Анализа изобличења Син/Цос сигнала у резолверима релуктантног типа под јаким електромагнетним сметњама - ЕВ сензор резолвера

У апликацијама као што су електрични погони за возила са новом енергијом и индустријски серво, релуктантног типа резолвери се широко користе као сензори положаја ротора мотора. Они не садрже полупроводничке чипове, издржавају високе температуре и отпорни су на вибрације – изгледају веома „храпави“. Међутим, многи инжењери се сусрећу са загонетним проблемом на лицу места: када се снага мотора повећа и ПВМ преклопна фреквенција порасте, синусни/косинусни излазни сигнали резолвера развијају кварове, раван дистор, доводе до коверта и других таласање обртног момента, па чак и грешке контролера.

И. Како изгледа синусни/косинусни сигнал нормалног резолвера?

Структура резолвера релуктантног типа је релативно једноставна: статор носи побудни намотај и два просторно ортогонална излазна намотаја, док је ротор направљен од посебно обликованих истакнутих полова од силицијум-челика без намотаја. Високофреквентна синусоидна побуда се примењује на побудни намотај:

Када се ротор ротира за угао θ , два излазна намотаја индукују респективно:

У пракси, сваки сигнал је диференцијалан, нпр. С1-С3 и С2-С4. Као што се може видети, излаз резолвера је носилац високе фреквенције чија је амплитуда модулисана углом ротора  θ  . На осцилоскопу, таласни облици се појављују као две коверте које варирају са углом као синус и косинус, респективно.

Чип за декодирање - Ресолвер-то-Дигитал Цонвертер (РДЦ) - демодулира ове сигнале, издваја коверте и израчунава угао преко  

ИИ. Одакле долазе јаке електромагнетне сметње

Ресолвер је обично монтиран на крају мотора, окружен типичним јаким електромагнетним сметњама:

·  Брзо пребацивање ИГБТ/МОСФЕТ-а : ПВМ носећа фреквенција контролера мотора је обично у опсегу од неколико кХз до десетина кХз, али су ивице пребацивања само десетине до стотине наносекунди, са спектром који се протеже до десетина МХз.

·  Електричне сабирнице и фазни каблови : Брзе промене у високој струји и високом напону стварају јака електрична и магнетна поља.

·  Операције контактора и релеја : Производе лучне и пролазне импулсе.

·  Енергетски претварачи : таласање и хармоници од прекидачких извора напајања.

Када се ове сметње споје са сигналним линијама резолвера, оне се преклапају са иначе чистим синусним/косинусним сигналима.

ИИИ. Како сметње улазе у ланац сигнала

Постоје четири главна пута кроз које сметње улазе у сигнални ланац резолвера:

1. Радијативна спрега
Водови за напајање и комутациони чворови делују као антене за пренос, док каблови резолвера делују као пријемне антене. Када се свежањ резолвера усмерава паралелно са кабловима за напајање, високофреквентна електромагнетна поља индукују напоне директно на кабловима.

2. Кондуктивна спрега
Интерференција улази у систем резолвера преко водова за напајање побуде или напајања декодерске плоче, а затим се спаја на страну сигнала.

3. Разлике потенцијала уземљења
Велике струје изазивају пад напона на траговима уземљења или металним кућиштима, стварајући неједнаке потенцијале уземљења између краја резолвера и краја декодера, формирајући напоне заједничког мода.

4. Преслушавање између водова
Када се свежањ резолвера одвија паралелно са фазним кабловима, сабирницама, итд., паразитски капацитет и међусобна индуктивност између водова спајају сметње.

ИВ. Типичне манифестације изобличења

На осцилоскопу, синусни/косинусни сигнали под јаким ЕМИ могу се појавити у следећим облицима.

1. Суперпозиција високофреквентних грешака
На носачу се појављују шиљци и звоњење синхронизовано са ПВМ ивицама. То је зато што се високофреквентне струје генерисане током момената пребацивања спајају у сигналне линије преко паразитне капацитивности. Амплитуде грешака могу достићи десетине мВ или чак стотине мВ, док су нормалне амплитуде диференцијалног сигнала типично само неколико волти, што доводи до значајног пада СНР.

2. Шум од заједничког до диференцијалног мода
Диференцијални сигнали су теоретски осетљиви само на разлику напона између две жице и имају способност одбијања од сметњи заједничког мода. Међутим, стварни каблови, конектори и мреже филтера никада нису савршено симетрични. Када уђу високофреквентне сметње заједничког мода, део се претвара у напон диференцијалног мода и суперпонира на синусне/косинусне сигнале. Ова бука се често појављује као периодична „мушка“ на коверти.

3. Клиповање и засићење
Када је амплитуда сметње велика, а суперпоновани пик сигнала премашује РДЦ улазни опсег или шине за напајање оп-амп, врхови таласног облика су „исјечени“. Клиповање директно уништава син/цос омотач, изазивајући озбиљне нелинеарне грешке у декодираном углу.

4. Одступање једносмерне струје
Нискофреквентне компоненте у интерференцији, струје петље уземљења или ефекти исправљања могу да изазову ДЦ оффсет у сигналу, чинећи таласни облик асиметричним. РДЦ декодирање обично претпоставља чисте АЦ сигнале; офсет доводи до грешака у угловима и таласања брзине.

5. Хармоничка дисторзија
Нелинеарност магнетних материјала и интермодулација између интерференције и носиоца побуде стварају хармонијске компоненте. Када хармоници уђу у РДЦ, могу се демодулирати у хармонијске грешке високог реда у углу, које се манифестују као таласање обртног момента или шум.

6. Неравнотежа синусне/косинусне амплитуде и фазни помак
Ако два пута сигнала за син и цос имају различите параметре филтера, дужине каблова или контактне импедансе конектора, на два канала различито утиче јака сметња, што доводи до неусклађености амплитуде или померања фазе. РДЦ израчунава угао на основу синθ/цосθ; неравнотежа амплитуде или фазе директно производи грешке углова.

В. Утицај дисторзије на систем

Изобличење сигнала није само 'визуелни проблем' на осцилоскопу; то се директно одражава на перформансе система:

·  Угаоно подрхтавање излаза : Шум који демодулира РДЦ изазива високофреквентно подрхтавање вредности угла, појачавајући шум повратне спреге о брзини.

·  Периодичне грешке углова : Изобличење омотача и хармоници узрокују грешке углова које периодично варирају у зависности од положаја ротора, што доводи до флуктуација струје на дк-оси и таласања обртног момента.

·  Грешке и губитак закључавања : Озбиљне сметње могу довести до губитка блокаде РДЦ петље за праћење, што резултира скоковима угла и активирањем заштите од прекомерне струје или пренапона.

·  Смањење перформанси система : У електричним возилима, ово може довести до смањене ефикасности мотора, повећане вибрације и буке, па чак и угрожавања безбедности возила.

ВИ. Како идентификовати и решити проблеме

У практичном отклањању грешака, следеће методе могу брзо да утврде да ли на сигнале резолвера утиче јак ЕМИ:

·  Користите  диференцијалне сонде  за мерење С1-С3 и С2-С4, избегавајући једностране сонде које могу довести до уземљења.

·  Посматрајте истовремено и побудни сигнал и излазне сигнале да бисте утврдили да ли се сметње уносе кроз побудну страну.

·  Упоредите таласне облике са мотором који мирује у односу на рад, и са укљученим ПВМ-ом и искљученим, да бисте утврдили да ли сметње потичу из струјног кола.

·  Користите ФФТ осцилоскопа да анализирате спектар интерференције и проверите да ли се поклапа са ПВМ носећом фреквенцијом или ивичним хармоницима.

·  Измерите напон заједничког мода две линије према земљи да бисте проценили ниво интерференције заједничког мода.

ВИИ. Мере сузбијања

Сузбијање изобличења захтева истовремене напоре на три фронта: извор сметњи, путања спреге и пријемник.

1. Оптимизујте свежањ ожичења и заштиту

·  Користите оклопљене упредене парице за сигналне линије резолвера, са оклопом уземљеним у једној тачки на крају декодера да бисте избегли петље уземљења узроковане двостраним уземљењем.

·  Спроведите сигналне водове одвојено од каблова за напајање, избегавајући дуге паралелне вожње; ако је укрштање неизбежно, пређите их управно.

·  Ако је потребно, користите металне водове или двослојну заштиту да бисте побољшали ефикасност високофреквентне заштите.

2. Филтрирање и заштита

·  Додајте пригушнице заједничког режима и РЦ нископропусне филтере на РДЦ улаз да бисте сузбили шум заједничког режима и високофреквентне грешке.

·  Гранична фреквенција филтера треба да буде виша од фреквенције побуде резолвера уз избегавање прекомерног кашњења фазе, које би иначе довело до нових грешака у угловима.

·  Додајте заштитне уређаје као што су ТВС цеви да бисте спречили да пролазни пренапони оштете кола декодера.

3. Распоред и уземљење

·  Поставите плочу декодера што је могуће ближе конектору резолвера да бисте скратили трагове аналогног сигнала.

·  Одвојите аналогно уземљење од струјног уземљења, повезујући их у једну тачку како бисте спречили да велике струје теку кроз аналогно уземљење.

·  Обратите пажњу на континуитет штита при избору конектора, водећи рачуна да штит није сломљен на конектору.

4. Третман узбудне стране

·  Користите оклопљене упредене парице и за побудне водове и додајте филтрирање у напајање побуде.

·  Избегавајте дељење конектора или каблова између побудних сигнала и каблова за напајање.

5. Системске и алгоритамске мере

·  Изаберите РДЦ чипове са јаком способношћу против сметњи, као што су они са уграђеном синхроном демодулацијом и дигиталним филтрирањем.

·  У софтверу, примените филтрирање, ограничење брзине и провере веродостојности сигнала угла да бисте спречили да појединачни импулси интерференције узрокују аномалије у контроли.

·  Оптимизујте ПВМ ивице напона и додајте пригушиваче како бисте смањили сметње на извору.

ВИИИ. Закључак

Магнеторезитивни резолвер је инхерентно робустан сензор, али његови синусни/косинусни излази су аналогни сигнали ниског нивоа који су подложни изобличењу под јаким електромагнетским зрачењем. Разумевање извора сметњи и путева спајања, као и спровођење одговарајуће заштите, филтрирања, уземљења и распореда, су од суштинског значаја за обезбеђивање тачности и поузданости повратне спреге углова.

За инжењере, таласни облик на осцилоскопу је најбољи „извештај о здравственом стању“. Што се раније детектује изобличење сигнала, мања је вероватноћа системских проблема.