Аналіз викривлення сигналу Sin/Cos у резольверах реактивного типу під сильними електромагнітними перешкодами - датчик EV Resolver

У таких сферах застосування, як електроприводи транспортних засобів нової енергії та промислові сервоприводи реактивного типу резольвери широко використовуються як датчики положення ротора двигуна. Вони не містять напівпровідникових мікросхем, витримують високі температури та стійкі до вібрації – вони виглядають дуже «міцними». Однак багато інженерів стикаються з дивовижною проблемою на місці: як тільки потужність двигуна збільшується та частота перемикання ШІМ підвищується, у вихідних сигналах синуса/косинуса резольвера з’являються збої, плоска вершина, спотворення огинаючої та інші аномалії, що призводить до кута. тремтіння, коливання крутного моменту та навіть несправності контролера.

I. Як виглядає звичайний синусний/косинусний сигнал резольвера?

Структура резольвера реактивного типу є відносно простою: статор містить обмотку збудження та дві просторово ортогональні вихідні обмотки, тоді як ротор виготовлено з полюсів спеціальної форми з кремнієвої сталі без обмоток. На обмотку збудження подається високочастотне синусоїдальне збудження:

Коли ротор повертається на кут θ , дві вихідні обмотки індукують відповідно:

На практиці кожен сигнал є диференціальним, наприклад, S1-S3 і S2-S4. Як видно, вихід резольвера є високочастотним носієм, амплітуда якого модулюється кутом  θ ротора  . На осцилографі форми сигналу виглядають як дві огинаючі, які змінюються відповідно під кутом як синус і косинус.

Мікросхема декодування - Resolver-to-Digital Converter (RDC) - демодулює ці сигнали, виділяє огинаючі та обчислює кут через  

II. Звідки беруться сильні електромагнітні перешкоди

Резолвер зазвичай встановлюється на кінці двигуна, оточений типовим сильним електромагнітним середовищем:

·  Високошвидкісне перемикання IGBT/MOSFET : несуча ШІМ частота контролера двигуна зазвичай знаходиться в діапазоні від кількох кГц до десятків кГц, але фронти перемикання тривають лише від десятків до сотень наносекунд із спектром, що розширюється до десятків МГц.

·  Силові шини та фазні кабелі : швидкі зміни сильного струму та високої напруги створюють сильні електричні та магнітні поля.

·  Робота контактора та реле : створюють дугові та перехідні імпульси.

·  Перетворювачі потужності : пульсації та гармоніки від імпульсних джерел живлення.

Коли ці перешкоди з'єднуються з сигнальними лініями резольвера, вони накладаються на чисті сигнали синуса/косинуса.

III. Як перешкоди потрапляють у сигнальний ланцюг

Є чотири основні шляхи, через які перешкоди потрапляють у сигнальний ланцюг резольвера:

1. Радіаційний зв'язок
Лінії електропередач і вузли комутації діють як передавальні антени, тоді як джгути проводів резольвера діють як приймальні антени. Коли джгути розпізнавання прокладені паралельно кабелям живлення, високочастотні електромагнітні поля викликають напругу безпосередньо в джгутах.

2. Провідний зв’язок
Перешкоди надходять у систему резольвера через лінії живлення збудження або блок живлення плати декодера, а потім переходять на сторону сигналу.

3. Різниця потенціалів заземлення
Великі струми спричиняють падіння напруги на заземлюючих проводах або металевих корпусах, створюючи нерівні потенціали заземлення між розв’язувачем і декодером, утворюючи синфазну напругу.

4. Перехресні перешкоди між лініями
Коли джгути роздільника проходять паралельно фазним кабелям, шинам тощо, паразитна ємність і взаємна індуктивність між лініями поєднують перешкоди.

IV. Типові прояви спотворення

На осцилографі синусоїдні/косинусові сигнали під сильними електромагнітними перешкодами можуть відображатися в наступних формах.

1. Високочастотна суперпозиція глітча
На несучій з’являються спайки та дзвін, синхронізовані з фронтами ШІМ. Це пояснюється тим, що високочастотні струми, що утворюються під час моментів перемикання, з’єднуються в сигнальні лінії через паразитну ємність. Амплітуди збоїв можуть досягати десятків мВ або навіть сотень мВ, тоді як нормальні амплітуди диференціального сигналу зазвичай становлять лише кілька вольт, що призводить до значного падіння SNR.

2. Шум від синфазного до диференціального.
Диференціальні сигнали теоретично чутливі лише до різниці напруг між двома дротами та мають здатність відхиляти синфазні перешкоди. Однак справжні кабелі, роз’єми та мережі фільтрів ніколи не бувають ідеально симетричними. Коли надходять високочастотні синфазні перешкоди, частина їх перетворюється в диференціальну напругу та накладається на синусоїдні/косинусові сигнали. Цей шум часто виглядає як періодичний «пух» на конверті.

3. Відсікання та насичення
Коли амплітуда перешкод велика, а накладений пік сигналу перевищує вхідний діапазон RDC або шини живлення операційного підсилювача, верхівки сигналу «обрізаються». Відсікання безпосередньо руйнує огинаючу sin/cos, викликаючи серйозні нелінійні помилки в декодованому куті.

4. Зсув постійного струму.
Низькочастотні компоненти перешкод, струми контуру заземлення або ефекти випрямлення можуть спричинити зсув постійного струму в сигналі, що робить форму сигналу асиметричною. Декодування RDC зазвичай передбачає чисті сигнали змінного струму; зсув призводить до кутових помилок і пульсацій швидкості.

5. Гармонійні спотворення
Нелінійність магнітних матеріалів та інтермодуляція між перешкодами та носієм збудження генерують гармонічні компоненти. Коли гармоніки надходять у RDC, вони можуть бути демодульовані в гармонічні похибки високого порядку в куті, що проявляється у вигляді пульсацій крутного моменту або шуму.

6. Синусний/косинусний дисбаланс амплітуд і фазовий зсув
Якщо два шляхи сигналу для sin і cos мають різні параметри фільтра, довжину кабелю або контактний опір з’єднувача, сильні перешкоди впливають на два канали по-різному, що призводить до невідповідності амплітуд або фазового зсуву. RDC обчислює кут на основі sinθ/cosθ; амплітудний або фазовий дисбаланс безпосередньо створює кутові помилки.

V. Вплив викривлення на систему

Спотворення сигналу – це не лише «візуальна проблема» осцилографа; це безпосередньо відображається на продуктивності системи:

·  Кутове тремтіння вихідного сигналу : Шум, демодульований RDC, викликає високочастотне тремтіння у значенні кута, посилюючи шум зворотного зв'язку за швидкістю.

·  Періодичні кутові похибки : спотворення огинаючої та гармоніки спричиняють кутові похибки, які періодично змінюються залежно від положення ротора, що призводить до коливань струму на осі dq та пульсацій крутного моменту.

·  Несправності та втрата блокування : серйозні перешкоди можуть спричинити втрату блокування контуру відстеження RDC, що призведе до стрибків кута та спрацьовування захисту від перевантаження по струму або перенапруги.

·  Зниження продуктивності системи : в електромобілях це може призвести до зниження ефективності двигуна, збільшення вібрації та шуму та навіть поставити під загрозу безпеку автомобіля.

VI. Як визначити та усунути несправність

У практичному налагодженні наступні методи можуть швидко визначити, чи впливають на сигнали резольвера сильні електромагнітні перешкоди:

·  Використовуйте  диференціальні датчики  для вимірювання S1-S3 і S2-S4, уникаючи односторонніх датчиків, які можуть створити петлі заземлення.

·  Спостерігайте як за сигналом збудження, так і за вихідними сигналами одночасно, щоб визначити, чи вводяться перешкоди через сторону збудження.

·  Порівняйте форми сигналів при нерухомому двигуні з двигуном, що працює, і з увімкненим і вимкненим ШІМ, щоб визначити, чи джерелом перешкод є ланцюг живлення.

·  Використовуйте ШПФ осцилографа, щоб проаналізувати спектр перешкод і перевірити, чи збігається він з несучою частотою ШІМ або крайовими гармоніками.

·  Виміряйте синфазну напругу двох ліній до землі, щоб оцінити рівень синфазних перешкод.

VII. Заходи придушення

Придушення спотворень вимагає одночасних зусиль на трьох фронтах: джерело перешкод, канал зв’язку та приймач.

1. Оптимізуйте джгут проводів та екранування

·  Використовуйте екрановані виті пари для сигнальних ліній резольвера, із заземленням екрана в одній точці на кінці декодера, щоб уникнути петель заземлення, викликаних двостороннім заземленням.

·  Прокладайте сигнальні лінії окремо від силових кабелів, уникаючи довгих паралельних трас; якщо перетинання неминуче, перетинайте їх перпендикулярно.

·  Якщо необхідно, використовуйте металеві труби або двошарове екранування для підвищення ефективності високочастотного екранування.

2. Фільтрація та захист

·  Додайте синфазні дроселі та RC-фільтри низьких частот на вході RDC для придушення синфазних шумів і високочастотних збоїв.

·  Частота зрізу фільтра повинна бути вищою за частоту збудження резольвера, уникаючи при цьому надмірної фазової затримки, яка інакше призведе до появи нових кутових помилок.

·  Додайте захисні пристрої, такі як трубки TVS, щоб запобігти перехідним перенапругам від пошкодження схеми декодера.

3. Схема розташування та заземлення

·  Розмістіть плату декодера якомога ближче до роз’єму резольвера, щоб скоротити сліди аналогового сигналу.

·  Відокремте аналогову землю від силової, з’єднавши їх в одній точці, щоб запобігти протіканню великих струмів через аналогову землю.

·  Зверніть увагу на безперервність екрану при виборі роз’єму, переконавшись, що екран не зламаний на роз’ємі.

4. Лікування сторони збудження

·  Використовуйте також екрановані кручені пари для ліній збудження та додайте фільтрацію до джерела живлення збудження.

·  Уникайте спільного використання роз’ємів або джгутів між сигналами збудження та силовими кабелями.

5. Системно-алгоритмічні заходи

·  Вибирайте мікросхеми RDC із сильним захистом від перешкод, наприклад із вбудованою синхронною демодуляцією та цифровою фільтрацією.

·  У програмному забезпеченні застосовуйте фільтрацію, обмеження швидкості та перевірку правдоподібності до кутового сигналу, щоб запобігти виникненню окремих імпульсів перешкод у керуванні аномаліями.

·  Оптимізуйте швидкість наростання фронту ШІМ і додайте демпферні схеми для зменшення перешкод на джерелі.

VIII. Висновок

Магніторезистивний резольвер за своєю суттю є міцним датчиком, але його вихідні сигнали синуса/косинуса є аналоговими сигналами низького рівня, які чутливі до спотворень під впливом сильних електромагнітних перешкод. Розуміння джерел перешкод і сполучних шляхів, а також впровадження належного екранування, фільтрації, заземлення та компонування є важливими для забезпечення точності та надійності кутового зворотного зв’язку.

Для інженерів форма сигналу на осцилографі є найкращим «звітом про стан». Чим раніше буде виявлено спотворення сигналу, тим менша ймовірність системних проблем.