Analiza popačenja signala Sin/Cos v Reluctance-Resolverjih pod močnimi elektromagnetnimi motnjami - EV Resolver Sensor

V aplikacijah, kot so električni pogoni novih energetskih vozil in industrijski servo motorji, reluktančni tip se pogosto uporabljajo kot senzorji položaja rotorja motorja. Ne vsebujejo polprevodniških čipov, vzdržijo visoke temperature in so odporni na tresljaje – zdijo se zelo 'robutni'. Vendar se mnogi inženirji na kraju samem srečajo z zagonetnim problemom: ko se moč motorja poveča in frekvenca preklapljanja PWM naraste, sinusni/kosinusni izhodni signali razreševalca povzročijo napake, ploski vrh, popačenje ovojnice in druge anomalije, ki vodijo do kota tresenje, valovanje navora in celo napake krmilnika.

I. Kako je videti običajni sinusni/kosinusni signal razreševalnika?

Zgradba rezolverja reluktančnega tipa je razmeroma preprosta: stator nosi vzbujevalno navitje in dve prostorsko pravokotni izhodni navitji, medtem ko je rotor izdelan iz posebej oblikovanih izstopajočih polov iz silicijevega jekla brez navitij. Na vzbujalno navitje se uporabi visokofrekvenčno sinusno vzbujanje:

Ko se rotor zavrti za kot θ , inducirata obe izhodni navitji:

V praksi je vsak signal diferencialni, npr. S1-S3 in S2-S4. Kot lahko vidite, je izhod razreševalnika visokofrekvenčni nosilec, katerega amplituda je modulirana s kotom rotorja  θ  . Na osciloskopu so valovne oblike videti kot dve ovojnici, ki se spreminjata s kotom kot sinus in kosinus.

Čip za dekodiranje - pretvornik iz razločevalnika v digitalni (RDC) - demodulira te signale, ekstrahira ovojnice in izračuna kot prek  

II. Od kod prihajajo močne elektromagnetne motnje

Razločevalnik je običajno nameščen na koncu motorja, obdan s tipičnim močnim okoljem elektromagnetnih motenj:

·  Visokohitrostno preklapljanje IGBT/MOSFET-jev : nosilna frekvenca PWM krmilnika motorja je običajno v območju od nekaj kHz do deset kHz, vendar so preklopni robovi le desetine do stotine nanosekund, s spektri, ki segajo do desetine MHz.

·  Napajalne zbiralke in fazni kabli : hitre spremembe visokega toka in visoke napetosti ustvarjajo močna električna in magnetna polja.

·  Delovanje kontaktorjev in relejev : Proizvaja obločne in prehodne impulze.

·  Močnostni pretvorniki : Valovanje in harmoniki iz stikalnih napajalnikov.

Ko se te motnje povežejo s signalnimi linijami razreševalnika, se prekrivajo s sicer čistimi sinusnimi/kosinusnimi signali.

III. Kako interferenca vstopi v signalno verigo

Obstajajo štiri glavne poti, po katerih motnje vstopijo v signalno verigo razreševalnika:

1. Radiacijska sklopka
Električni vodi in stikalna vozlišča delujejo kot oddajne antene, medtem ko kabelski snopi razločevalca delujejo kot sprejemne antene. Ko so kabelski snopi razreševalnika speljani vzporedno z električnimi kabli, visokofrekvenčna elektromagnetna polja inducirajo napetosti neposredno na kabelskih snopih.

2. Prevodna sklopka
. Motnje vstopijo v sistem razreševalnika prek napajalnih vodov vzbujanja ali napajanja dekodirne plošče in se nato povežejo na signalno stran.

3. Razlike v ozemljitvenem potencialu
Veliki tokovi povzročajo padce napetosti na ozemljitvenih sledovih ali kovinskih ohišjih, kar ustvarja neenake ozemljitvene potenciale med koncem razreševalnika in koncem dekoderja, kar tvori skupne napetosti.

4. Preslušavanje med linijami
Ko kabelski snop razreševalnika poteka vzporedno s faznimi kabli, zbiralkami itd., parazitska kapacitivnost in medsebojna induktivnost med linijama preklapljata med motnjami.

IV. Tipične manifestacije distorzije

Na osciloskopu se sinusni/kosinusni signali pod močnim EMI lahko pojavijo v naslednjih oblikah.

1. Visokofrekvenčna superpozicija napak
Na nosilcu se pojavijo konice in zvonjenje, sinhronizirano z robovi PWM. To je zato, ker se visokofrekvenčni tokovi, ki nastanejo med preklopnimi trenutki, povezujejo v signalne linije prek parazitske kapacitivnosti. Amplitude napak lahko dosežejo desetine mV ali celo stotine mV, medtem ko so običajne amplitude diferencialnih signalov običajno le nekaj voltov, kar povzroči znaten padec SNR.

2. Šum navadnega in diferencialnega načina
Diferencialni signali so teoretično občutljivi le na napetostno razliko med obema žicama in imajo zmožnost zavrnitve skupnih motenj. Vendar pa dejanski kabli, priključki in filtrirna omrežja nikoli niso popolnoma simetrični. Ko vstopi visokofrekvenčna skupna motnja, se del te motnje pretvori v diferencialno napetost in prekrije s sinusnimi/kosinusnimi signali. Ta šum se na ovojnici pogosto pojavlja kot občasni 'mehki'.

3. Izrezovanje in nasičenost
Ko je amplituda motenj velika in superponirani vrh signala presega vhodni obseg RDC ali napajalne tirnice operacijskega ojačevalnika, so vrhovi valovne oblike 'izrezani'. Izrezovanje neposredno uniči sin/cos ovojnico, kar povzroči resne nelinearne napake v dekodiranem kotu.

4. Odmik enosmernega toka
Nizkofrekvenčne komponente v interferenci, tokovi ozemljitvene zanke ali učinki usmerjanja lahko povzročijo enosmerni odmik v signalu, zaradi česar je valovna oblika asimetrična. RDC dekodiranje običajno predvideva čiste AC signale; zamik vodi do kotnih napak in valovanja hitrosti.

5. Harmonično popačenje
Nelinearnost magnetnih materialov in intermodulacija med interferenco in nosilcem vzbujanja ustvarjata harmonične komponente. Ko harmoniki vstopijo v RDC, se lahko demodulirajo v harmonične napake visokega reda v kotu, kar se kaže kot valovanje navora ali hrup.

6. Neuravnoteženost sinusne/kosinusne amplitude in fazni zamik
Če imata obe signalni poti za sin in cos različne parametre filtra, dolžine kablov ali kontaktne impedance konektorja, močne motnje različno vplivajo na dva kanala, kar povzroči neujemanje amplitude ali fazni zamik. RDC izračuna kot na podlagi sinθ/cosθ; amplitudno ali fazno neravnovesje neposredno povzroči kotne napake.

V. Vpliv izkrivljanja na sistem

Popačenje signala ni samo 'vizualna težava' na osciloskopu; neposredno vpliva na delovanje sistema:

·  Trepetanje kotnega izhoda : Šum, ki ga demodulira RDC, povzroči visokofrekvenčno tresenje v vrednosti kota, kar poveča šum povratne informacije o hitrosti.

·  Periodične kotne napake : popačenje ovojnice in harmoniki povzročajo kotne napake, ki se občasno spreminjajo s položajem rotorja, kar vodi do nihanj toka na osi dq in valovanja navora.

·  Napake in izguba zaklepanja : Hude motnje lahko povzročijo, da sledilna zanka RDC izgubi zaklep, kar ima za posledico skoke kota in sprožitev pretokovne ali prenapetostne zaščite.

·  Poslabšanje zmogljivosti sistema : pri električnih vozilih lahko to privede do zmanjšane učinkovitosti motorja, povečanih vibracij in hrupa ter celo ogrozi varnost vozila.

VI. Kako prepoznati in odpraviti težave

Pri praktičnem odpravljanju napak lahko naslednje metode hitro ugotovijo, ali na signale razreševalnika vpliva močan EMI:

·  Uporabite  diferencialne sonde  za merjenje S1-S3 in S2-S4, izogibajte se enostranskim sondam, ki lahko povzročijo ozemljitvene zanke.

·  Hkrati opazujte vzbujevalni signal in izhodne signale, da ugotovite, ali je motnja vnesena prek vzbujalne strani.

·  Primerjajte valovne oblike pri mirujočem in delujočem motorju ter pri vklopu in izklopu PWM, da ugotovite, ali motnje izvirajo iz napajalnega tokokroga.

·  Uporabite FFT osciloskopa za analizo interferenčnega spektra in preverite, ali sovpada z nosilno frekvenco PWM ali robnimi harmoniki.

·  Izmerite skupno napetost obeh linij proti ozemljitvi, da ocenite raven motenj skupnega načina.

VII. Ukrepi zatiranja

Zmanjšanje popačenja zahteva sočasna prizadevanja na treh straneh: vir motenj, povezovalna pot in sprejemnik.

1. Optimizirajte kabelski snop in oklop

·  Uporabite oklopljene sukane parice za signalne linije razreševalnika, pri čemer je oklop ozemljen na eni točki na koncu dekoderja, da se izognete ozemljitvenim zankam, ki jih povzroči ozemljitev z dvojnim koncem.

·  Napeljite signalne vode ločeno od napajalnih kablov in se izogibajte dolgim ​​vzporednim potekom; če se križanju ni mogoče izogniti, jih prečkajte pravokotno.

·  Po potrebi uporabite kovinske cevi ali dvoslojni ščit, da izboljšate učinkovitost visokofrekvenčnega ščita.

2. Filtriranje in zaščita

·  Dodajte dušilke skupnega načina in nizkoprepustne filtre RC na vhodu RDC za zatiranje hrupa skupnega načina in visokofrekvenčnih motenj.

·  Mejna frekvenca filtra mora biti višja od frekvence vzbujanja razreševalnika, hkrati pa se je treba izogniti pretirani fazni zakasnitvi, ki bi sicer povzročila nove kotne napake.

·  Dodajte zaščitne naprave, kot so cevi TVS, da preprečite, da bi prehodne prenapetosti poškodovale vezje dekoderja.

3. Postavitev in ozemljitev

·  Dekodirno ploščo postavite čim bližje konektorju razreševalnika, da skrajšate sledi analognega signala.

·  Ločite analogno ozemljitev od napajalne ozemljitve in ju povežite na eni točki, da preprečite pretok velikih tokov skozi analogno ozemljitev.

·  Pri izbiri konektorja bodite pozorni na neprekinjenost oklopa in zagotovite, da oklop ni prelomljen na konektorju.

4. Zdravljenje strani vzbujanja

·  Za vzbujevalne vode uporabite tudi oklopljene sukane parice in napajalniku vzbujanja dodajte filtriranje.

·  Izogibajte se skupni uporabi konektorjev ali snopov med vzbujevalnimi signali in napajalnimi kabli.

5. Sistemske in algoritemske mere

·  Izberite RDC čipe z močno zmogljivostjo proti motnjam, kot so tisti z vgrajeno sinhrono demodulacijo in digitalnim filtriranjem.

·  V programski opremi uporabite filtriranje, omejevanje hitrosti in preverjanje verodostojnosti signala kota, da preprečite, da bi posamezni interferenčni impulzi povzročili anomalije krmiljenja.

·  Optimizirajte robne stopnje obračanja PWM in dodajte dušilna vezja za zmanjšanje motenj pri izvoru.

VIII. Zaključek

Magnetorezivni razreševalec je sam po sebi robusten senzor, vendar so njegovi sinusni/kosinusni izhodi analogni signali nizke ravni, ki so dovzetni za popačenje pri močnem EMI. Razumevanje virov motenj in povezovalnih poti ter izvajanje ustrezne zaščite, filtriranja, ozemljitve in postavitve so bistvenega pomena za zagotavljanje točnosti in zanesljivosti kotnih povratnih informacij.

Za inženirje je valovna oblika na osciloskopu najboljše 'zdravstveno poročilo'. Prej kot je zaznano popačenje signala, manjša je verjetnost sistemskih težav.