I. Základní principy rezolverů variabilní neochoty
Zaprvé, abychom pochopili návrh, musíme pochopit jeho základní rozdíly od tradičních resolverů rány:
· Tradiční resolver: Stator i rotor mají vinutí. Excitační signál a výstupní signál jsou elektromagneticky indukovány přes vzduchovou mezeru.
· Variabilní neochota (VR) Resolver: pouze stator má vinutí . Rotor je nevázaná feromagnetická složka vyrobená z významných pólů nebo ozubené struktury. Jeho pracovní princip je založen na změně neochoty.
o Vinutí statoru: Obvykle zahrnují jedno excitační vinutí (primární) a dvě výstupní vinutí (sinusové a kosinové vinutí, sekundární), které jsou prostorově ortogonální (90 elektrických stupňů od sebe).
o Otočení rotoru: Když se rotor s pružnými póly otáčí, změní délku vzduchové mezery a neochotu magnetického obvodu.
o Modulace signálu: Variace v reluktance vzduchu moduluje (amplitudová modulace) amplituda napětí indukovaná ve výstupním vinutí excitačním magnetickým polem. Amplitudové obálky obou výstupních vinutí jsou sinusoidní a kosinové funkce úhlu rotoru.
Její výhody jsou: jednoduchá struktura, drsná a odolná (bezkartáčová), nízké náklady, vysoká spolehlivost, schopnost odolat vysokorychlostním a vysokoteplotním prostředím . Nevýhodou je, že přesnost a linearita jsou obvykle o něco nižší než u vysoce přesných rezolrů rány.
Ii. Proces navrhování a klíčové úvahy
Proces návrhu je iterativní a obvykle se řídí těmito kroky:
1. Definujte specifikace designu
Toto je výchozí bod pro všechny návrhy a musí být nejprve objasněn:
· Počet párů pólů (P): Určuje vztah mezi elektrickými a mechanickými úhly (θ_electric = P * θ_mechanical). Běžné konfigurace jsou 1 pólový pár (unipolární) a 2 pólové páry (bipolární). Počet párů pólů ovlivňuje přesnost a maximální rychlost.
· Požadavky na přesnost: Obvykle vyjádřené v arcminutech (') nebo Milliradians (MRAD). Vysoce přesné návrhy vyžadují extrémně vysoké požadavky na výrobu, materiály a harmonické potlačení magnetického pole.
· Vstupní excitační signál: amplituda excitačního napětí, frekvence (běžné jsou 4 kHz, 10 kHz atd.), Formon vlny (obvykle sinusoidní).
· Transformační poměr (TR): poměr výstupního napětí k vstupnímu napětí (v poloze maximální vazby).
· Elektrická chyba: Zahrnuje chybu funkce, chyba nulového napětí, chyba fázové chyby atd.
· Provozní prostředí: teplotní rozsah, vibrace, šok, vlhkost, hodnocení ochrany vstupů (IP).
· Omezení velikosti: vnější průměr, vnitřní otvor, tloušťka (délka).
· Parametry impedance: Impedance vstupu/výstupu, ovlivňující porovnávání s následnými obvody.
2. elektromagnetický design - součást jádra
· Návrh laminace statoru/rotoru:
o Výběr materiálu: Obvykle používá křemíkové ocelové listy s vysokou propustností a nízkou ztrátou železa (např. DW540, 50JN400).
O kombinace o pólu: Toto je duše designu. Musí být stanoven počet statorových slotů (ZS) a rotorových význačných pólů (ZR). Nejběžnější kombinací je Zr = 2p (počet rotorových pólů se rovná dvojnásobku počtu párů pólů) a Zs je násobek Zr. Například unipolární resolver (p = 1) často používá ZS = 4, Zr = 2 ; Bipolární resolver (P = 2) často používá ZS = 8, Zr = 4 nebo Zs = 12, Zr = 6.
o Tvar slotu/pólu: Tvar zubů (paralelní, zužující se) ovlivňuje distribuci magnetického pole a harmonický obsah. Rozměry, jako je šířka zubů, šířka otevírání štěrbin a tloušťka třmenů, potřebují optimalizaci, aby se maximalizovala základní magneto-motivá síla (MMF) a minimalizovala harmonické sloty.
o Air Gap: Velikost vzduchové mezery je kritický kompromis. Malá vzduchová mezera zvyšuje poměr transformace a sílu signálu, ale zvyšuje potíže s výrobou, citlivost k excentricitě a zvlnění točivého momentu. Velká vzduchová mezera má opačný účinek. Typicky navržený mezi 0,05 mm - 0,25 mm.
· Návrh vinutí:
o Typ: Obvykle se používají distribuovaná vinutí nebo koncentrované (zubní) vinutí. Distribuovaná vinutí (jedna cívka překlenující více slotů) produkují sinusové magnetické pole, ale jsou složitější k výrobě; Koncentrované vinutí jsou jednodušší, ale mají vyšší harmonické.
o výpočet otočení: Na základě poměru cílové transformace, excitačního napětí a frekvence určete počet zatáček pro vinutí excitace a vinutí sinusového/kosinu pomocí elektromagnetického výpočtu. Počet otáček pro dvě výstupní vinutí musí být přísně identické.
o metoda připojení: Zajistěte, aby vinutí sinusové a kosiny byly prostorově přísně 90 elektrických stupňů.
3. Simulace a optimalizace magnetického pole (simulace FEA) - Essential Modern Design Tool
Čistě analytické výpočty jsou velmi složité a nedostatečně přesné. Software analýzy konečných prvků (např. JMAG, ANSYS MAXWELL, SIMCENTER MAGNET) je nezbytný.
· Simulace statického pole: Vypočítejte distribuci magnetického pole, matice indukční a výstupní potenciál v různých úhlech rotoru.
· Simulace přechodného pole: Aplikujte skutečné excitační napětí pro simulaci průběhu výstupního napětí, přesněji odrážející výkon.
· Parametrická optimalizace: Proveďte parametrické zametání a optimalizace klíčových rozměrů, jako je tvar zubu, mezera vzduchu a otevření slotů, aby se minimalizovala chyba (např. THD) a maximalizujte transformační poměr.
· Analýza chyb: Vypočítejte elektrickou chybu prostřednictvím simulace a analyzujte zdroje chyb (např. Harmonické, účinek nahoršení, nasycení).
4. Design mechanické struktury
· Bydlení a ložiska: Navrhněte strukturu podpůrné a vyberte vhodná ložiska, abyste zajistili soustřednost mezi rotorovým a statorem a minimální změnou vzduchové mezery, přičemž odolávají specifikované vibrace a šok.
· Připojení hřídele: Navrhněte klíčové cesty, rozhraní hladkého otvoru nebo servo, abyste zajistili spolehlivé připojení a přenos bez odporu s motorovou hřídelí.
· Termální řízení: Zvažte generování tepla z vinutí a ztráty železa, abyste zabránili přehřátí ve vysokoteplotních prostředích. Konstrukce tepelné dráhy je někdy nutná.
· Elektromagnetické stínění: V případě potřeby přidejte štít, abyste zabránili interferenci z vnějších magnetických polí.
5. Úvahy o obvodu zpracování signálu
Ačkoli není součástí designu těla resolveru, musí být považováno za synergicky:
· RDC (převodník převodníku na digitální digitál): Vyberte čip RDC (např. AD2S1205, AU6802), který odpovídá impedanci a excitační frekvenci resolveru. Během návrhu je nutné porovnávat vstupní impedance.
· Obvod budicího pohonu: Vyžaduje obvod napájení op-amp, který je schopen poskytnout čistou, stabilní sinusovou vlnu.
· Filtrační obvod: Filtrujte výstupní signály pro potlačení vysokofrekvenčního šumu a harmonických.
Iii. Návrh výzev a klíčových technologií
1. Harmonická potlačení: Vzhledem k nelinearitě změny neochoty obsahuje výstupní napětí resolveru VR bohaté harmonické, které jsou hlavní příčinou chyby. Metody, jako je optimalizace kombinace pólu, optimalizace, zkreslení (sloty nebo póly) a přidávání pomocných slotů na zuby statoru mohou účinně potlačit harmonické.
2. Přesnost a náklady na vyvážení: Vysoká přesnost znamená přesnější obrábění (menší vzduchová mezera, vyšší soustřednost), materiály s vyšší kvalitou (silikonová ocel s vyšším stupněm), složitější vzory (např. Více párů pólů, zlomkové sloty) a přísnější procesy, což vede k prudkému zvyšování nákladů.
3. Drift teploty: Odolnost vůní vinutí a vlastnosti změny křemíkové oceli s teplotou, což způsobuje amplitudu a drift fáze. Je zapotřebí kompenzace v obvodu nebo softwaru, nebo by během elektromagnetického designu měly být vybrány materiály s dobrou teplotou.
Shrnutí
Doporučení návrhu:
1. Začněte se specifikacemi: Nejprve důkladně pochopte specifické požadavky scénáře vaší aplikace týkající se přesnosti, velikosti a prostředí.
2. Prokázaná řešení páky: Začněte s klasickými kombinacemi pólů (např. 4-2, 8-4), protože jsou ověřeným a spolehlivým výchozím bodem.
3. Návrh řízený simulací: Nezastavujte se u teoretických výpočtů; Okamžitě použijte software FEM k vytvoření parametrického modelu pro simulaci a optimalizaci. To je klíč ke zlepšení míry úspěšnosti designu a zkrácení vývojových cyklů.
4. Iterate and Test: Po vytvoření prototypu provádějte komplexní testy výkonu (chyba, zvýšení teploty, vibrace atd.), Porovnejte s výsledky simulace, analyzujte příčiny rozdílů a postupujte k další iteraci návrhu.
5. Přemýšlejte na úrovni systému: Zvažte a odložte senzor resolveru a downstream RDC obvod jako integrovaný systém.
Konstrukce rezolvers variabilní neochoty je vysoce praktická technologie, která vyžaduje opakované cykly teorie, simulace a experimentování.
