أوضحت مبادئ وتطبيقات حل الإحجام

في الأتمتة الصناعية الحديثة والتحكم الميكانيكي الدقيق، يعد الكشف الدقيق عن موضع الدوران أمرًا بالغ الأهمية. ال يعد محلل التردد ، الذي يشار إليه عادة باسم محلل، جهاز استشعار موثوقًا للغاية يستخدم على نطاق واسع في المحركات المؤازرة والروبوتات والتطبيقات الأخرى التي تتطلب تحديد المواقع بدقة. تقدم هذه المقالة بإيجاز مبادئ عمل أدوات الحل وكيفية تحقيق تحديد المواقع الدوراني.

المحلل عبارة عن مستشعر تناظري يعتمد على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، وهو قادر على تحويل الزاوية الميكانيكية للدوار إلى إشارات كهربائية. على عكس أجهزة الاستشعار الرقمية مثل أجهزة التشفير الضوئية، توفر وحدات الحل إشارات تناظرية مستمرة لمعلومات موضع الدوران، مما يوفر إمكانات وموثوقية فائقة ضد التداخل، خاصة في البيئات القاسية.

الهيكل الأساسي ومبادئ العمل لمحللات التردد

لفهم كيفية تحقيق أدوات حل الممانعة لتحديد المواقع الدورانية بدقة، من الضروري التعمق في بنيتها الفيزيائية الفريدة. يشكل التصميم المبتكر لهذه المستشعرات أساس أدائها العالي ويجسد التطبيق العملي لمبادئ الحث الكهرومغناطيسي.

التصميم الهيكلي الثوري

يتكون هيكل محلل الممانعة من ثلاثة مكونات رئيسية: الجزء الثابت , قلب ، ونظام اللف . يتم تصنيع قلب الجزء الثابت من صفائح فولاذية من السيليكون عالية النفاذية، مع أسنان كبيرة (أحذية عمود) مثقوبة على المحيط الداخلي، وكل منها مقسم إلى أسنان صغيرة متباعدة بشكل متساوٍ. يتم حساب ترتيب وشكل هذه الأسنان الصغيرة بدقة لضمان التوزيع المثالي للمجال المغناطيسي الجيبي. الدوار أبسط، وهو مصنوع فقط من شرائح السيليكون الفولاذية المسننة دون أي لفات أو مكونات إلكترونية. يعد هذا التصميم 'السلبي' أمرًا أساسيًا للموثوقية العالية لوحدة الحل.

يقع نظام اللف بالكامل على الجزء الثابت ويتضمن ملف إثارة واثنين من ملفات الإخراج المتعامدة (ملفات الجيب وجيب التمام). يتم تركيز هذه اللفات وتوزيعها وفق نمط جيبي لضمان الخصائص الجيبية لإشارات الخرج. ومن الجدير بالذكر أن ملفات الإخراج يتم ترتيبها في تكوين سلسلة متناوبة وعكسية، مما يؤدي بشكل فعال إلى قمع التداخل التوافقي وتحسين نقاء الإشارة.

مبدأ تحديد المواقع على أساس تباين الممانعة

يدور مبدأ عمل محلل التردد حول تعديل التوصيل المغناطيسي لفجوة الهواء . عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد الجيبي (عادة 7 فولت عند 1-10 كيلو هرتز) على ملف الإثارة، يتم إنشاء مجال مغناطيسي متناوب في الجزء الثابت. يمر هذا المجال المغناطيسي عبر فجوة الهواء إلى الدوار. بسبب وجود أسنان الدوار، فإن الممانعة المغناطيسية (عكس التوصيل المغناطيسي) للدائرة المغناطيسية تتغير بشكل دوري مع موضع الدوار.

على وجه التحديد، عندما تتم محاذاة أسنان الجزء الدوار مع أسنان الجزء الثابت، يتم تقليل الممانعة إلى الحد الأدنى، ويتم تعظيم التدفق المغناطيسي. على العكس من ذلك، عندما تتم محاذاة فتحات الجزء الدوار مع أسنان الجزء الثابت، فإن الممانعة تصل إلى الحد الأقصى، ويتم تقليل التدفق المغناطيسي. لكل خطوة سنية يدورها الدوار، تُكمل الموصلية المغناطيسية لفجوة الهواء دورة كاملة من الاختلاف. هذا التعديل للمجال المغناطيسي المثير يستحث إشارات الجهد في ملفات الخرج، والتي ترتبط سعاتها بالموضع الزاوي للعضو الدوار.

رياضياً، إذا كان جهد الإثارة e₁=E₁msinωt، يمكن التعبير عن جهد ملفي الخرج على النحو التالي:

· مخرجات اللف الجيبية: eₛ=Eₛₘcosθsinωt

· إخراج لف جيب التمام: e_c=E_cmsinθsinωt

هنا، θ تمثل الزاوية الميكانيكية للدوار، وω هي التردد الزاوي لإشارة الإثارة. من الناحية المثالية، يجب أن يكون Eₛₘ وE_cm متساويين، لكن تفاوتات التصنيع قد تؤدي إلى أخطاء في السعة، مما يتطلب معايرة أو تعويض الدائرة.

أزواج القطب ودقة القياس

تعد أزواج القطب لمحلل التردد معلمة حرجة تؤثر بشكل مباشر على دقة القياس ودقة الوضوح. يتوافق عدد أزواج الأقطاب مع عدد أسنان الدوار ويحدد زاوية الدوران الميكانيكية المطلوبة لدورة إشارة كهربائية كاملة. على سبيل المثال، سينتج محلل ذو 4 أزواج أقطاب 4 دورات إشارة كهربائية لكل دوران ميكانيكي، مما يؤدي بشكل فعال إلى 'تضخيم' الزاوية الميكانيكية بعامل 4 للقياس.

تتراوح أجهزة حل التردد الشائعة في السوق من 1 إلى 12 زوجًا من الأقطاب. يتيح عدد الأقطاب الأعلى نظريًا دقة زاويّة أعلى، مع تحقيق وحدات الحل ذات 12 قطبًا ±0.1 درجة أو دقة أفضل. ومع ذلك، فإن زيادة أزواج الأقطاب تزيد أيضًا من تعقيد معالجة الإشارة، مما يستلزم إجراء مقايضة بناءً على متطلبات التطبيق.

تسمح طريقة قياس الزاوية هذه، المستندة إلى تباين الممانعة والحث الكهرومغناطيسي، لمحللات الممانعة بالعمل بثبات عبر نطاق واسع من درجات الحرارة (-55 درجة مئوية إلى +155 درجة مئوية)، مع معدلات حماية تصل إلى IP67 أو أعلى. يمكنها تحمل الاهتزازات والصدمات القوية، مما يجعلها مثالية للبيئات الصعبة مثل السيارات والفضاء والتطبيقات العسكرية.

تقنيات معالجة الإشارات وحساب الزوايا

تتطلب الإشارات التناظرية الناتجة عن وحدات حل الممانعة دوائر معالجة متخصصة لتحويلها إلى معلومات زاوية رقمية قابلة للاستخدام. تتضمن هذه العملية خوارزميات معقدة لتكييف الإشارات وفك تشفيرها، والتي تعد ضرورية لتحقيق تحديد المواقع بدقة عالية في أنظمة المحلل.

من الإشارات التناظرية إلى الزوايا الرقمية

الإشارات الأولية الصادرة من محلل الممانعة عبارة عن موجتين جيبيتين (sinθsinωt وcosθsinωt) يتم تشكيلهما بواسطة زاوية الجزء المتحرك. يتضمن استخراج معلومات الزاوية θ عدة خطوات معالجة. أولاً، تخضع الإشارات لتصفية ممر الموجة لإزالة الضوضاء عالية التردد والتداخل منخفض التردد. بعد ذلك، يزيل إزالة التشكيل الحساس للطور (أو إزالة التشكيل المتزامن) تردد الموجة الحاملة (عادةً 10 كيلو هرتز)، مما ينتج عنه إشارات منخفضة التردد sinθ وcosθ تحتوي على معلومات الزاوية.

تستخدم أنظمة فك التشفير الحديثة عادةً معالجات الإشارات الرقمية (DSPs) أو محولات محلل إلى رقمي مخصصة (RDC) لحساب الزوايا. تستخدم هذه المعالجات خوارزميات CORDIC (كمبيوتر رقمي للدوران المنسق) أو عمليات ظل قوسي لتحويل إشارات sinθ وcosθ إلى قيم زاوية رقمية. على سبيل المثال، يتميز المتحكم الدقيق dsPIC30F3013 بوحدة ADC مدمجة لأخذ عينات متزامنة من الإشارتين، تليها خوارزميات برمجية لحساب الزاوية الدقيقة.

تعويض الأخطاء وتعزيز الدقة

في التطبيقات العملية، يمكن لعوامل مختلفة أن تؤدي إلى أخطاء في القياس، بما في ذلك:

· خلل في الاتساع:

اتساع غير متساوي لإشارات الجيب وجيب التمام (Eₛₘ≠E_cm)

· انحراف الطور:

فرق طور غير مثالي قدره 90 درجة بين الإشارتين

· التشوه التوافقي:

تشويه الإشارة بسبب توزيع المجال المغناطيسي غير الجيبي

· الخطأ المتعامد:

الانحراف الزاوي الناتج عن التثبيت غير الدقيق للملفات

لتحسين دقة النظام، تستخدم دوائر فك التشفير المتقدمة تقنيات تعويض مختلفة. على سبيل المثال، تعمل دوائر التحكم التلقائي في الكسب (AGC) على موازنة سعة الإشارتين، وتمنع المرشحات الرقمية التداخل التوافقي، وتتضمن خوارزميات البرامج شروط تعويض الخطأ. من خلال التصميم والمعايرة الدقيقة، يمكن لأنظمة المحلل تحقيق أخطاء زاوية في نطاق ±0.1 درجة، مما يلبي متطلبات معظم التطبيقات عالية الدقة.

الاتجاهات في تقنيات فك التشفير الجديدة

يقود التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات الابتكار في معالجة إشارات المحلل. يتم تدريجياً استبدال دوائر إزالة التشكيل التقليدية ذات المكونات المنفصلة بحلول متكاملة . تدمج بعض شرائح فك التشفير الجديدة مولدات إشارات الإثارة، ودوائر تكييف الإشارة، ووحدات الحساب الرقمي، مما يبسط تصميم النظام بشكل كبير.

وفي الوقت نفسه، فك التشفير المعرف بالبرمجيات شعبية. يكتسب يعمل هذا النهج على تعزيز القوة الحسابية للمعالجات الدقيقة عالية الأداء لتنفيذ معظم وظائف معالجة الإشارات في البرامج، مما يوفر قدرًا أكبر من المرونة وقابلية البرمجة. على سبيل المثال، يمكن تعديل معلمات المرشح أو خوارزميات التعويض أو حتى تنسيقات بيانات الإخراج للحصول على حلول قياس زاوية مخصصة.

ومن الجدير بالذكر أن نظام فك التشفير لا يقل أهمية عن وحدة الحل نفسها. يمكن لدائرة فك التشفير المصممة جيدًا أن تحقق تمامًا إمكانات أداء وحدة الحل، في حين أن حل فك التشفير منخفض الجودة قد يصبح عنق الزجاجة لنظام القياس بأكمله. لذلك، عند اختيار حل محلل، يجب النظر بعناية في التوافق بين المستشعر ووحدة فك التشفير.

مزايا الأداء ومجالات تطبيق محللات التردد

بفضل مبادئ عملها الفريدة وتصميمها الهيكلي، تتفوق أجهزة حل الممانعة على أجهزة استشعار الموضع التقليدية في العديد من مقاييس الأداء الرئيسية. هذه المزايا تجعلها الخيار المفضل لاكتشاف الزوايا في العديد من التطبيقات الصناعية الصعبة.

تفوق الأداء الشامل على أجهزة الاستشعار التقليدية

بالمقارنة مع أجهزة الكشف عن الموقع التقليدية مثل أجهزة التشفير الضوئية وأجهزة استشعار هول، فإن أجهزة حل الممانعة تعرض مزايا أداء شاملة:

· قدرة استثنائية على التكيف البيئي:

تعمل بثبات في درجات حرارة تتراوح من -55 درجة مئوية إلى +155 درجة مئوية، مع تصنيفات حماية تصل إلى IP67 أو أعلى، ويمكنها تحمل الاهتزازات والصدمات القوية (على سبيل المثال، البيئات القاسية مثل حجرات محركات السيارات).

· العمر الافتراضي الطويل بدون تلامس:

إن عدم وجود اللفات أو الفرش على الدوار يمنع التآكل الميكانيكي، مما يتيح عمر افتراضي يصل إلى عشرات الآلاف من الساعات.

· استجابة فائقة السرعة:

يدعم سرعات تصل إلى 60,000 دورة في الدقيقة، وهو ما يتجاوز بكثير حدود معظم أجهزة التشفير الضوئية.

· قياس الموقع المطلق:

يوفر معلومات الزاوية المطلقة دون الحاجة إلى نقطة مرجعية، ويقدم بيانات الموقع فور تشغيله.

· قدرة قوية ضد التداخل:

بناءً على الحث الكهرومغناطيسي، فهو غير حساس للغبار والزيت والرطوبة والمجالات المغناطيسية الخارجية.

التطبيقات الأساسية في مركبات الطاقة الجديدة

في صناعة مركبات الطاقة الجديدة، أصبحت أدوات حل التردد هي المعيار الذهبي للكشف عن موضع المحرك. يتم استخدامها على نطاق واسع في أنظمة التحكم في محرك القيادة للمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEVs) والمركبات الكهربائية الهجينة (HEVs)، مع وظائف رئيسية تشمل:

· اكتشاف موضع الدوار:

يوفر معلومات دقيقة عن زاوية الدوار للتحكم في ناقلات الحركة للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs).

· قياس السرعة:

يحسب سرعة المحرك من معدل تغير الزاوية، مما يتيح التحكم في سرعة الحلقة المغلقة.

· نظام التوجيه الكهربائي (EPS):

يكتشف زاوية عجلة القيادة لتقديم مساعدة دقيقة في التوجيه.

الأتمتة الصناعية والتطبيقات الخاصة

وبعيدًا عن قطاع السيارات، تُستخدم أدوات حل التردد أيضًا على نطاق واسع في الأتمتة الصناعية:

· أدوات الآلات CNC:

تحديد موضع المغزل وقياس زاوية محور التغذية.

· مفاصل الروبوت:

التحكم الدقيق في حركات الذراع الروبوتية.

· آلات النسيج:

التحكم في شد الغزل وكشف زاوية اللف.

· آلات القولبة بالحقن:

مراقبة موضع المسمار والتحكم فيه.

· العسكرية والفضاء:

تحديد موقع هوائي الرادار، والتحكم في دفة الصاروخ، وغيرها من التطبيقات البيئية القاسية.

في النقل بالسكك الحديدية والسكك الحديدية عالية السرعة، يتم استخدام أدوات حل الممانعة لسرعة محرك الجر واكتشاف الموقع، حيث تعمل موثوقيتها العالية وميزاتها الخالية من الصيانة على تقليل تكاليف دورة الحياة بشكل كبير. البيئات القاسية مثل آلات التعدين (على سبيل المثال، مركبات نقل الفحم تحت الأرض ومحركات الحزام الناقل) تعتمد بشكل متزايد على أجهزة حل التردد لتحل محل أجهزة الاستشعار التقليدية.

ومع ظهور الصناعة 4.0 والتصنيع الذكي، تتطور أدوات حل التردد نحو دقة أعلى وحجم أصغر وذكاء أكبر. ستركز منتجات الجيل التالي على التوافق مع التصميمات المتكاملة لمحرك علبة التروس، بالإضافة إلى تطوير أنواع مختلفة مقاومة للزيت ومقاومة لدرجات الحرارة العالية لتلبية متطلبات الأنظمة المبردة بالزيت. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن يصبح النقل اللاسلكي وقدرات التشخيص الذاتي اتجاهات مستقبلية، مما يزيد من توسيع نطاق تطبيقاتها.

التحديات التقنية والاتجاهات المستقبلية لمحللي التردد

على الرغم من أدائها المتميز وموثوقيتها في مختلف المجالات، لا تزال حلول التردد تواجه تحديات تقنية وتظهر اتجاهات ابتكارية واضحة.

الاختناقات الفنية والحلول الحالية

تمثل متطلبات دقة التصنيع العالية تحديًا كبيرًا لمحللي التردد. تؤثر دقة تصنيع أسنان الجزء الثابت، وانتظام توزيع اللف، والتوازن الديناميكي للدوار بشكل مباشر على دقة المستشعر وأدائه. بالنسبة لأجهزة الحل عالية الدقة ذات أزواج قطبية متعددة (على سبيل المثال، 12 زوجًا من الأقطاب)، فحتى أخطاء التصنيع على مستوى الميكرون يمكن أن تؤدي إلى أخطاء غير مقبولة في السعة أو الطور. تتضمن حلول هذه المشكلة ما يلي:

· اعتماد قوالب ختم عالية الدقة وعمليات تصفيح آلية لضمان الاتساق ودقة فتحة الأسنان في القلب.

· تقديم تحليل المجال المغناطيسي للعناصر المحدودة لتحسين تصميم الدوائر المغناطيسية وتعويض تفاوتات التصنيع.

· تطوير خوارزميات التعويض الذاتي لتصحيح أخطاء الاستشعار الكامنة تلقائياً أثناء معالجة الإشارة.

التحدي الآخر هو تعقيد تكامل النظام . على الرغم من أن وحدة الحل نفسها لديها بنية بسيطة، إلا أن نظام القياس الكامل يتضمن أنظمة فرعية مثل إمدادات طاقة الإثارة، ودوائر تكييف الإشارة، وخوارزميات فك التشفير، والتي يمكن أن تصبح اختناقات إذا تم تصميمها بشكل سيء. ولمعالجة هذه المشكلة، تتجه الصناعة نحو الحلول المتكاملة :

· دمج مولدات الإثارة وتكييف الإشارة ودوائر فك التشفير في شريحة واحدة لتبسيط تصميم النظام.

· تطوير واجهات موحدة (على سبيل المثال، SPI، CAN) للتكامل السلس مع وحدات التحكم الرئيسية.

· توفير مجموعات التطوير الشاملة، بما في ذلك التصاميم المرجعية ومكتبات البرامج وأدوات المعايرة.

اتجاهات الابتكار والاتجاهات المستقبلية

سوف يحقق الابتكار المادي اختراقات في الأداء لمحللي التردد. يمكن للمركبات المغناطيسية الناعمة الجديدة (SMCs) ذات الخصائص المغناطيسية المتناحية ثلاثية الأبعاد تحسين توزيع المجال المغناطيسي وتقليل التشوه التوافقي. وفي الوقت نفسه، ستعمل المواد العازلة ذات درجة الحرارة العالية والطلاءات المقاومة للتآكل على توسيع نطاق بيئة تشغيل المستشعر.

الذكاء هو اتجاه حاسم آخر لحل التردد في المستقبل. من خلال دمج المعالجات الدقيقة وواجهات الاتصال، يمكن لوحدات الحل تحقيق ما يلي:

· وظائف التشخيص الذاتي:

المراقبة في الوقت الحقيقي لحالة المستشعر والتنبؤ بالعمر المتبقي.

· التعويض التكيفي:

الضبط التلقائي لمعلمات التعويض بناءً على التغيرات البيئية (مثل درجة الحرارة).

· واجهات شبكية:

دعم بروتوكولات الاتصال المتقدمة مثل Ethernet الصناعية، وتسهيل التكامل في أنظمة إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT).

وفيما يتعلق بتوسيع التطبيقات ، تتقدم أدوات حل الممانعة في اتجاهين: نحو تطبيقات عالية الدقة (مثل معدات تصنيع أشباه الموصلات، والروبوتات الطبية) التي تتطلب قدرًا أكبر من الدقة والموثوقية، ونحو تطبيقات أكثر اقتصادية وواسعة النطاق (مثل الأجهزة المنزلية وأدوات الطاقة) من خلال تصميمات مبسطة وإنتاج ضخم لخفض التكاليف.

هناك اتجاه جدير بالملاحظة بشكل خاص وهو تطبيق أدوات حل التردد في الجيل التالي من مركبات الطاقة الجديدة . مع تطور الأنظمة الحركية نحو سرعات أعلى وتكامل، يجب أن تلبي مستشعرات الموضع المتطلبات الأكثر تطلبًا:

· دعم السرعات الفائقة التي تتجاوز 20,000 دورة في الدقيقة.

· تحمل درجات الحرارة فوق 150 درجة مئوية.

· التوافق مع تصميمات منع تسرب النظام المبرد بالزيت.

· أبعاد تركيب أصغر ووزن أخف.

التقدم في مجال التقييس والتصنيع

ومع نضوج تكنولوجيا حل التردد، جهود التقييس أيضًا. تتقدم وضعت الصين معايير وطنية مثل GB/T 31996-2015 المواصفات الفنية العامة للمحللات لتنظيم مقاييس أداء المنتج وطرق الاختبار. وفيما يتعلق بالتصنيع، وصلت تكنولوجيا حل التردد الصينية إلى مستويات متقدمة دولية.

ومن المتوقع أنه مع التقدم التكنولوجي والتصنيع، ستحل أجهزة حل التردد محل أجهزة الاستشعار التقليدية في المزيد من المجالات، لتصبح الحل السائد للكشف عن الموقع الدوراني وتوفير الدعم الفني الحاسم للأتمتة الصناعية وتطوير مركبات الطاقة الجديدة.