Yeni Enerji Ana Tahrik Motoru Çözümleyici Sensör Seçimi: Hafife Alınması Kolay Beş Mühendislik Kararı

Ana tahrik motorlarında konum sensörü seçimi için, çözümleyici neredeyse kaçınılmazdır. Ancak 'çözümleyiciyi seçmek' kendi başına zor değildir. Zor olan, veri sayfasının arkasında seri üretim performansını gerçekten belirleyen birkaç karara varmaktır: kutup çiftlerinin motorla eşleşip eşleşmediği, doğruluk rakamına ne kadar güvenileceği, sıcaklık ve titreşim doğrulaması için hangi çalışma koşullarının kullanılacağı, kod çözme zincirinin uygun şekilde eşleşip eşleşmediği ve hangi işlevsel güvenlik seviyesine ulaşılması gerektiği. Bu beş konunun her biri, bir projenin prototip aşamasında son derece normal görünmesine, seri üretimde veya aşırı koşullar altında sorunları ortaya çıkarmasına yetiyor.

Öncelikle şunu açıklığa kavuşturun: ana sürücü uygulamalarının neden hâlâ çözümleyicilerden kaçınamadığı

Yüksek sıcaklıklar, yağ kirliliği ve motor bölmesindeki güçlü elektromanyetik girişim karşısında, optik kodlayıcıların kod diskleri ve optokuplörleri doğası gereği kırılgandır; Hall tabanlı çözümler ise ana sürücü kontrolünün doğruluk ve tutarlılık gereksinimlerini karşılamakta zorlanır. Çözücünün özü bir elektromanyetik transformatördür: rotorda elektronik bileşen yoktur. Tüm sinyal işlemenin stator tarafında ve kod çözme devresinde tamamlandığı, sinüs ve kosinüs zarf sinyallerinin çıkışı için tamamen stator uyarma sargısı ile rotor çıkıntısı arasındaki manyetik bağlantı değişimine dayanır. Bu 'pasif rotor' yapısı, sıcaklık direnci, yağ direnci ve titreşim direncine ilişkin alt limitlerinin, rotordaki aktif bileşenlere dayanan çözümlerden çok daha yüksek olduğunu belirler.

Ancak bu, çözümleyicinin her boyutta optimal olduğu anlamına gelmez. Eksiklikleri de aynı derecede açıktır: Motor tasarımındaki değişikliklerden önemli ölçüde etkilenir ve platform uyumluluğu girdap akımı çözümlerine göre daha düşüktür. 800V sistemler ve ultra yüksek hızlar gibi yeni ortaya çıkan senaryolarda, girdap akımı konum sensörleri giderek ilgi kazanıyor. Bu nedenle, bir çözümleyici seçmenin dayanağı, ana sürücü uygulamasının 'platformun yeniden kullanım esnekliği' yerine 'zorlu ortamlarda sürdürülebilir güvenilirliğe' daha fazla ağırlık vermesidir. Bu önerme geçerliyse, aşağıdaki beş karar gerçekten anlamlıdır.

Karar 1: Kutup çifti eşleşmesi sadece 'eşleşme' ile ilgili değildir

Çözümleyici kutup çiftlerinin, motor kutup çiftleriyle açık bir ilişkiye sahip olması gerekir, ancak 'hizalamanın' kendisi, önemli ölçüde farklı maliyetlere sahip, çok farklı iki uygulama stratejisine sahiptir.

Tercih edilen çözüm RPP = MPP'dir (çözümleyici kutup çiftleri motor kutup çiftlerine eşittir).  Binek araç ana tahrik motorları tipik olarak 4 ila 10 kutup çiftine sahiptir. Çözücü kutup çiftlerinin bunlarla eşleştirilmesi, işleme ve montaj hatalarının motor kutup çiftleri tarafından yükseltilmesini önler ve FOC kontrolü için daha yüksek kararlı durum doğruluğu sağlar. Bu, çözümleyicinin her motor için özelleştirilmesinin gerekmesi pahasına, düşük platform ortaklığına yol açan, doğruluk öncelikli yoldur.

Diğeri ise RPP = 1'dir (tek kutuplu çift çözümleyici, platform uzlaşması).  Bunun avantajı, bir çözümleyicinin birden fazla motoru kapsayabilmesidir, ancak mekanik eksantriklik ve montaj sapması gibi hatalar, motor kutup çiftleriyle çarpılır ve özellikle yüksek hızlı alan zayıflama bölgesinde tork dalgalanması olarak görünme olasılığı yüksektir. Bu rota seçilirse, yapısal toleranslarda ve montaj süreçlerinde amplifikasyon etkisini 'absorbe etmek' için yeterli doğruluk payının ayrılması gerekir. Aksi takdirde, veri sayfasında elektriksel doğruluk ne kadar iyi görünürse görünsün, motora takıldığında mekanik hatalar nedeniyle tükenecektir.

Karar 2: Doğruluk rakamını parçalayın; Mekanik hata genellikle ana etkendir

Bir veri sayfasındaki 'elektrik hatası ±X arkdakikası' ideal kurulum ve hizalama koşulları altında ölçülür. Motora gerçek kurulumdan sonra hata kaynakları arasında en azından kurulum eksantrikliği, eksenel boşluk ve stator-rotor yanlış hizalaması da yer alır ve bunların her biri toplam hataya katkıda bulunur.

Bu, montaj arayüzündeki tolerans zincirinin eşit derecede titiz bir şekilde gözden geçirilmesinden yoksunken, çözümleyicinin doğruluğunu tekrar tekrar karşılaştırmak yaygın bir seçim hatası olduğu anlamına gelir. Ayrı olarak monte edilmiş stator ve rotora sahip bölünmüş çözümleyiciler, yapısal tasarım ve montaj süreçlerine daha fazla talep getirir ancak yerden daha tasarrufludur; entegre çözümleyicilerin montajı daha kolaydır ancak daha fazla hacme mal olur. Bu ödünleşim, işleme sonrasında 'daha yüksek doğruluklu bir çözümleyiciye geçiş yaparak' düzeltmeye çalışmak yerine, yapısal inceleme aşamasında kilitlenmelidir. Mekanik doğruluk yetersiz olduğunda, hiçbir kod çözme çipi sonucu kurtaramaz.

Endüstri karşılaştırması açısından bakıldığında, ana akım otomotiv sınıfı değişken isteksizlik çözümleyicilerin elektrik hatası kabaca ±25′ ila ±30′ aralığındadır ve bazı optimize edilmiş tasarımlar, gerçek ölçümlerde daha düşük değerlere ulaşabilir. Seçim sırasındaki asıl soru şudur: Bu rakam hangi kurulum koşullarında elde edildi? Yapısal tolerans zincirim aynı koşulları koruyabilir mi?

Karar 3: 'En kötü çalışma koşulları' altında sıcaklığı ve titreşimi doğrulayın, ancak yüksek arızalı alan genellikle çözümleyicinin gövdesi değildir

Tahrik motoru çözümleyicileri için alt çalışma sıcaklığı sınırının genellikle -40°C'yi kapsaması gerekirken üst sınır, motor gövdesinin ortalama sıcaklığına göre belirlenemez. Sargılara yakın yerler mahfazadan çok daha sıcaktır. Sektördeki ana akım otomotiv sınıfı ürünlerin sıcaklık üst sınırları 150°C ila 155°C aralığına dağılmıştır ve ısı kaynaklarına yakın senaryolar daha yüksek marjla doğrulama gerektirir. Titreşim ve şok da aynı şekilde, yalnızca oda sıcaklığında statik testlerden geçilerek karşılanmamalı, aynı şekilde otomotiv rastgele titreşim ve mekanik şok profillerine göre de parça parça kontrol edilmelidir.

Ancak gövdenin sıcaklık direncinden daha kolay küçümsenen şey  bağlantı kısmıdır . Sinyal anormalliklerinin meydana geldiği gerçek projelerde, bunların önemli bir kısmı çözücü sargıları veya manyetik devre arızalarından değil, conta bozulmasından, zayıf temastan veya sıcaklık döngüsü ve titreşim altında kablo demetleri ve konnektörlerdeki kablolar arası girişimden kaynaklanmaktadır. Eğer seçim sadece çözümleyici gövdesinin sıcaklık derecesini doğruluyorsa ve kablo demeti malzemesi seçimini, konnektör sızdırmazlığını ve gerilim azaltmayı daha sonra 'gerektiğinde' ele almak üzere bırakıyorsa, güvenilirlik zincirindeki en zayıf halka en sona bırakılır.

Karar 4: Elektriksel parametreler ve kod çözme zinciri aynı tabloda karşılaştırılmalıdır

Çözücü, bir taşıyıcı üzerinde genlik modülasyonlu sinüs ve kosinüs sinyallerinin çıktısını verir. Açı bilgisi zarfın içinde gizlidir ve MCU tarafından kullanılabilen dijital bir açı haline getirilmeden önce demodüle edilmesi gerekir. Kod çözme şemasının seçimi, çözümleyici gövdesinin elektriksel parametrelerine doğrudan ters kısıtlamalar getirir.

Sabit kod çözme (RDC çipi),  12 ila 16 bitlik tipik çözünürlük ve onlarca ila yüzlerce mikrosaniye aralığında izleme gecikmesi ile özel çözümleyiciden dijitale dönüştürücü yolunu izler. Yerleşik olgun bir PLL döngüsüne sahiptir ve neredeyse hiç MCU bilgi işlem gücü tüketmez, bu da onu sıkı kalibrasyon programlarına sahip seri üretim platformları için uygun hale getirir. Maliyet, belirli bir motorun dinamik özelliklerine göre derinlemesine özelleştirilemeyen sabit döngü bant genişliğidir.

Yumuşak kod çözme (DSADC + yazılım algoritması)  , harici RDC'yi ortadan kaldırır ve genlik modülasyonlu sinyalleri doğrudan örneklemek için MCU'nun çip üzerindeki delta-sigma ADC'sini kullanır, ardından yazılım tüm hesaplamayı tamamlar. DSADC'nin yüksek aşırı örnekleme oranı ve dijital filtrelemesi, niceleme gürültüsünü yüksek frekanslara itebilir ve 5-10 kHz'lik bir taşıyıcı üzerinde düşük frekans zarfı için yüksek bir sinyal-gürültü oranı elde ederken, motor dinamik özelliklerine yönelik hesaplama parametrelerini ayarlama esnekliğini korur. Maliyet, MCU bilgi işlem gücünün ve geliştirme kaynaklarının kullanılmasıdır ve çözüm kalitesi büyük ölçüde yazılımın olgunluğuna bağlıdır.

Hangi yol seçilirse seçilsin, seçim sırasında hizalanması gereken parametreler en azından şunları içerir: uyarma frekansı (ana akım RDC'ler 2 kHz ila 20 kHz'lik bir uyarma aralığını kapsar ve tipik çözümleyiciler 10 kHz'e yakın olarak derecelendirilir), dönüşüm oranı (genellikle 0,286 ila 0,5 aralığında), uyarma empedansı ve kod çözme çipinin sürücü kapasitesi ve giriş aralığı. Kazanç uyumsuzluğunun sonuçları doğrudandır: Yetersiz genlik sinyal-gürültü oranını kötüleştirirken genlik doygunluğu dalga biçimi kırpılmasına neden olur. Her iki durumda da açı bilgisi bozulur. Çözücü veri sayfasını kod çözme çipi kılavuzuyla donanım şeması aşamasında öğe parça karşılaştırmak yalnızca yarım gün sürer ve daha sonra sonsuz hata ayıklama yeniden çalışmalarından tasarruf sağlar.

Karar 5: İşlevsel güvenlik 'ASIL dereceli bir model seçmekle' bitmiyor

Ana sürücü konum sensörü, tork kontrolü kapalı döngüsünün başlangıç ​​noktasıdır. Açı sinyali arızalandığında, sonuçlar tork dalgalanmasından güç kesintisine veya istenmeyen torka kadar değişir. Bu nedenle işlevsel güvenlik hususları 'tedarikçi ASIL X için destek talep ediyor' düzeyinde duramaz; özel tasarımında uygulanmaları gerekir tek nokta arızalarının ve yedekli mimarinin .

Endüstri standardı uygulama, çözümleyici gövdesi veya algılama öğesi düzeyinde ASIL C'yi (SEooC) elde etmek ve sistem düzeyinde artıklık tasarımı (çift kanallı sargılar, ikili kod çözme zincirleri veya 'fiziksel sensör + sensörsüz tahmin'in paralel doğrulaması) yoluyla ASIL D'ye ulaşmada genel sistemi desteklemektir. Seçim sırasında sorulacak sorular şunları içerir: Tedarikçinin güvenlik kılavuzu hangi arıza modlarını kapsıyor? Teşhis kapsamı nedir? Çift kanallı bir şema kullanılıyorsa, iki kanalın bağımsızlığı nasıl sağlanır ve ortak nedenli arızalar nasıl hariç tutulur? Bu sorular genellikle spesifikasyon karşılaştırma tablolarında görünmez ancak fonksiyonel güvenlik argümanının kapatılıp kapatılamayacağını doğrudan belirlerler.

Seçimde sıra anlayışına dönüş

Bu beş değerlendirmeyi birbirine bağladığımızda seçimin mantığı aslında açıktır:  önce kutup çifti stratejisini belirleyin (önce doğruluk veya platform öncelikli), ardından yapısal formu ve kurulum tolerans zincirini kilitleyin, ardından en kötü durum koşulları altında sıcaklık ve titreşimi doğrulayın ve bağlantı kısmını aynı güvenilirlik kontrol listesine dahil edin, ardından elektrik parametrelerini ve kod çözme zincirini tek bir sistem olarak eşleştirin ve son olarak yedekli mimarinin geçerli olup olmadığını tersine kontrol etmek için işlevsel güvenlik gereksinimlerini kullanın.  Bu beş adımdan sonra genellikle yalnızca bir veya iki aday model kalır ve bu bir veya ikisi arasındaki farklar, prototip karşılaştırması için gerçekten zaman harcamaya değer kısımdır.

Çözümleyici, ana sürücü konum sensörleri için tek seçenek değildir, ancak güvenilirliğin ve çevresel toleransın en önemli öncelikler olduğu seri üretim ana sürücü projelerinde, çözümleyici hâlâ 'rastgele seçilmesi' yerine 'doğru seçilmesi' gereken bir bileşendir. Doğru seçimin anahtarı, veri sayfasındaki en belirgin doğruluk rakamı değil, yukarıdaki beş kararın projenin başlarında ciddi bir şekilde ele alınıp alınmadığıdır.