Вибір датчика резольвера двигуна головного приводу New Energy: п’ять інженерних суджень, які легко недооцінити

Для вибору датчика положення в двигунах головного приводу розв'язувач майже неминучий. Але сам 'вибір резольвера' не складний. Що складно, так це зробити кілька суджень за таблицею даних, які справді визначають продуктивність масового виробництва: чи відповідають пари полюсів двигуну, наскільки довіряти показнику точності, які робочі умови використовувати для перевірки температури та вібрації, чи правильно підібраний ланцюжок декодування та якого рівня функціональної безпеки потрібно досягти. Кожного з цих п’яти проблем достатньо, щоб проект виглядав цілком нормальним на стадії прототипу, одночасно виявляючи проблеми в масовому виробництві або в екстремальних умовах.

По-перше, поясніть: чому програми основного диска все ще не можуть уникнути резольверів

Перед обличчям високих температур, масляного забруднення та сильних електромагнітних перешкод у відсіку двигуна кодові диски та оптрони оптичних кодерів за своєю суттю крихкі, тоді як рішення на основі Холла важко відповідають вимогам точності та узгодженості керування головним приводом. Суть резольвера - це електромагнітний трансформатор: на роторі немає електронних компонентів. Він покладається виключно на зміну магнітного зв’язку між обмоткою збудження статора та рельєфом ротора для виведення сигналів синусоїдальної та косинусної огинаючої, причому вся обробка сигналів завершується на стороні статора та в схемі декодування. Ця структура 'пасивного ротора' визначає, що її нижні межі термостійкості, мастилостійкості та стійкості до вібрації набагато вищі, ніж у рішень, які покладаються на активні компоненти на роторі.

Але це не означає, що резольвер є оптимальним у кожному вимірі. Його недоліки також очевидні: на нього суттєво впливають зміни в конструкції двигуна, а його сумісність з платформою поступається вихрострумовим рішенням. У нових сценаріях, таких як системи 800 В і надвисокі швидкості, вихрострумові датчики положення поступово набувають популярності. Таким чином, передумовою для вибору резольвера є те, що програма головного приводу надає більшу вагу 'стійкій надійності в суворих умовах', ніж 'гнучкості повторного використання платформи'. Якщо ця передумова виконується, наступні п'ять суджень справді мають значення.

Судження 1: зіставлення полюсних пар — це не лише «збіг»

Пари полюсів резольвера повинні мати чіткий зв’язок з парами полюсів двигуна, але «вирівнювання» саме по собі має дві дуже різні стратегії реалізації з суттєво різними витратами.

Переважним рішенням є RPP = MPP (пари полюсів резольвера дорівнюють парам полюсів двигуна).  Двигуни головного приводу легкових автомобілів зазвичай мають від 4 до 10 пар полюсів. Зведення пар полюсів резольвера до них запобігає поширенню помилок обробки та складання через пари полюсів двигуна та забезпечує вищу точність у стаціонарному режимі для керування ВОК. Це шлях, який передбачає першочергову точність, ціною якого є необхідність налаштування резольвера для кожного двигуна, що призводить до низької спільності платформи.

Інший — RPP = 1 (однополюсний парний резольвер, компроміс платформи).  Перевага полягає в тому, що один резольвер може охоплювати кілька двигунів, але такі помилки, як механічний ексцентриситет і відхилення в зборі, помножуються на пари полюсів двигуна і особливо ймовірно з’являться як пульсації крутного моменту в області ослаблення поля на високій швидкості. Якщо вибрано цей шлях, необхідно зарезервувати достатній запас точності в структурних допусках і процесах складання, щоб 'поглинути' ефект посилення. В іншому випадку, незалежно від того, наскільки добре електрична точність виглядає в таблиці даних, після встановлення на двигуні вона буде поглинена механічними помилками.

Судження 2: розбити цифру точності; механічна помилка часто є основною причиною

'Електрична похибка ±X кутових хвилин' у таблиці даних вимірюється за ідеальних умов встановлення та вирівнювання. Після фактичної установки на двигуні джерела помилок також включають принаймні ексцентриситет установки, осьовий люфт і невідповідність статор-ротор, кожна з яких додає загальну похибку.

Це означає, що поширеною помилкою вибору є неодноразове порівняння точності самого резольвера за відсутності такої ж ретельної перевірки ланцюжка допусків на монтажному інтерфейсі. Роздільні резольвери з окремо встановленими статором і ротором висувають вищі вимоги до конструкційного проектування та процесів складання, але займають більше місця; інтегровані резольвери легше зібрати, але коштують більше. Цей компроміс слід зафіксувати на етапі структурного перегляду, а не намагатися виправити його після інструментів, 'перейшовши на більш точний резольвер'. Коли механічна точність недостатня, жоден чіп декодування не зможе зберегти результат.

З точки зору галузевого порівняння, електрична похибка стандартних автомобільних розрізнювачів із змінною реактивністю становить приблизно від ±25′ до ±30′, а деякі оптимізовані конструкції можуть досягати нижчих значень у фактичних вимірюваннях. Справжнє питання під час вибору: за яких умов встановлення було отримано цей показник? Чи може мій структурний ланцюг допуску підтримувати ті самі умови?

Судження 3: Перевірте температуру та вібрацію за «найгірших умов експлуатації», але зона високого рівня відмови часто не є корпусом розв’язувача

Нижня межа робочої температури для резольверів приводних двигунів зазвичай повинна охоплювати -40°C, тоді як верхня межа не може бути визначена середньою температурою корпусу двигуна. Місця поблизу обмоток набагато гарячіші, ніж корпус. Верхні температурні межі основних продуктів автомобільного класу в промисловості поширені в діапазоні від 150°C до 155°C, і сценарії, близькі до джерел тепла, вимагають перевірки з більшим запасом. Вібрацію та удари також слід перевіряти поелемент за пунктом на випадкову автомобільну вібрацію та профілі механічних ударів, а не просто задовольняти статичними випробуваннями при кімнатній температурі.

Але те, що легше недооцінити, ніж термостійкість тіла, так це  з’єднувальну частину . У реальних проектах, де відбуваються аномалії сигналу, значна частина пов’язана не з відмовами обмоток резольвера чи магнітного кола, а з погіршенням герметичності, поганим контактом або перешкодами між проводами в джгутах і з’єднувачах під впливом температурних циклів і вібрації. Якщо під час вибору перевіряється лише номінальна температура корпусу резольвера, залишаючи вибір матеріалу джгута, ущільнення роз’єму та компенсацію натягу для подальшого «за потреби», найслабша ланка в ланцюжку надійності залишається до самого кінця.

Судження 4: Електричні параметри та ланцюг декодування необхідно порівнювати за однією таблицею

Резолвер видає амплітудно-модульовані синусоїдні та косинусові сигнали на несучій. Інформація про кут прихована в огинаючій і повинна бути демодульована, перш ніж вона зможе стати цифровим кутом, який може використовувати MCU. Вибір схеми декодування безпосередньо накладає зворотні обмеження на електричні параметри корпусу резольвера.

Жорстке декодування (чіп RDC)  слідує спеціальному маршруту перетворювача в цифровий перетворювач із типовою роздільною здатністю від 12 до 16 біт і затримкою відстеження в діапазоні від десятків до сотень мікросекунд. Він має вбудований зрілий контур PLL і майже не споживає обчислювальної потужності MCU, що робить його придатним для платформ масового виробництва з жорсткими графіками калібрування. Вартість — це фіксована пропускна здатність контуру, яка не може бути глибоко налаштована під динамічні характеристики конкретного двигуна.

М'яке декодування (DSADC + програмний алгоритм)  усуває зовнішній RDC і використовує вбудований дельта-сигма АЦП мікроконтролера для безпосередньої вибірки амплітудно-модульованих сигналів, після чого програмне забезпечення завершує весь обчислення. Високий коефіцієнт передискретизації та цифрова фільтрація DSADC можуть підштовхнути шум квантування до високих частот і досягти високого співвідношення сигнал/шум для огинаючої низьких частот на несучій частоті 5–10 кГц, зберігаючи при цьому гнучкість для налаштування параметрів обчислення для динамічних характеристик двигуна. Вартість — це використання обчислювальної потужності MCU та ресурсів розробки, а якість рішення сильно залежить від зрілості програмного забезпечення.

Який би шлях не було обрано, параметри, які повинні бути вирівняні під час вибору, включають принаймні: частоту збудження (основні RDC охоплюють діапазон збудження від 2 кГц до 20 кГц, а типові резольвери мають номінальний рейтинг близько 10 кГц), коефіцієнт трансформації (зазвичай у діапазоні від 0,286 до 0,5), імпеданс збудження, а також здатність приводу та вхідний діапазон мікросхеми декодування. Наслідки неузгодженості підсилення є прямими: недостатня амплітуда погіршує відношення сигнал/шум, тоді як насичення амплітуди викликає відсікання форми сигналу. В обох випадках інформація про ракурс спотворена. Порівняння таблиці даних резольвера з чіпом декодування вручну поелементно на стадії схеми апаратного забезпечення коштує лише півдня та позбавляє від нескінченних повторних налагоджень пізніше.

Судження 5: Функціональна безпека не закінчується 'вибором моделі з рейтингом ASIL'

Датчик положення головного приводу є початковою точкою замкнутого контуру керування крутним моментом. Коли сигнал кута зникає, наслідки варіюються від коливань крутного моменту до переривання живлення або ненавмисного крутного моменту. Таким чином, міркування функціональної безпеки не можуть зупинятися на рівні 'заяви постачальника про підтримку ASIL X'; вони повинні бути реалізовані в конкретній конструкції  одноточкових розломів і надлишкової архітектури.

Стандартною практикою є досягнення ASIL C (SEooC) на рівні корпусу резольвера або чутливого елемента, а також підтримка загальної системи в досягненні ASIL D за допомогою дизайну резервування на рівні системи — двоканальних обмоток, подвійних ланцюжків декодування або паралельної перевірки 'фізичний датчик + безсенсорна оцінка'. Питання, які слід поставити під час вибору, включають: Які режими збоїв охоплює інструкція з техніки безпеки постачальника? Що таке діагностичне покриття? Якщо використовується двоканальна схема, як забезпечується незалежність двох каналів і як виключаються збої із загальної причини? Ці питання зазвичай непомітні в порівняльних таблицях специфікацій, але вони безпосередньо визначають, чи можна закрити аргумент щодо функціональної безпеки.

Повертаючись до відчуття порядку у відборі

З’єднавши разом ці п’ять суджень, логіка вибору насправді зрозуміла:  спочатку визначте стратегію пари полюсів (спочатку точність або платформа), потім зафіксуйте структурну форму та ланцюжок допусків установки, потім перевірте температуру та вібрацію за найгірших умов і включіть частину з’єднання в той самий контрольний список надійності, потім зіставте електричні параметри та ланцюжок декодування як одну систему, і, нарешті, використовуйте вимоги функціональної безпеки для зворотно перевірте, чи дійсна надлишкова архітектура.  Після цих п’яти кроків зазвичай залишається лише одна або дві моделі-кандидати, і відмінності між цими однією чи двома є частиною, на яку справді варто витратити час для порівняння прототипів.

Резолвер — це не єдиний вибір для датчиків положення головного приводу, але в проектах головного приводу масового виробництва, де надійність і стійкість до навколишнього середовища є головними пріоритетами, резольвер все ще є компонентом, який потрібно «вибирати правильно», а не «вибирати ненавмисно». Ключ до правильного вибору полягає не в найпомітнішій цифрі точності в таблиці даних, а в тому, чи серйозно розглядалися п’ять вищевказаних суджень на початку проекту.