olovených zväzkoch a konektoroch pri teplotných cykloch a vibráciách. Ak výber iba overí teplotné hodnotenie tela resolvera, pričom výber materiálu zväzku, utesnenie konektora a odľahčenie ťahu ponecháva na neskoršiu manipuláciu 'podľa potreby', najslabší článok v reťazci spoľahlivosti je ponechaný na úplný koniec.

Rozsudok 4: Elektrické parametre a dekódovací reťazec sa musia porovnať v tej istej tabuľke

Rezolver vydáva amplitúdovo modulované sínusové a kosínusové signály na nosnej frekvencii. Informácie o uhle sú skryté v obálke a musia byť demodulované predtým, ako sa z nich stane digitálny uhol použiteľný MCU. Voľba schémy dekódovania priamo ukladá reverzné obmedzenia na elektrické parametre tela resolvera.

Tvrdé dekódovanie (čip RDC)  sleduje vyhradenú trasu prevodníka na digitálny prevodník s typickým rozlíšením 12 až 16 bitov a latenciou sledovania v rozsahu desiatok až stoviek mikrosekúnd. Má vstavanú vyspelú slučku PLL a nespotrebováva takmer žiadny výpočtový výkon MCU, vďaka čomu je vhodný pre sériovo vyrábané platformy s prísnymi kalibračnými plánmi. Cena je pevná šírka pásma slučky, ktorú nemožno hlboko prispôsobiť dynamickým charakteristikám konkrétneho motora.

Mäkké dekódovanie (DSADC + softvérový algoritmus)  eliminuje externý RDC a využíva delta-sigma ADC na čipe MCU na priame vzorkovanie signálov s moduláciou amplitúdy, po čom softvér dokončí celý výpočet. Vysoký pomer prevzorkovania a digitálne filtrovanie DSADC môže posunúť kvantovací šum na vysoké frekvencie a dosiahnuť vysoký pomer signálu k šumu pre nízkofrekvenčnú obálku na nosnej frekvencii 5–10 kHz, pričom si zachováva flexibilitu pri úprave parametrov výpočtu pre dynamické charakteristiky motora. Náklady predstavujú obsadenie výpočtového výkonu MCU a vývojových zdrojov a kvalita riešenia vo veľkej miere závisí od vyspelosti softvéru.

Bez ohľadu na to, ktorá cesta sa vyberie, parametre, ktoré sa musia pri výbere zosúladiť, zahŕňajú aspoň: budiacu frekvenciu (hlavné RDC pokrývajú budiaci rozsah 2 kHz až 20 kHz a typické rozkladače sú dimenzované blízko 10 kHz), transformačný pomer (bežne v rozsahu 0,286 až 0,5), impedanciu budenia a schopnosť dekódovania pohonu a vstupný rozsah. Dôsledky nesúladu zisku sú priame: nedostatočná amplitúda zhoršuje pomer signálu k šumu, zatiaľ čo saturácia amplitúdy spôsobuje orezanie tvaru vlny. V oboch prípadoch je informácia o uhle skreslená. Porovnanie údajového listu resolvera s manuálom dekódovacieho čipu položku po položke v štádiu hardvérovej schémy stojí len pol dňa a ušetrí neskoršie nekonečné ladenie.

Úsudok 5: Funkčná bezpečnosť nekončí 'výberom modelu s hodnotením ASIL'

Hlavný snímač polohy pohonu je počiatočným bodom uzavretej slučky riadenia krútiaceho momentu. Akonáhle uhlový signál zlyhá, dôsledky siahajú od kolísania krútiaceho momentu až po prerušenie výkonu alebo neúmyselný krútiaci moment. Úvahy o funkčnej bezpečnosti sa preto nemôžu zastaviť na úrovni 'dodávateľ požaduje podporu pre ASIL X'; musia byť implementované do špecifického návrhu  jednobodových porúch a redundantnej architektúry.

Odvetvovou štandardnou praxou je dosiahnutie ASIL C (SEooC) na úrovni tela resolvera alebo snímacieho prvku a podpora celkového systému pri dosahovaní ASIL D prostredníctvom redundantného dizajnu na úrovni systému – dvojkanálové vinutia, duálne dekódovacie reťazce alebo paralelné overenie 'odhadu fyzického senzora + bezsenzorového krytu' Otázky, ktoré je potrebné položiť pri výbere dodávateľa zahŕňajú: Ktoré bezpečnostné režimy zlyhania dodávateľa zahŕňajú? Aké je diagnostické pokrytie? Ak sa použije dvojkanálová schéma, ako je zabezpečená nezávislosť týchto dvoch kanálov a ako sú vylúčené zlyhania so spoločnou príčinou? Tieto otázky sú zvyčajne neviditeľné v porovnávacích tabuľkách špecifikácií, ale priamo určujú, či je možné uzavrieť argument funkčnej bezpečnosti.

Vráťme sa k zmyslu pre poriadok pri výbere

Po spojení týchto piatich úsudkov je logika výberu v skutočnosti jasná:  najprv určte stratégiu párovania pólov (prvá presnosť alebo platforma), potom zaistite reťazec tolerancie konštrukčného tvaru a inštalácie, potom overte teplotu a vibrácie v najhorších podmienkach a zahrňte časť pripojenia do rovnakého kontrolného zoznamu spoľahlivosti, potom zosúlaďte elektrické parametre a reťazec dekódovania ako jeden systém a nakoniec použite požiadavky na funkčnú bezpečnosť na spätnú kontrolu, či je platná redundantná architektúra.  Po týchto piatich krokoch zvyčajne zostane iba jeden alebo dva kandidátske modely a rozdiely medzi týmito jedným alebo dvoma sú časťou, ktorá skutočne stojí za to venovať čas porovnávaniu prototypov.

Rozkladač nie je jedinou voľbou pre snímače polohy hlavného pohonu, ale v projektoch sériovej výroby hlavného pohonu, kde sú spoľahlivosť a tolerancia voči životnému prostrediu najvyššími prioritami, je rozkladač stále komponentom, ktorý treba 'správne vybrať' a nie 'vybrať náhodne.' Kľúčom k správnemu výberu nie je najvýraznejšia hodnota presnosti v údajovom liste, ale to, či sa na začiatku projektu seriózne riešilo päť vyššie uvedených úsudkov.