Güçlü Elektromanyetik Girişim -EV Resolver Sensörü Altındaki İsteksizlik Tipi Çözücülerdeki Sin/Cos Sinyal Bozulmasının Analizi

Yeni enerji taşıtlarının elektrikli tahrikleri ve endüstriyel servolar gibi uygulamalarda relüktans tipi çözücüler motor rotor konum sensörleri olarak yaygın şekilde kullanılır. Yarı iletken çip içermezler, yüksek sıcaklıklara dayanırlar ve titreşime karşı dayanıklıdırlar; çok 'sağlam' görünürler. Bununla birlikte, birçok mühendis sahada kafa karıştırıcı bir sorunla karşılaşır: motor gücü arttığında ve PWM anahtarlama frekansı arttığında, çözümleyicinin sinüs/kosinüs çıkış sinyallerinde açı titreşimine, tork dalgalanmasına ve hatta kontrolör hatalarına yol açan aksaklıklar, düz tepelenme, zarf bozulması ve diğer anormallikler gelişir.

I. Normal Çözümleyici Sinüs/Kosinüs Sinyali Neye benziyor?

Relüktans tipi bir çözücünün yapısı nispeten basittir: stator, bir uyarma sargısı ve iki uzamsal olarak dik çıkış sargısını taşırken, rotor, sargısız, özel olarak şekillendirilmiş silikon çelik çıkıntılı kutuplardan yapılmıştır. Uyarma sargısına yüksek frekanslı sinüzoidal bir uyarma uygulanır:

Rotor açısı kadar döndüğünde θ , iki çıkış sargısı sırasıyla aşağıdakileri indükler:

Pratikte her sinyal diferansiyeldir, örneğin S1-S3 ve S2-S4. Görülebileceği gibi çözücü çıkışı, genliği rotor açısı  θ tarafından modüle edilen bir yüksek frekans taşıyıcısıdır  . Bir osiloskopta dalga biçimleri sırasıyla sinüs ve kosinüs açılarına göre değişen iki zarf olarak görünür.

Kod çözme çipi - Çözücüden Dijitale Dönüştürücü (RDC) - bu sinyalleri demodüle eder, zarfları çıkarır ve aracılığıyla açıyı hesaplar.  

II. Güçlü Elektromanyetik Parazit Nereden Geliyor?

Çözücü tipik olarak motor ucuna monte edilir ve tipik güçlü bir elektromanyetik girişim ortamıyla çevrilidir:

·  IGBT'lerin/MOSFET'lerin yüksek hızlı anahtarlaması : Motor kontrol cihazının PWM taşıyıcı frekansı genellikle birkaç kHz ila onlarca kHz aralığındadır, ancak anahtarlama kenarları yalnızca onlarca ila yüzlerce nanosaniyedir ve spektrumlar onlarca MHz'e kadar uzanır.

·  Güç baraları ve faz kabloları : Yüksek akım ve yüksek gerilimdeki hızlı değişimler güçlü elektrik ve manyetik alanlar oluşturur.

·  Kontaktör ve röle işlemleri : Ark ve geçici darbeler üretir.

·  Güç dönüştürücüler : Güç kaynaklarının değiştirilmesinden kaynaklanan dalgalanma ve harmonikler.

Bu girişimler çözümleyici sinyal hatlarına bağlandıktan sonra, normalde temiz olan sinüs/kosinüs sinyallerinin üzerine binerler.

III. Parazit Sinyal Zincirine Nasıl Girer?

Çözücü sinyal zincirine parazitin girdiği dört ana yol vardır:

1. Işınımsal bağlantı
Güç hatları ve anahtarlama düğümleri verici antenler gibi davranırken, çözümleyici kablo demetleri alıcı antenler gibi davranır. Çözücü kablo demetleri güç kablolarına paralel olarak yönlendirildiğinde, yüksek frekanslı elektromanyetik alanlar doğrudan kablo demetleri üzerinde voltaj indükler.

2. İletken bağlantı
Parazit, uyarma güç kaynağı hatları veya kod çözücü kartı güç kaynağı yoluyla çözümleyici sisteme girer ve ardından sinyal tarafına bağlanır.

3. Toprak potansiyeli farklılıkları
Büyük akımlar, toprak izlerinde veya metal muhafazalarda voltaj düşüşlerine neden olarak, çözümleyici ucu ile kod çözücü ucu arasında eşit olmayan toprak potansiyelleri oluşturarak ortak mod voltajları oluşturur.

4. Hatlar arasında çapraz karışma
Çözümleyici kablo demetleri faz kablolarına, baralara vb. paralel çalıştığında, parazitik kapasitans ve hatlar arasındaki karşılıklı endüktans paraziti ortadan kaldırır.

IV. Bozulmanın Tipik Belirtileri

Bir osiloskopta güçlü EMI altındaki sinüs/kosinüs sinyalleri aşağıdaki şekillerde görünebilir.

1. Yüksek frekanslı aksaklık süperpozisyonu
Taşıyıcıda PWM kenarlarıyla senkronize sivri uçlar ve çınlamalar görünüyor. Bunun nedeni, anahtarlama anları sırasında üretilen yüksek frekanslı akımların parazitik kapasitans aracılığıyla sinyal hatlarına bağlanmasıdır. Arıza genlikleri onlarca mV'ye, hatta yüzlerce mV'ye ulaşabilirken, normal diferansiyel sinyal genlikleri tipik olarak yalnızca birkaç volttur ve bu da SNR'de önemli bir düşüşe neden olur.

2. Ortak moddan diferansiyel mod gürültüsüne
Diferansiyel sinyaller teorik olarak yalnızca iki kablo arasındaki voltaj farkına duyarlıdır ve ortak mod girişimine karşı reddetme kapasitesine sahiptir. Ancak gerçek kablolar, konektörler ve filtre ağları hiçbir zaman tam anlamıyla simetrik değildir. Yüksek frekanslı ortak mod girişimi girdiğinde, bunun bir kısmı diferansiyel mod voltajına dönüştürülür ve sinüs/kosinüs sinyallerinin üzerine bindirilir. Bu gürültü genellikle zarfın üzerinde periyodik 'tüylenme' olarak görünür.

3. Kırpma ve doygunluk
Parazit genliği büyük olduğunda ve üst üste binen sinyal tepe noktası RDC giriş aralığını veya op-amp besleme raylarını aştığında, dalga biçimi üst kısımları 'kırpılır.' Kırpma doğrudan sinüs/cos zarfını yok eder ve kodu çözülen açıda ciddi doğrusal olmayan hatalara neden olur.

4. DC ofset kayması
Girişimdeki düşük frekanslı bileşenler, toprak döngüsü akımları veya düzeltme etkileri, sinyalde bir DC ofsetine neden olarak dalga biçimini asimetrik hale getirebilir. RDC kod çözme tipik olarak saf AC sinyallerini varsayar; ofset açı hatalarına ve hız dalgalanmasına yol açar.

5. Harmonik distorsiyon
Manyetik malzemelerin doğrusal olmaması ve girişim ile uyarma taşıyıcısı arasındaki intermodülasyon, harmonik bileşenler üretir. Harmonikler RDC'ye girdiğinde açıda yüksek dereceli harmonik hatalara dönüştürülebilir ve tork dalgalanması veya gürültü olarak ortaya çıkabilir.

6. Sinüs/kosinüs genlik dengesizliği ve faz kayması
Sinüs ve kosinüs için iki sinyal yolu farklı filtre parametrelerine, kablo uzunluklarına veya konnektör kontak empedanslarına sahipse, iki kanal güçlü girişim altında farklı şekilde etkilenir, bu da genlik uyumsuzluğuna veya faz kaymasına neden olur. RDC açıyı sinθ/cosθ'ya göre hesaplar; genlik veya faz dengesizliği doğrudan açı hataları üretir.

V. Bozulmanın Sistem Üzerindeki Etkisi

Sinyal bozulması osiloskopta yalnızca 'görsel bir sorun' değildir; doğrudan sistem performansına yansır:

·  Açı çıkışı titreşimi : RDC tarafından demodüle edilen gürültü, açı değerinde yüksek frekanslı titreşime neden olarak hız geri besleme gürültüsünü artırır.

·  Periyodik açı hataları : Zarf distorsiyonu ve harmonikler, rotor konumuna göre periyodik olarak değişen açı hatalarına neden olarak dq ekseninde akım dalgalanmalarına ve tork dalgalanmasına yol açar.

·  Arızalar ve kilit kaybı : Şiddetli girişim, RDC izleme döngüsünün kilidini kaybetmesine neden olabilir, bu da açı sıçramalarına ve aşırı akım veya aşırı gerilim korumasını tetiklemeye neden olabilir.

·  Sistem performansında bozulma : Elektrikli araçlarda bu durum motor verimliliğinin azalmasına, titreşim ve gürültünün artmasına ve hatta araç güvenliğinin tehlikeye atılmasına neden olabilir.

VI. Nasıl Tanımlanır ve Sorun Giderilir

Pratik hata ayıklamada, aşağıdaki yöntemler çözümleyici sinyallerinin güçlü EMI'dan etkilenip etkilenmediğini hızlı bir şekilde belirleyebilir:

· S1-S3 ve S2-S4'ü ölçmek için  kullanın  diferansiyel problar  ve toprak döngülerine neden olabilecek tek uçlu problardan kaçının.

·  Uyarma tarafından girişimin gelip gelmediğini belirlemek için hem uyarma sinyalini hem de çıkış sinyallerini aynı anda gözlemleyin.

·  Parazitin güç devresinden kaynaklanıp kaynaklanmadığını belirlemek için dalga formlarını motorun sabit ve çalışır durumda olmasıyla ve PWM'nin açık ve kapalı olmasıyla karşılaştırın.

·  Girişim spektrumunu analiz etmek için osiloskobun FFT'sini kullanın ve bunun PWM taşıyıcı frekansı veya kenar harmonikleriyle çakışıp çakışmadığını kontrol edin.

·  Ortak mod girişim seviyesini değerlendirmek için iki hattın toprağa olan ortak mod voltajını ölçün.

VII. Bastırma Tedbirleri

Distorsiyonun bastırılması üç cephede eşzamanlı çaba gerektirir: girişim kaynağı, bağlantı yolu ve alıcı.

1. Kablo demetini ve korumayı optimize edin

·  Çözümleyici sinyal hatları için, çift uçlu topraklamanın neden olduğu topraklama döngülerini önlemek amacıyla, ekran kod çözücü ucunda tek bir noktada topraklanmış şekilde, ekranlanmış bükümlü çiftler kullanın.

·  Uzun paralel çalışmalardan kaçınarak sinyal hatlarını güç kablolarından ayrı olarak yönlendirin; Geçiş kaçınılmazsa, bunları dik olarak çaprazlayın.

·  Gerekirse, yüksek frekanslı korumanın etkinliğini artırmak için metal kablo kanalları veya çift katmanlı koruma kullanın.

2. Filtreleme ve koruma

·  Ortak mod gürültüsünü ve yüksek frekanslı aksaklıkları bastırmak için RDC girişine ortak mod bobinleri ve RC alçak geçiş filtreleri ekleyin.

·  Filtre kesme frekansı, çözümleyici uyarma frekansından daha yüksek olmalı ve aşırı faz gecikmesinden kaçınılmalıdır, aksi takdirde yeni açı hatalarına neden olabilir.

·  Geçici aşırı gerilimlerin dekoder devresine zarar vermesini önlemek için TVS tüpleri gibi koruma cihazları ekleyin.

3. Yerleşim ve topraklama

·  Analog sinyal izlerini kısaltmak için kod çözücü kartını çözücü konektörüne mümkün olduğunca yakın yerleştirin.

·  Büyük akımların analog topraktan akmasını önlemek için analog toprağı güç toprağından ayırın ve bunları tek bir noktaya bağlayın.

·  Konnektör seçiminde blendajın sürekliliğine dikkat edin, konnektörde blendajın kırılmamasına dikkat edin.

4. Uyarma tarafı tedavisi

·  Uyartım hatları için de korumalı bükümlü çiftler kullanın ve uyartım güç kaynağına filtreleme ekleyin.

·  Uyarma sinyalleri ve güç kabloları arasındaki konnektörleri veya donanımları paylaşmaktan kaçının.

5. Sistem ve algoritmik önlemler

·  Yerleşik senkron demodülasyon ve dijital filtreleme gibi güçlü anti-parazit özelliğine sahip RDC çiplerini seçin.

·  Yazılımda, bireysel girişim darbelerinin kontrol anormalliklerine neden olmasını önlemek için açı sinyaline filtreleme, hız sınırlama ve uygunluk kontrolleri uygulayın.

·  PWM kenar dönüş hızlarını optimize edin ve kaynaktaki paraziti azaltmak için bastırma devreleri ekleyin.

VIII. Çözüm

Manyetodirençli çözümleyici doğası gereği sağlam bir sensördür, ancak sinüs/kosinüs çıkışları, güçlü EMI altında bozulmaya duyarlı düşük seviyeli analog sinyallerdir. Parazit kaynaklarını ve bağlantı yollarını anlamak ve uygun koruma, filtreleme, topraklama ve yerleşimi uygulamak, açı geri bildiriminin doğruluğunu ve güvenilirliğini sağlamak için çok önemlidir.

Mühendisler için osiloskoptaki dalga formu en iyi 'sağlık raporudur'. Sinyal bozulması ne kadar erken tespit edilirse sistem sorunlarının olasılığı o kadar düşük olur.