Resolver-Simulation mit einem Arbitrary Waveform Generator

Ein Resolver ist ein elektromagnetischer Sensor, der zur Bestimmung des mechanischen Winkels und der Geschwindigkeit einer Welle oder Achse verwendet wird. Sie werden häufig in der Automobilindustrie (Nocken-/Kurbelwellenposition), in der Luftfahrt (Klappenposition) sowie in Servos und industriellen Anwendungen eingesetzt.

Bei der Entwicklung, Prüfung oder Fehlersuche von Systemen, die Resolver verwenden, kann es sich lohnen, ein System zu bauen, das den Ausgang eines Resolvers einfach simulieren kann. Dies ist besonders hilfreich beim Testen der Betriebsgrenzen der Resolver-Messschaltung und des Codes, der diese Messungen begleiten kann. Die Simulation ermöglicht es, die Betriebsgrenzen eines Systems zu kontrollieren und zu testen, indem man dem Signal bekannte Fehler hinzufügt oder die Frequenz/Amplitude/Wellenform verändert, um zu sehen, wo das System zu versagen beginnt.

In dieser Application Note beschreiben wir eine Methode zur Simulation eines einfachen Resolvers unter Verwendung eines Arbitrary Waveform Generators der Serie SDG2000X von SIGLENT.

RESOLVER BASICS

Viele Resolver haben einen ähnlichen Aufbau wie in Abbildung 1 dargestellt: eine Primärwicklung oder Spule, die an einer Welle oder einem Rotor befestigt ist, und zwei stationäre Wicklungen oder Statoren, die im 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind.

Die Primärwicklung wird mit einer Wechselspannung, Vr, erregt. Dieses primäre Erregungssignal ist in der Regel eine Sinuswelle, die dann in beide Sekundärspulen eingekoppelt wird. Bei vielen Resolvern sind die Sekundärspulen so aufgebaut, dass die Spulen im Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. Da sich jede Spule an einer anderen Stelle als die Primärspule befindet, hat jede Spule einen anderen Kopplungswirkungsgrad, und da sie um 90 Grad versetzt montiert sind, sind ihre Ausgänge orthogonal (um 90 Grad phasenverschoben). Wenn sich der Wellenwinkel ändert, ändert sich das Ausgangssignal für die Sekundärspulen. Daher gibt es diskrete Spannungswerte für jeden Wellenwinkel. Durch Messung der Momentanspannungen der Sekundärspulen können Sie den Rotorwinkel bestimmen.

AUSRÜSTUNG

In dieser Simulation werden wir einen Wellenformgenerator verwenden, um das Primärspulensignal zu erzeugen. Dieses Signal wird verwendet, um gleichzeitig die Ausgänge eines Zweikanalgenerators zu modulieren. Diese Ausgänge stellen die Ausgangssignale der sekundären Sinus- und Kosinusspule dar, wie zuvor beschrieben.

SDG805: Modulationsquelle für Sekundärspulenausgänge: Dieses Gerät sollte in der Lage sein, die minimale und maximale Frequenz der Primärspule des Resolvers, den Sie simulieren wollen, zu erreichen. Viele Resolver haben Primärspulensignale, die zwischen 5 k und 20 kHz und einigen hundert mV bis zu mehreren 100 Volt variieren. Diese höheren Spannungen werden zur Erregung der Sekundärspulen verwendet.
SDG1032X: Simulation der Sekundärspule: Dieses Modell verfügt über einen einzigen externen Modulationseingang, unabhängige Phasensteuerung und Dual-Side-Band-AM-Modulation (DSB-AM), die wir benötigen, um die Sinus- und Kosinussignale eines Resolvers erfolgreich zu simulieren.
Zweikanal-Oszilloskop: Es ist wichtig, ein Oszilloskop mit der richtigen Bandbreite zu wählen (mindestens die 2- bis 3-fache maximale Frequenz der Primärfrequenz, sogar noch mehr, wenn die Primärfrequenz höhere Oberschwingungen/Quadratwellen aufweist). In diesem Beispiel werden wir ein SIGLENT SDS2102X verwenden. Diese Plattform verfügt über einen großen Speicher (140 Mio. Punkte), Zoom und ein großes Display, das die Überprüfung erleichtert.

EINSTELLUNG

Verwenden Sie ein Kabel mit BNC-Abschluss, um den Ausgang CH1 des Primärgenerators mit dem Aux/Mod-Eingang des Sekundärspulengenerators zu verbinden.

Verbinden Sie die Sekundärspulenausgänge des zweiten Generators (CH1 und CH2) mit den Eingängen des Oszilloskops.
Konfigurieren Sie den Primärspulengenerator so, dass er eine Sinuswelle mit der niedrigsten Frequenz von Vr für Ihr System ausgibt. In der Regel liegt die Vr-Frequenz zwischen 5 k und 20 kHz. Der Primärspulengenerator wird verwendet, um die Ausgangssignale des Sekundärspulengenerators zu modulieren. Die Spannung für das Primärsignal sollte zu Beginn niedrig sein (5 Vss). Wir werden sie später optimieren.
Stellen Sie den Sekundärspulengenerator CH1 so ein, dass er eine Sinuswelle mit einer Frequenz von 1 Hz und einer Spannung von 10 Vss (oder der maximalen Spannung Ihrer Resolverschaltung) ausgibt.
Stellen Sie den Sekundärspulengenerator CH1 so ein, dass er eine Dual-Side-Band-AM-Modulation (DSB AM) durchführt, indem Sie Mod drücken und den Typ DSB-AM auswählen.
Konfigurieren Sie CH2 am Sekundärspulengenerator so, dass er das gleiche modulierte Sinussignal wie Kanal 1 ausgibt, stellen Sie nur den Phasenversatz auf 90 Grad ein. Dadurch wird die orthogonale Ausgangsphase für den sekundären Kosinuskanal bereitgestellt. Die Frequenz der Sekundärspule entspricht der Rotationsfrequenz der rotierenden Primärspule in einem physikalischen Resolver. Achten Sie darauf, dass CH1 und CH2 auf die gleiche Frequenz eingestellt sind. HINWEIS: Die SIGLENT SDG1000X- und SDS2000X-Serien verfügen über eine Channel Copy
und eine Kanalkopplungsfunktion, die den Prozess vereinfacht. Um die Frequenzauswahl zwischen zwei Kanälen zu koppeln, drücken Sie Utility > CH Copy Coupling > FreqCoupl = ON. Nun werden alle Frequenzänderungen auf einem Kanal auf den anderen Kanal übertragen. So können Sie beide Frequenzen gleichzeitig ändern. Um die Einstellungen von einem Kanal zum anderen zu kopieren, drücken Sie Dienstprogramm > CH-Kopplung kopieren > CH-Kopie > CH1 => CH2
Aktivieren Sie den Primärspulengenerator CH1 und beide Ausgänge des Sekundärspulengenerators.
Überprüfen Sie die Leistung, passen Sie die Frequenz der Sekundärspule (Änderungsrate des Rotors) an, überprüfen Sie sie, und so weiter, bis Sie die Grenzen des Resolversystems vollständig getestet haben.

Die folgenden Abbildungen zeigen Bilder von Sekundärspulensimulationen bei verschiedenen Primärspulenfrequenzen und Sekundärspulenfrequenzen

Primärspule 5 kHz, Sekundärspulen bei 200 Hz.

Primärspule 5 kHz, Sekundärspulen bei 100 Hz.

Primärspule 10 kHz, Sekundärspulen bei 200 Hz.

Primärspule 10 kHz, Sekundärspulen bei 100 Hz.

Die primäre Modulationsspannung ist korrekt. Beachten Sie die glatten Flanken der Wellenformen

Die primäre Modulationsspannung ist zu hoch. Beachten Sie die rechteckigen Flanken der Wellenformen

Sekundärspulensignale mit einer zu hoch eingestellten Primärspulenfrequenz

Zoom der hochfrequenten Primärspannung. Beachten Sie die "Stufen" aufgrund der Quantisierung

TIPPS

Übersteuern Sie den Modulationseingang des Sekundärspulengenerators nicht mit zu viel Spannung. Etwa 10 Vss reichen aus, um eine volle Modulation ohne Übersteuerung zu erhalten. Abbildung 8 unten zeigt, wenn zu viel Spannung an den Modulationseingang angelegt wird (12Vpp). Abbildung 9 zeigt die korrekte Modulationstiefe (10Vpp).
Vergleichen Sie die Modulationsfrequenz der Primärspule und die Modulationsspezifikationen des Sekundärspulengenerators. Wenn der Modulationseingang des Sekundärgenerators eine niedrige Frequenz hat, können Sie "Stufen" in der Ausgabe erhalten.
Man kann die "Stufen" glätten, indem Sie Tiefpass-Ausgangsfilter auf jeden der Ausgänge des Sekundärspulengenerators setzen.
Dies ist der Filterung von Bildern aus einem Digital-Analog-Wandler (DAC) sehr ähnlich.
Der SDG1000X und der SDG2000X haben Modulationsabtasttakte, die mit 600 kHz arbeiten. Durch Hinzufügen eines Tiefpassfilters mit einem Durchlassbereich unterhalb der Nyquist-Grenze für 600 kHz.
Entwerfen Sie den Filter so, dass der Durchlassbereich unterhalb der 1. Bildfrequenz liegt.

Fazit

Die Simulation von Resolverausgängen mit Hilfe von Arbiträrsignalgeneratoren bietet eine einfache Möglichkeit, den Betrieb von Resolverschaltungen und -software zu überprüfen und Fehler zu beheben. Die SIGLENT SDG1000X und 2000X Serien bieten flexible und schnelle Testinstrumente für diese Anwendung.