Осциллограф R&S MXO и проектирование электрических трансмиссий с T&M Solutions

Осциллограф R&S MXO от Rohde & Schwarz позволяет в режиме реального времени получать информацию о формах сигналов напряжения и тока благодаря высокой точности и улучшенным аппаратным возможностям измерения.

Оптимизация электрических трансмиссий – это сложный и многогранный процесс, требующий проведения широкомасштабных измерений для определения характера поведения элементов и проведения жестких испытаний общей производительности системы. В настоящее время наблюдается электрификация автомобильной промышленности для сокращения выбросов вредных веществ и зависимости от ископаемого топлива. Это преобразование привело к быстрому внедрению инноваций в конструкцию электроприводов, направленных на повышение производительности, экономичности и надежности. Точные измерения и анализ электроприводов позволяют получить важнейшее представление об их функционировании и поведении.

Электрические трансмиссии включают в себя инверторы, двигатели и силовую электронику и являются основой электромобилей. Характеристики трансмиссии напрямую влияют на ускорение, запас хода и общее поведение при вождении. Тщательные измерения и анализ необходимы для оптимизации работы трансмиссии и обеспечения бесперебойной интеграции систем автомобиля. На самом деле многие другие компоненты трансмиссии, например, конденсатор постоянного тока, вспомогательные инверторы, системы управления аккумуляторами, встроенные зарядные устройства и датчики, также могут оказывать влияние на общую производительность системы. Поскольку каждый блок имеет несколько разные условия эксплуатации при различных тепловых и механических нагрузках, простое компьютерное моделирование показывает только теоретическое поведение системы, которое еще нужно проверить с помощью специальных тестовых и измерительных устройств, чтобы лучше понять, как каждый компонентный блок влияет на другие.

При определении характеристик трансмиссии учитывается множество факторов, требующих полной интеграции и оптимальной функциональности. Анализ формы сигналов напряжения и тока в критических точках трансмиссии необходим для оценки преобразования мощности, эффективности и коэффициентов мощности, чтобы определить, какие области можно улучшить. Испытания начинаются с определения характеристик компонентов инвертора и выбора требуемой производительности переключения. Затем в ходе тестов определяется конструкция привода и проверяются алгоритмы управления приводом, обеспечивающие точное поведение двигателя и его быструю реакцию. Анализ переходных процессов в приводе помогает оценить реакцию трансмиссии на внезапные изменения нагрузки или мощности, а снижение искажений сигналов улучшает качество электропитания и общую надежность трансмиссии. Комплексный подход способствует глубокому пониманию поведения трансмиссии для лучшей оптимизации производительности.

Внедрение инноваций с помощью осциллографа

Осциллографы серии R&S MXO от Rohde & Schwarz (рис. 1) представляют собой комплексное решение, адаптированное к различным требованиям к измерениям, позволяющее получать информацию о формах сигналов напряжения и тока в режиме реального времени. Инженеры и техники теперь могут исследовать сложные механизмы и оптимизировать работу трансмиссии (рис. 2). Анализаторы мощности, низкочастотные векторные анализаторы и шинный декодер необходимы для точных измерений, но осциллографы играют уникальную роль, визуализируя временные и амплитудные зависимости для определения поведения в зависимости от времени. В осциллографы Rohde & Schwarz встроены такие передовые инструменты, как быстрое преобразование Фурье, математические функции, анализ сигналов, декодирование протоколов цифровой связи и анализ частотной характеристики. Инженеры могут использовать эти возможности для более глубокого изучения эксплуатационных характеристик трансмиссии и выявления возможностей для оптимизации.

Рисунок 1: Осциллографы R&S MXO от Rohde & Schwarz оснащены интерфейсом для высоковольтных дифференциальных датчиков и датчиков тока, которые часто используются при анализе трансмиссии.

Рисунок 2: Инвертор преобразует постоянный ток в трехфазный переменный

Серия осциллографов R&S MXO отличается своей производительностью и возможностями, адаптированными для оптимизации электропривода. Высокоскоростная система сбора сигналов со скоростью до 4,5 миллионов сигналов в секунду обеспечивает близкое к нулю время простоя и позволяет фиксировать переходные процессы с непревзойденной точностью. Высокая скорость записи не требует специального режима работы и позволяет получать сигналы в режиме реального времени по нескольким каналам. Практически отсутствующие сбои, которые легко пропустить в более медленных инструментах, теперь можно легко и полностью увидеть при записи сигналов в реальном времени. Измерительные и математические функции, реализованные в аппаратном обеспечении, также способствуют быстрому получению данных. Быстрое накопление полученных данных и результатов измерений обеспечивает достаточную достоверность данных и сокращает время, необходимое для сбора результатов для статистического анализа.

18-битное вертикальное разрешение высокой четкости (HD) обеспечивает осциллографам наиболее точное представление формы сигнала. Что еще более важно, HD разрешение не искажает выборки сигнала, подаваемые в цифровую триггерную систему, для точного захвата формы сигнала с точностью чувствительности 0,0001 деления и позволяет обнаруживать сбои со скоростью 200 кадров в секунду, что позволяет пользователям настраивать условия срабатывания триггера и обнаруживать события в элементах управления инвертора. Чувствительность срабатывания также можно регулировать, чтобы избежать ложных срабатываний инвертора и электропривода в шумной электронной среде. Цифровой триггер необходим при анализе переходных процессов, поскольку нужно фиксировать реакцию трансмиссии на внезапные изменения нагрузки или мощности. Возможность точно фиксировать такие моменты позволяет инженерам выявлять и устранять временные помехи для повышения надежности и производительности трансмиссии.

Точное и быстро реагирующее поведение двигателя зависит от проверки алгоритма управления двигателем. Осциллографы R&S MXO помогают в этом процессе, позволяя анализировать сигналы управления двигателем в режиме реального времени для точного согласования с управляющими входами, что имеет решающее значение для оптимизации характеристик трансмиссии и обеспечения бесперебойной работы в различных дорожных условиях. Мощная стандартная память в приборах R&S MXO 5 серии можно использовать для наблюдения сигналов формы волны в течение более длительных периодов времени, сохраняя при этом высокую частоту дискретизации для получения подробной информации о сигнале. Аппаратное обеспечение для обработки сигналов также позволяет взаимодействовать и анализировать сигналы формы волны даже при большой продолжительности записи в режиме HD.

Искажения сигнала могут ухудшать качество электроэнергии и снижать общую надежность трансмиссии. Осциллографы R&S MXO могут использоваться для обнаружения и анализа гармонических искажений в электроприводах и помогают принимать корректирующие меры, повышающие качество электроэнергии и надежность системы. Комплексный подход обеспечивает полное понимание работы трансмиссии и помогает оптимизировать производительность. Пользователи могут одновременно проводить тестирование на наличие нескольких сигналов в различных источниках тока. Этот анализ является фундаментальным компонентом, необходимым для характеристики многофазных электроприводов. Сверхбыстрые спектральные возможности со скоростью 45 тысяч БПФ в секунду обеспечивают оперативный анализ БПФ, который выходит за рамки помех сигналов и позволяет выявить дисбалансы в системе привода двигателя, вызванные механическими ошибками ротора и проблемами установки статора. Быстрый БПФ также помогает оценить электромагнитные помехи трансмиссии с помощью датчиков ближней зоны, чтобы обнаружить источники помех и снизить их влияние на работу системы.

Автомобильные шины, такие как CAN и автомобильная локальная сеть локальная сеть Ethernet, широко используются в системах трансмиссии. Шины предназначены для передачи данных ввода-вывода с ограниченными кабельными соединениями и должны работать в более экстремальных условиях без сбоев. Микроконтроллер или процессор настраивает различные алгоритмы управления на основе информации от датчиков, которые могут указывать на различные условия движения. Осциллографы также оснащены функциями анализа протоколов, что позволяет инженерам получить полное представление о работе трансмиссии. Поддерживаются популярные автомобильные датчики и системы управления CAN-XL и 10Base-T1S. Время отклика на команды – это некоторая подробная информация, которую можно оценить с помощью представления шины протокола, реакции драйвера шлюза и поведения переходного двигателя.

Проблемы с затвором транзистора

Автомобильная промышленность переходит от биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) к широкополосным технологиям (WBG), таким как транзисторы из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Последние имеют более высокую скорость переключения и меньшее сопротивление динамическому включению, что приводит к повышению эффективности и быстродействия. Несмотря на то, что версия из карбида кремния более популярна, поскольку использование пластин более экономично, все еще ведутся исследования по адаптации GaN с использованием конструкции затворной пластины.

Ожидается, что в конечном итоге плотность мощности достигнет уровня устройств с SiC. Все более быстрые нарастания и спадания фронтов, связанные с транзисторами с широкой энергетической щелью, создают проблемы при проектировании в виде электромагнитных помех и побочных сигналов.

Осциллограф R&S MXO полезен для анализа сценария и помогает обеспечить достаточное время простоя между переключением затвора высокого и низкого напряжения

Осциллографы R&S MXO имеют максимальную ширину спектра сигнала 2 ГГц и также могут использоваться для оценки компонентов полупроводников, способных работать при более высоких напряжениях, температурах и частотах. Большинство приводов, находящихся в производстве, по-прежнему работают в диапазоне 200 МГц, но со временем промышленность будет стремиться к более высокой частоте переключения и скорости нарастания частоты для снижения потерь и снижения динамического сопротивления (т.е. меньших потерь на проводимость) для повышения эффективности и ускорения реакции привода. Повышение эксплуатационных пределов также имеет решающее значение для точности измерений. 18-разрядная архитектура осциллографа и чувствительный цифровой триггер помогают улучшить настройки измерений и получить лучшие результаты по сравнению с обычными осциллографами, особенно в области синхронизации драйвера затвора. Тщательный расчет времени простоя помогает предотвратить просадку, при которой активируются как затворы инвертора как высокого, так и низкого напряжения (см. рис. 3 и рис. 4).

Рисунок 3: Осциллограф R&S MXO с функцией отслеживания позволяет визуализировать широтно-импульсную модуляцию инвертора в виде графиков для анализа

Рисунок 4: Цифровой триггер R&S MXO полезен для анализа сценария и помогает обеспечить достаточное время простоя между переключением затвора высокого и низкого напряжения

Осциллографы серии R&S MXO решение для тестирования двойными импульсами.

Комитет JEDEC JC-70 настоятельно рекомендует проведение двойного импульсного тестирования для определения характеристик транзисторов с полупроводниками, способными работать при более высоких напряжениях, температурах и частотах. Несмотря на то, что концепция очень проста, настройка измерений по-прежнему является сложной задачей для отрасли. Установка для испытаний с драйвером для управления затвором, конденсаторными батареями и нагрузочной катушкой индуктивности должна быть тщательно спроектирована таким образом, чтобы свести к минимуму побочную индуктивность для получения стабильных результатов испытаний. Особое внимание необходимо уделять различным компонентным модулям и диапазонам испытаний. Компания Rohde & Schwarz совместно с компанией PE Systems GmbH предлагает осциллографы серии R&S MXO, которые работают с их установкой для испытаний, создавая комплексное решение для тестирования двойными импульсами. PE Systems использует модульный подход к тестированию двойных импульсов и обладает опытом настройки в соответствии с требованиями пользователя для получения оптимальных и стабильных результатов. Двухканальный генератор произвольной частоты R&S MXO с частотой до 100 МГц легко настраивается на двойные импульсы с помощью программного обеспечения. Драйвер для управления затвором запускается для настройки последовательности переключений в соответствии с требованиями испытания. В новые осциллографы встроено программное обеспечение для автоматизации и составления отчетов, которое идеально подходит для определения характеристик компонентов электропривода.

Осциллографы R&S MXO обеспечивают:

• сбор всех необходимых данных;
• иноформативную и понятную визуализацию;
• анализ основных данных о трансмиссиях. 

И в заключении, автомобильная промышленность продолжает стремительно развиваться. Инженеры и исследователи теперь могут получать новые знания, раскрывать потенциал производительности и внедрять инновации с помощью решения Rohde & Schwarz.