การวิเคราะห์ความผิดเพี้ยนของสัญญาณ Sin/Cos ในรีโซลเวอร์ประเภทฝืนใจภายใต้การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง - เซ็นเซอร์รีโซลเวอร์ EV

ในการใช้งานต่างๆ เช่น ไดรฟ์ไฟฟ้าของยานพาหนะพลังงานใหม่และเซอร์โวทางอุตสาหกรรม ประเภทฝืน รีโซลเวอร์ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์มอเตอร์ พวกมันไม่มีชิปเซมิคอนดักเตอร์ ทนทานต่ออุณหภูมิสูง และต้านทานการสั่นสะเทือน โดยพวกมันจะ 'ทนทาน' มาก อย่างไรก็ตาม วิศวกรหลายคนประสบปัญหาที่น่าสงสัยที่ไซต์งาน: เมื่อกำลังของมอเตอร์เพิ่มขึ้นและความถี่ในการสลับ PWM เพิ่มขึ้น สัญญาณเอาท์พุตไซน์/โคไซน์ของตัวรีโซลเวอร์จะเกิดข้อผิดพลาด การทับหน้าแบน การบิดเบี้ยวของซองจดหมาย และความผิดปกติอื่นๆ ซึ่งนำไปสู่การกระวนกระวายใจของมุม แรงบิดกระเพื่อม และแม้แต่ข้อผิดพลาดของตัวควบคุม

I. สัญญาณรีโซลเวอร์ไซน์/โคไซน์ปกติมีลักษณะอย่างไร

โครงสร้างของรีโซลเวอร์ประเภทฝืนค่อนข้างง่าย: สเตเตอร์มีขดลวดกระตุ้นและขดลวดเอาท์พุตตั้งฉากเชิงพื้นที่ 2 เส้น ในขณะที่โรเตอร์ทำจากเสาเด่นที่ทำจากเหล็กซิลิคอนที่มีรูปทรงพิเศษโดยไม่มีขดลวด การกระตุ้นแบบไซน์ซอยด์ความถี่สูงถูกนำไปใช้กับขดลวดกระตุ้น:

เมื่อโรเตอร์หมุนเป็นมุม θ ขดลวดเอาท์พุตทั้งสองจะเหนี่ยวนำตามลำดับ:

ในทางปฏิบัติ แต่ละสัญญาณมีความแตกต่างกัน เช่น S1-S3 และ S2-S4 ดังที่เห็นได้ว่า ของรีโซลเวอร์คือพาหะความถี่สูง ซึ่งแอมพลิจูดถูกมอดูเลตโดยมุมโรเตอร์  θ  เอาต์พุต บนออสซิลโลสโคป รูปคลื่นจะปรากฏเป็นซองจดหมายสองอันซึ่งแปรผันตามมุมเป็นไซน์และโคไซน์ตามลำดับ

ชิปถอดรหัส - ตัวแปลงตัวแก้ไขเป็นดิจิทัล (RDC) - สาธิตสัญญาณเหล่านี้ แยกซองจดหมาย และคำนวณมุมผ่าน  

ครั้งที่สอง การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงมาจากไหน

โดยทั่วไปรีโซลเวอร์จะติดตั้งอยู่ที่ปลายมอเตอร์ ซึ่งล้อมรอบด้วยสภาพแวดล้อมการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงโดยทั่วไป:

·  การสลับ IGBT/MOSFET ความเร็วสูง : ความถี่พาหะ PWM ของตัวควบคุมมอเตอร์มักจะอยู่ในช่วงไม่กี่ kHz ถึงสิบ kHz แต่ขอบการสลับจะมีเพียงสิบถึงหลายร้อยนาโนวินาที โดยสเปกตรัมขยายได้ถึงหลายสิบ MHz

·  บัสบาร์กำลังและสายเคเบิลเฟส : การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของกระแสสูงและไฟฟ้าแรงสูงจะสร้างสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กแรงสูง

·  การทำงานของคอนแทคเตอร์และรีเลย์ : สร้างอาร์ซิ่งและพัลส์ชั่วคราว

·  ตัวแปลงกำลัง : ระลอกคลื่นและฮาร์โมนิกจากแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

เมื่อสัญญาณรบกวนเหล่านี้จับคู่กับสายสัญญาณรีโซลเวอร์แล้ว สัญญาณเหล่านั้นจะซ้อนทับกับสัญญาณไซน์/โคไซน์ที่สะอาด

ที่สาม การรบกวนเข้าสู่ห่วงโซ่สัญญาณอย่างไร

มีสี่เส้นทางหลักที่การรบกวนเข้าสู่ห่วงโซ่สัญญาณรีโซลเวอร์:

1. Radiative Coupling
สายไฟและโหนดสวิตชิ่งทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศส่งสัญญาณ ในขณะที่ชุดสายไฟรีโซลเวอร์ทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศรับสัญญาณ เมื่อชุดสายไฟรีโซลเวอร์ถูกส่งขนานกับสายไฟ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงจะเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าโดยตรงบนชุดสายไฟ

2. การคัปปลิ้งแบบนำไฟฟ้า การ รบกวน
เข้าสู่ระบบรีโซลเวอร์ผ่านสายจ่ายไฟกระตุ้นหรือแหล่งจ่ายไฟของบอร์ดถอดรหัส จากนั้นต่อเข้ากับด้านสัญญาณ

3. ความต่างศักย์ไฟฟ้าของกราวด์
กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกบนรอยกราวด์หรือตัวเรือนโลหะ ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้ากราวด์ไม่เท่ากันระหว่างปลายรีโซลเวอร์และปลายตัวถอดรหัส ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในโหมดทั่วไป

4. ครอสทอล์คระหว่างบรรทัด
เมื่อรีโซลเวอร์ชุดบังเหียนทำงานขนานกับสายเคเบิลเฟส บัสบาร์ ฯลฯ ความจุปรสิตและการเหนี่ยวนำร่วมกันระหว่างบรรทัดควบคู่กับการรบกวน

IV. ลักษณะทั่วไปของการบิดเบือน

บนออสซิลโลสโคป สัญญาณไซน์/โคไซน์ภายใต้ EMI ที่แรงอาจปรากฏในรูปแบบต่อไปนี้

1. การซ้อนทับข้อผิดพลาดความถี่สูง
Spikes และเสียงเรียกเข้าที่ซิงโครไนซ์กับขอบ PWM จะปรากฏบนพาหะ นี่เป็นเพราะกระแสความถี่สูงที่สร้างขึ้นระหว่างการสลับโมเมนต์คู่กันเป็นสายสัญญาณผ่านความจุของปรสิต แอมพลิจูดของกลิทช์อาจสูงถึงสิบ mV หรือหลายร้อย mV ในขณะที่แอมพลิจูดของสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลปกติจะมีเพียงไม่กี่โวลต์ ส่งผลให้ SNR ลดลงอย่างมาก

2. สัญญาณรบกวนจากโหมดร่วมถึงโหมดดิฟเฟอเรนเชียล
ตามทฤษฎีแล้ว มีความไวเฉพาะกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสายไฟทั้งสองเส้นเท่านั้น และมีความสามารถในการปฏิเสธสัญญาณรบกวนจากโหมดร่วม อย่างไรก็ตาม สายเคเบิล ตัวเชื่อมต่อ และเครือข่ายตัวกรองที่เกิดขึ้นจริงไม่เคยมีความสมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบเลย เมื่อสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปความถี่สูงเข้ามา ส่วนหนึ่งของสัญญาณจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าโหมดดิฟเฟอเรนเชียลและซ้อนทับบนสัญญาณไซน์/โคไซน์ เสียงนี้มักปรากฏเป็น 'คลุมเครือ' เป็นระยะๆ บนซองจดหมาย

3. การตัดทอนและความอิ่มตัวของสี
เมื่อแอมพลิจูดของการรบกวนมีขนาดใหญ่ และจุดสูงสุดของสัญญาณที่ซ้อนทับเกินช่วงอินพุต RDC หรือรางจ่ายไฟของ op-amp ยอดรูปคลื่นจะถูก 'ถูกตัดออก' การตัดสัญญาณจะทำลายซองจดหมาย sin/cos โดยตรง ทำให้เกิดข้อผิดพลาดแบบไม่เชิงเส้นอย่างรุนแรงในมุมที่ถอดรหัส

4. ดริฟท์ออฟเซ็ต DC
ส่วนประกอบความถี่ต่ำในการรบกวน กระแสกราวด์กราวด์ หรือเอฟเฟกต์การแก้ไขอาจทำให้เกิดออฟเซ็ต DC ในสัญญาณ ทำให้รูปคลื่นไม่สมมาตร โดยทั่วไปการถอดรหัส RDC จะถือว่าสัญญาณ AC บริสุทธิ์ การชดเชยนำไปสู่ข้อผิดพลาดของมุมและการกระเพื่อมความเร็ว

5. การบิดเบือนฮาร์มอนิก
ความไม่เชิงเส้นของวัสดุแม่เหล็กและการปรับระหว่างสัญญาณรบกวนและตัวพาการกระตุ้นจะสร้างส่วนประกอบฮาร์มอนิก เมื่อฮาร์โมนิคเข้าสู่ RDC พวกมันอาจถูกดีมอดูเลตเป็นข้อผิดพลาดฮาร์มอนิกลำดับสูงในมุม โดยแสดงออกมาเป็นแรงบิดกระเพื่อมหรือสัญญาณรบกวน

6. ความไม่สมดุลของแอมพลิจูดของไซน์/โคไซน์และการเปลี่ยนเฟส
หากเส้นทางสัญญาณทั้งสองสำหรับ sin และ cos มีพารามิเตอร์ตัวกรอง ความยาวสายเคเบิล หรืออิมพีแดนซ์หน้าสัมผัสของตัวเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน ทั้งสองช่องจะได้รับผลกระทบที่แตกต่างกันภายใต้การรบกวนที่รุนแรง ส่งผลให้แอมพลิจูดไม่ตรงกันหรือการเปลี่ยนเฟส RDC คำนวณมุมโดยยึดตาม sinθ/cosθ; ความไม่สมดุลของแอมพลิจูดหรือเฟสทำให้เกิดข้อผิดพลาดของมุมโดยตรง

V. ผลกระทบของการบิดเบือนต่อระบบ

ความบิดเบี้ยวของสัญญาณไม่ได้เป็นเพียง 'ปัญหาด้านการมองเห็น' บนออสซิลโลสโคปเท่านั้น มันสะท้อนถึงประสิทธิภาพของระบบโดยตรง:

·  ความกระวนกระวายใจของเอาต์พุตมุม : สัญญาณรบกวนที่ถูกแยกส่วนโดย RDC ทำให้เกิดความกระวนกระวายใจความถี่สูงในค่ามุม ซึ่งจะขยายเสียงตอบรับความเร็ว

·  ข้อผิดพลาดของมุมเป็นระยะ : การบิดเบือนของเอนเวโลปและฮาร์โมนิคทำให้เกิดข้อผิดพลาดของมุมซึ่งเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ ตามตำแหน่งของโรเตอร์ ทำให้เกิดความผันผวนของกระแสในแกน dq และแรงบิดกระเพื่อม

·  ข้อผิดพลาดและการสูญเสียการล็อค : การรบกวนอย่างรุนแรงอาจทำให้ลูปการติดตาม RDC สูญเสียการล็อค ส่งผลให้มุมกระโดดและกระตุ้นการป้องกันกระแสเกินหรือแรงดันไฟฟ้าเกิน

·  การลดประสิทธิภาพของระบบ : ในยานพาหนะไฟฟ้า สิ่งนี้อาจส่งผลให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์ลดลง การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น และอาจส่งผลต่อความปลอดภัยของยานพาหนะด้วย

วี. วิธีการระบุและแก้ไขปัญหา

ในการดีบักในทางปฏิบัติ วิธีการต่อไปนี้สามารถระบุได้อย่างรวดเร็วว่าสัญญาณรีโซลเวอร์ได้รับผลกระทบจาก EMI ที่แรงหรือไม่:

·  ใช้  ดิฟเฟอเรนเชียลโพรบ  ในการวัด S1-S3 และ S2-S4 โดยหลีกเลี่ยงโพรบปลายเดี่ยวที่อาจนำลูปกราวด์

·  สังเกตทั้งสัญญาณกระตุ้นและสัญญาณเอาท์พุตพร้อมกันเพื่อตรวจสอบว่ามีการรบกวนผ่านด้านกระตุ้นหรือไม่

·  เปรียบเทียบรูปคลื่นกับมอเตอร์ที่อยู่นิ่งกับกำลังทำงาน และระหว่างการเปิดและปิด PWM เพื่อพิจารณาว่าสัญญาณรบกวนนั้นมาจากวงจรกำลังหรือไม่

·  ใช้ FFT ของออสซิลโลสโคปเพื่อวิเคราะห์สเปกตรัมการรบกวนและตรวจสอบว่าเกิดขึ้นพร้อมกับความถี่พาหะ PWM หรือฮาร์โมนิกของขอบหรือไม่

·  วัดแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมของสองบรรทัดลงกราวด์เพื่อประเมินระดับการรบกวนในโหมดทั่วไป

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว มาตรการปราบปราม

การปราบปรามการบิดเบือนต้องใช้ความพยายามพร้อมกันในสามด้าน: แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน เส้นทางการเชื่อมต่อ และตัวรับสัญญาณ

1. เพิ่มประสิทธิภาพชุดสายไฟและตัวป้องกัน

·  ใช้คู่ตีเกลียวแบบมีชีลด์สำหรับสายสัญญาณรีโซลเวอร์ โดยที่ชีลด์ต่อสายดินที่จุดเดียวที่ปลายตัวถอดรหัส เพื่อหลีกเลี่ยงลูปกราวด์ที่เกิดจากการต่อสายดินแบบปลายคู่

·  เดินสายสัญญาณแยกจากสายไฟ หลีกเลี่ยงการวิ่งขนานกันเป็นเวลานาน หากหลีกเลี่ยงไม่ได้ให้ข้ามไปในแนวตั้งฉาก

·  หากจำเป็น ให้ใช้ท่อร้อยสายโลหะหรือระบบป้องกัน 2 ชั้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกันความถี่สูง

2. การกรองและการป้องกัน

·  เพิ่มโช้คโหมดทั่วไปและตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน RC ที่อินพุต RDC เพื่อลดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปและข้อผิดพลาดความถี่สูง

·  ความถี่คัตออฟตัวกรองควรสูงกว่าความถี่การกระตุ้นรีโซลเวอร์ ในขณะที่หลีกเลี่ยงการหน่วงเฟสมากเกินไป ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดของมุมใหม่ได้

·  เพิ่มอุปกรณ์ป้องกัน เช่น ท่อ TVS เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวไม่ให้สร้างความเสียหายให้กับวงจรตัวถอดรหัส

3. เค้าโครงและการต่อสายดิน

·  วางบอร์ดถอดรหัสให้ใกล้กับขั้วต่อรีโซลเวอร์มากที่สุดเพื่อลดร่องรอยของสัญญาณอนาล็อก

·  แยกกราวด์อนาล็อกออกจากกราวด์แหล่งจ่าย โดยเชื่อมต่อไว้ที่จุดเดียวเพื่อป้องกันไม่ให้กระแสขนาดใหญ่ไหลผ่านกราวด์อนาล็อก

·  ใส่ใจกับความต่อเนื่องของชีลด์ในการเลือกคอนเนคเตอร์ เพื่อให้แน่ใจว่าชีลด์จะไม่ขาดที่คอนเนคเตอร์

4. การรักษาด้านการกระตุ้น

·  ใช้คู่บิดเกลียวแบบมีชิลด์สำหรับสายกระตุ้นด้วย และเพิ่มการกรองให้กับพาวเวอร์ซัพพลายกระตุ้น

·  หลีกเลี่ยงการใช้ขั้วต่อหรือสายรัดร่วมกันระหว่างสัญญาณกระตุ้นและสายไฟ

5. มาตรการระบบและอัลกอริธึม

·  เลือกชิป RDC ที่มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่ง เช่น ชิปที่มีการดีโมดูเลชั่นแบบซิงโครนัสในตัวและการกรองแบบดิจิทัล

·  ในซอฟต์แวร์ ใช้การกรอง การจำกัดอัตรา และการตรวจสอบความน่าเชื่อถือกับสัญญาณมุม เพื่อป้องกันไม่ให้พัลส์รบกวนแต่ละตัวทำให้เกิดความผิดปกติของการควบคุม

·  ปรับอัตราการสเลว์ของขอบ PWM ให้เหมาะสม และเพิ่มวงจรลดขนาดเพื่อลดสัญญาณรบกวนที่แหล่งกำเนิด

8. บทสรุป

ตัวรีโซลเวอร์แบบต้านทานสนามแม่เหล็กโดยเนื้อแท้แล้วเป็นเซนเซอร์ที่ทนทาน แต่เอาต์พุตไซน์/โคไซน์ของมันเป็นสัญญาณอะนาล็อกระดับต่ำที่ไวต่อการบิดเบือนภายใต้ EMI ที่แรง การทำความเข้าใจแหล่งที่มาของการรบกวนและเส้นทางการเชื่อมต่อ และการใช้การป้องกัน การกรอง การต่อสายดิน และการจัดวางที่เหมาะสม ถือเป็นสิ่งสำคัญในการรับรองความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของการตอบสนองของมุม

สำหรับวิศวกร รูปคลื่นบนออสซิลโลสโคปคือ 'รายงานสถานภาพ' ที่ดีที่สุด หากตรวจพบการบิดเบือนของสัญญาณก่อนหน้านี้ ความน่าจะเป็นของปัญหาระบบก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น