Lựa chọn cảm biến bộ giải quyết động cơ truyền động chính năng lượng mới: Năm đánh giá kỹ thuật dễ bị đánh giá thấp

Để lựa chọn cảm biến vị trí trong động cơ truyền động chính, việc giải quyết gần như là không thể tránh khỏi. Nhưng bản thân việc 'chọn người giải quyết' không khó. Điều khó khăn là đưa ra một số đánh giá đằng sau biểu dữ liệu để thực sự xác định hiệu suất sản xuất hàng loạt: liệu các cặp cực có khớp với động cơ hay không, mức độ tin cậy của con số chính xác, điều kiện vận hành nào cần sử dụng để xác nhận nhiệt độ và độ rung, liệu chuỗi giải mã có khớp đúng cách hay không và phải đạt được mức độ an toàn chức năng nào. Mỗi vấn đề trong số năm vấn đề này đều đủ để khiến một dự án trông hoàn toàn bình thường ở giai đoạn nguyên mẫu, đồng thời bộc lộ các vấn đề trong quá trình sản xuất hàng loạt hoặc trong các điều kiện khắc nghiệt.

Đầu tiên, hãy làm rõ: tại sao các ứng dụng trên ổ đĩa chính vẫn không thể tránh được các bộ phân giải

Trước nhiệt độ cao, ô nhiễm dầu và nhiễu điện từ mạnh trong khoang động cơ, các đĩa mã và bộ ghép quang của bộ mã hóa quang vốn rất dễ hỏng, trong khi các giải pháp dựa trên Hall gặp khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và nhất quán của điều khiển truyền động chính. Bản chất của bộ phân giải là một máy biến áp điện từ: không có linh kiện điện tử nào trên rôto. Nó hoàn toàn dựa vào sự biến đổi ghép từ giữa cuộn dây kích thích stato và độ mặn của rôto để tạo ra các tín hiệu đường bao hình sin và cos, với tất cả quá trình xử lý tín hiệu được hoàn thành ở phía stato và trong mạch giải mã. Cấu trúc 'rôto thụ động' này xác định rằng các giới hạn thấp hơn về khả năng chịu nhiệt độ, khả năng chịu dầu và khả năng chống rung của nó cao hơn nhiều so với giới hạn của các giải pháp dựa vào các bộ phận hoạt động trên rôto.

Nhưng điều này không có nghĩa là trình phân giải là tối ưu ở mọi chiều. Những nhược điểm của nó cũng rõ ràng như nhau: nó bị ảnh hưởng đáng kể bởi những thay đổi trong thiết kế động cơ và khả năng tương thích nền tảng của nó kém hơn so với các giải pháp dòng điện xoáy. Trong các tình huống mới nổi như hệ thống 800V và tốc độ cực cao, cảm biến vị trí dòng điện xoáy đang dần có lực kéo. Do đó, tiền đề để chọn một trình phân giải là ứng dụng ổ đĩa chính đặt trọng tâm cao hơn vào 'độ tin cậy bền vững trong môi trường khắc nghiệt' so với 'tính linh hoạt khi tái sử dụng nền tảng'. Nếu tiền đề này đúng thì năm nhận định sau đây thực sự có ý nghĩa.

Phán quyết 1: So khớp cặp cực không chỉ là 'khớp'

Các cặp cực của bộ phân giải phải có mối quan hệ rõ ràng với các cặp cực của động cơ, nhưng bản thân 'căn chỉnh' có hai chiến lược triển khai rất khác nhau với chi phí khác nhau đáng kể.

Giải pháp ưu tiên là RPP = MPP (cặp cực phân giải bằng cặp cực động cơ).  Động cơ truyền động chính của ô tô khách thường có 4 đến 10 cặp cực. Việc làm cho các cặp cực của bộ phân giải khớp với chúng sẽ giúp tránh các lỗi gia công và lắp ráp bị khuếch đại bởi các cặp cực của động cơ và mang lại độ chính xác ở trạng thái ổn định cao hơn cho điều khiển FOC. Đây là lộ trình ưu tiên độ chính xác, nhưng lại phải trả giá bằng việc yêu cầu tùy chỉnh bộ phân giải cho từng động cơ, dẫn đến tính phổ biến của nền tảng thấp.

Cái còn lại là RPP = 1 (bộ phân giải cặp cực đơn, sự thỏa hiệp nền tảng).  Ưu điểm là một bộ phân giải có thể xử lý nhiều động cơ, nhưng các lỗi như độ lệch tâm cơ học và độ lệch lắp ráp được nhân với các cặp cực động cơ và đặc biệt có khả năng xuất hiện dưới dạng gợn sóng mô-men xoắn trong vùng suy yếu trường tốc độ cao. Nếu tuyến đường này được chọn, biên độ chính xác đủ phải được dành riêng trong dung sai cấu trúc và quy trình lắp ráp để 'hấp thụ' hiệu ứng khuếch đại. Mặt khác, cho dù bảng dữ liệu có độ chính xác về điện tốt đến đâu thì nó cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi các lỗi cơ học sau khi được lắp đặt trên động cơ.

Nhận định 2: Chia nhỏ số liệu chính xác; lỗi cơ học thường là nguyên nhân chính

'Lỗi điện ±X arcphút' trong biểu dữ liệu được đo trong điều kiện lắp đặt và căn chỉnh lý tưởng. Sau khi lắp đặt thực tế trên động cơ, các nguồn lỗi ít nhất cũng bao gồm độ lệch tâm lắp đặt, tác động dọc trục và độ lệch trục stato-rôto, mỗi yếu tố này sẽ làm tăng thêm tổng sai số.

Điều này có nghĩa là một lỗi lựa chọn phổ biến là liên tục so sánh độ chính xác của chính bộ phân giải trong khi thiếu sự đánh giá nghiêm ngặt tương đương về chuỗi dung sai tại giao diện lắp đặt. Bộ phân giải tách, với stato và rôto được gắn riêng biệt, đặt ra yêu cầu cao hơn về quy trình lắp ráp và thiết kế kết cấu nhưng tiết kiệm không gian hơn; các bộ phân giải tích hợp dễ lắp ráp hơn nhưng có giá thành cao hơn. Sự cân bằng này phải được khóa lại trong giai đoạn xem xét cấu trúc, thay vì cố gắng khắc phục nó sau khi tạo công cụ bằng cách 'chuyển sang trình phân giải có độ chính xác cao hơn.' Khi độ chính xác cơ học không đủ, không có chip giải mã nào có thể lưu kết quả.

Từ góc độ so sánh trong ngành, sai số điện của các bộ giải từ trở biến thiên cấp ô tô phổ thông nằm trong phạm vi từ ±25′ đến ±30′ và một số thiết kế được tối ưu hóa có thể đạt được giá trị thấp hơn trong các phép đo thực tế. Câu hỏi thực sự trong quá trình lựa chọn là: con số này thu được trong điều kiện lắp đặt nào? Chuỗi dung sai cấu trúc của tôi có thể duy trì các điều kiện tương tự không?

Phán quyết 3: Xác thực nhiệt độ và độ rung trong 'điều kiện vận hành trong trường hợp xấu nhất' nhưng khu vực xảy ra lỗi cao thường không phải là phần thân của bộ phân giải

Giới hạn nhiệt độ hoạt động thấp hơn cho bộ phân giải động cơ truyền động thường được yêu cầu ở mức -40°C, trong khi giới hạn trên không thể được xác định bằng nhiệt độ trung bình của vỏ động cơ. Những vị trí gần cuộn dây nóng hơn nhiều so với vỏ. Giới hạn nhiệt độ trên của các sản phẩm ô tô phổ thông trong ngành được phân bổ trong phạm vi 150°C đến 155°C và các trường hợp gần nguồn nhiệt yêu cầu xác nhận với biên độ cao hơn. Độ rung và sốc cũng phải được kiểm tra từng hạng mục dựa trên các cấu hình rung động và sốc cơ học ngẫu nhiên của ô tô, không chỉ được đáp ứng bằng cách vượt qua các bài kiểm tra tĩnh ở nhiệt độ phòng.

Nhưng thứ dễ bị đánh giá thấp hơn khả năng chịu nhiệt của cơ thể chính là  phần kết nối . Trong các dự án thực tế nơi xảy ra sự bất thường về tín hiệu, một tỷ lệ đáng kể không phải là lỗi cuộn dây của bộ phân giải hoặc mạch từ mà là do sự xuống cấp của vòng đệm, tiếp xúc kém hoặc nhiễu giữa các dây trong bộ dây dẫn và đầu nối trong chu kỳ nhiệt độ và độ rung. Nếu việc lựa chọn chỉ xác minh định mức nhiệt độ của phần thân bộ phân giải trong khi vẫn để việc lựa chọn vật liệu dây nịt, việc bịt kín đầu nối và giảm sức căng được xử lý sau 'khi cần', thì liên kết yếu nhất trong chuỗi độ tin cậy sẽ được để lại cho đến cuối.

Nhận định 4: Thông số điện và chuỗi giải mã phải được so sánh trong cùng một bảng

Bộ phân giải xuất ra các tín hiệu sin và cosin được điều chế biên độ trên sóng mang. Thông tin về góc được ẩn trong phong bì và phải được giải điều chế trước khi nó có thể trở thành góc kỹ thuật số mà MCU có thể sử dụng được. Việc lựa chọn sơ đồ giải mã trực tiếp áp đặt các ràng buộc ngược lại đối với các thông số điện của phần thân bộ phân giải.

Giải mã cứng (chip RDC)  tuân theo lộ trình chuyển đổi từ bộ phân giải sang kỹ thuật số chuyên dụng, với độ phân giải thông thường từ 12 đến 16 bit và độ trễ theo dõi trong phạm vi hàng chục đến hàng trăm micro giây. Nó có một vòng PLL hoàn thiện tích hợp sẵn và hầu như không tiêu thụ sức mạnh tính toán của MCU, khiến nó phù hợp với các nền tảng sản xuất hàng loạt với lịch trình hiệu chỉnh chặt chẽ. Chi phí là băng thông vòng lặp cố định, không thể tùy chỉnh sâu cho các đặc tính động của một động cơ cụ thể.

Giải mã mềm (thuật toán phần mềm DSADC +)  loại bỏ RDC bên ngoài và sử dụng ADC delta-sigma trên chip của MCU để lấy mẫu trực tiếp các tín hiệu được điều chế biên độ, sau đó phần mềm sẽ hoàn thành toàn bộ tính toán. Tỷ lệ lấy mẫu cao và lọc kỹ thuật số của DSADC có thể đẩy nhiễu lượng tử hóa lên tần số cao và đạt được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao cho đường bao tần số thấp trên sóng mang 5–10 kHz, đồng thời vẫn duy trì tính linh hoạt để điều chỉnh các thông số tính toán cho đặc tính động của động cơ. Cái giá phải trả là chiếm dụng sức mạnh tính toán và tài nguyên phát triển của MCU, đồng thời chất lượng giải pháp phụ thuộc rất nhiều vào độ hoàn thiện của phần mềm.

Cho dù chọn tuyến đường nào thì các tham số phải được căn chỉnh trong quá trình lựa chọn ít nhất bao gồm: tần số kích thích (RDC chính thống bao gồm phạm vi kích thích từ 2 kHz đến 20 kHz và các bộ phân giải điển hình được định mức gần 10 kHz), tỷ lệ biến đổi (thường nằm trong phạm vi 0,286 đến 0,5), trở kháng kích thích cũng như khả năng truyền động và phạm vi đầu vào của chip giải mã. Hậu quả của việc không khớp mức khuếch đại là trực tiếp: biên độ không đủ sẽ làm xấu đi tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm, trong khi độ bão hòa biên độ gây ra hiện tượng cắt dạng sóng. Trong cả hai trường hợp, thông tin góc bị bóp méo. Việc so sánh bảng dữ liệu của trình phân giải với mục thủ công của chip giải mã theo từng mục ở giai đoạn sơ đồ phần cứng chỉ tốn nửa ngày và tiết kiệm vô số công việc sửa lỗi sau này.

Phán quyết 5: An toàn chức năng không chỉ dừng lại ở việc 'chọn model được ASIL xếp hạng'

Cảm biến vị trí dẫn động chính là điểm bắt đầu của vòng kín điều khiển mô men xoắn. Khi tín hiệu góc không thành công, hậu quả sẽ dao động từ dao động mô-men xoắn đến gián đoạn nguồn điện hoặc mô-men xoắn ngoài ý muốn. Vì vậy, việc cân nhắc về an toàn chức năng không thể dừng lại ở mức độ 'nhà cung cấp tuyên bố hỗ trợ cho ASIL X'; chúng phải được thực hiện trong thiết kế cụ thể của  các lỗi điểm đơn và kiến ​​trúc dự phòng.

Biện pháp thực hành theo tiêu chuẩn ngành là đạt được ASIL C (SEooC) ở cấp độ bộ phân giải hoặc cấp độ phần tử cảm biến, đồng thời hỗ trợ toàn bộ hệ thống đạt được ASIL D thông qua thiết kế dự phòng ở cấp hệ thống—cuộn dây hai kênh, chuỗi giải mã kép hoặc xác minh song song 'cảm biến vật lý + ước tính không có cảm biến'. Các câu hỏi cần đặt ra trong quá trình lựa chọn bao gồm: Sổ tay hướng dẫn an toàn của nhà cung cấp bao gồm những chế độ lỗi nào? Phạm vi chẩn đoán là gì? Nếu sử dụng sơ đồ kênh đôi, tính độc lập của hai kênh được đảm bảo như thế nào và các lỗi do nguyên nhân chung được loại trừ như thế nào? Những câu hỏi này thường không được nhìn thấy trong các bảng so sánh thông số kỹ thuật, nhưng chúng trực tiếp xác định liệu có thể đóng được đối số về an toàn chức năng hay không.

Trở lại ý thức trật tự trong lựa chọn

Khi kết nối năm đánh giá này với nhau, logic lựa chọn thực sự rõ ràng:  trước tiên, hãy xác định chiến lược cặp cực (độ chính xác trước hoặc nền tảng trước), sau đó khóa hình thức kết cấu và chuỗi dung sai lắp đặt, sau đó xác thực nhiệt độ và độ rung trong các điều kiện trường hợp xấu nhất và đưa phần kết nối vào cùng danh sách kiểm tra độ tin cậy, tiếp theo khớp các thông số điện và chuỗi giải mã thành một hệ thống và cuối cùng sử dụng các yêu cầu an toàn chức năng để kiểm tra ngược xem kiến ​​trúc dự phòng có hợp lệ hay không.  Sau năm bước này, thường chỉ còn lại một hoặc hai mô hình ứng cử viên và sự khác biệt giữa một hoặc hai mô hình đó là phần thực sự đáng để bạn dành thời gian so sánh nguyên mẫu.

Bộ phân giải không phải là lựa chọn duy nhất cho các cảm biến vị trí ổ đĩa chính, nhưng trong các dự án ổ đĩa chính sản xuất hàng loạt trong đó độ tin cậy và khả năng chịu đựng môi trường là ưu tiên hàng đầu, bộ phân giải vẫn là thành phần phải được 'chọn chính xác' chứ không phải là 'được chọn ngẫu nhiên.' Chìa khóa để chọn chính xác không phải là con số chính xác nổi bật nhất trên biểu dữ liệu mà là liệu năm nhận định trên có được giải quyết nghiêm túc sớm trong dự án hay không.