En la automatización industrial moderna y el control mecánico de precisión, la detección precisa de la posición de rotación es crucial. El El solucionador de reluctancia , comúnmente conocido como resolver, es un sensor altamente confiable ampliamente utilizado en servomotores, robótica y otras aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso. Este artículo presenta brevemente los principios de funcionamiento de los resolutores y cómo logran el posicionamiento rotacional.
Un resolver es un sensor analógico basado en el principio de inducción electromagnética, capaz de convertir el ángulo mecánico de un rotor en señales eléctricas. A diferencia de los sensores digitales, como los codificadores ópticos, los resolutores proporcionan señales analógicas continuas para información de posición de rotación, lo que ofrece capacidades antiinterferencias y confiabilidad superiores, especialmente en entornos hostiles.
Estructura central y principios de funcionamiento de los solucionadores de desgana
Para comprender cómo los resolutores de reluctancia logran un posicionamiento rotacional preciso, es esencial profundizar en su estructura física única. El ingenioso diseño de estos sensores constituye la base de su alto rendimiento y ejemplifica la aplicación práctica de los principios de inducción electromagnética.
Diseño estructural revolucionario
La estructura de un solucionador de reluctancia consta de tres componentes principales: el núcleo del estator , , el núcleo del rotor y el sistema de devanado . El núcleo del estator está laminado a partir de láminas de acero al silicio de alta permeabilidad, con dientes grandes (zapatas polares) perforados en la circunferencia interior, cada uno de ellos dividido en dientes pequeños espaciados uniformemente. La disposición y la forma de estos pequeños dientes se calculan meticulosamente para garantizar una distribución sinusoidal ideal del campo magnético. El rotor es más sencillo y está fabricado únicamente con láminas dentadas de acero al silicio, sin devanados ni componentes electrónicos. Este diseño 'pasivo' es clave para la alta confiabilidad del resolutor.
El sistema de devanado está ubicado íntegramente en el estator e incluye un devanado de excitación y dos ortogonales devanados de salida (devanados seno y coseno). Estos devanados están concentrados y distribuidos según un patrón sinusoidal para asegurar las características sinusoidales de las señales de salida. En particular, los devanados de salida están dispuestos en una configuración en serie alterna e inversa, lo que suprime eficazmente la interferencia armónica y mejora la pureza de la señal.
Principio de posicionamiento basado en la variación de la desgana
El principio de funcionamiento de un solucionador de reluctancia gira en torno a la modulación de la conductancia magnética del entrehierro . Cuando se aplica un voltaje de CA sinusoidal (típicamente 7 V a 1-10 kHz) al devanado de excitación, se genera un campo magnético alterno en el estator. Este campo magnético pasa a través del entrehierro hasta el rotor. Debido a la presencia de dientes del rotor, la reluctancia magnética (la inversa de la conductancia magnética) del circuito magnético cambia cíclicamente con la posición del rotor.
Específicamente, cuando los dientes del rotor se alinean con los dientes del estator, se minimiza la reluctancia y se maximiza el flujo magnético. Por el contrario, cuando las ranuras del rotor se alinean con los dientes del estator, se maximiza la reluctancia y se minimiza el flujo magnético. Por cada paso de diente que gira el rotor, la conductancia magnética del entrehierro completa un ciclo completo de variación. Esta modulación del campo magnético de excitación induce señales de voltaje en los devanados de salida, cuyas amplitudes se correlacionan con la posición angular del rotor.
Matemáticamente, si el voltaje de excitación es e₁=E₁msinωt, los voltajes de los dos devanados de salida se pueden expresar como:
· Salida del devanado sinusoidal: eₛ=Eₛₘcosθsinωt
· Salida del devanado coseno: e_c=E_cmsinθsinωt
Aquí, θ representa el ángulo mecánico del rotor y ω es la frecuencia angular de la señal de excitación. Idealmente, Eₛₘ y E_cm deberían ser iguales, pero las tolerancias de fabricación pueden introducir errores de amplitud, lo que requiere calibración o compensación del circuito.
Pares de polos y precisión de la medición
Los pares de polos de un resolver de reluctancia son un parámetro crítico que afecta directamente su precisión y resolución de medición. El número de pares de polos corresponde al número de dientes del rotor y determina el ángulo de rotación mecánico necesario para un ciclo completo de señal eléctrica. Por ejemplo, un resolutor con 4 pares de polos producirá 4 ciclos de señales eléctricas por rotación mecánica, 'amplificando' efectivamente el ángulo mecánico en un factor de 4 para la medición.
Los solucionadores de reluctancia comunes en el mercado varían de 1 a 12 pares de polos. En teoría, un mayor número de polos permite una mayor resolución angular, con resolutores de 12 polos que alcanzan ±0,1° o mejor precisión. Sin embargo, el aumento de los pares de polos también aumenta la complejidad del procesamiento de señales, lo que requiere una compensación basada en los requisitos de la aplicación.
Este método de medición de ángulo, basado en la variación de la reluctancia y la inducción electromagnética, permite que los resolutores de reluctancia funcionen de manera estable en un amplio rango de temperaturas (-55 °C a +155 °C), con grados de protección de hasta IP67 o superiores. Pueden soportar fuertes vibraciones e impactos, lo que los hace ideales para entornos exigentes como aplicaciones automotrices, aeroespaciales y militares.
Técnicas de procesamiento de señales y cálculo de ángulos.
Las señales analógicas emitidas por los solucionadores de reluctancia requieren circuitos de procesamiento especializados para convertirlas en información de ángulos digital utilizable. Este proceso implica algoritmos complejos de acondicionamiento y decodificación de señales, que son fundamentales para lograr un posicionamiento de alta precisión en los sistemas de resolución.
De señales analógicas a ángulos digitales
Las señales sin procesar de un solucionador de reluctancia son dos ondas sinusoidales (sinθsinωt y cosθsinωt) moduladas por el ángulo del rotor. Extraer la información del ángulo θ implica varios pasos de procesamiento. Primero, las señales se someten a un filtrado de paso de banda para eliminar el ruido de alta frecuencia y la interferencia de baja frecuencia. A continuación, la demodulación sensible a la fase (o demodulación síncrona) elimina la frecuencia portadora (normalmente 10 kHz), generando señales de baja frecuencia sinθ y cosθ que contienen la información del ángulo.
Los sistemas de decodificación modernos suelen utilizar procesadores de señales digitales (DSP) o convertidores de resolución a digital (RDC) dedicados para el cálculo de ángulos. Estos procesadores emplean algoritmos CORDIC (Computadora digital de rotación coordinada) u operaciones arcotangentes para convertir las señales sinθ y cosθ en valores de ángulo digitales. Por ejemplo, el microcontrolador dsPIC30F3013 cuenta con un módulo ADC incorporado para el muestreo sincrónico de las dos señales, seguido de algoritmos de software para calcular el ángulo preciso.
Compensación de errores y mejora de la precisión
En aplicaciones prácticas, varios factores pueden introducir errores de medición, entre ellos:
· Desequilibrio de amplitud:
Amplitudes desiguales de señales de salida seno y coseno (Eₛₘ≠E_cm)
· Desviación de fase:
diferencia de fase no ideal de 90° entre las dos señales
· Distorsión armónica:
Distorsión de la señal debido a la distribución del campo magnético no sinusoidal
· Error ortogonal:
Desviación angular causada por una instalación imprecisa del devanado
Para mejorar la precisión del sistema, los circuitos de decodificación avanzados emplean varias técnicas de compensación. Por ejemplo, los circuitos de control automático de ganancia (AGC) equilibran las amplitudes de las dos señales, los filtros digitales suprimen la interferencia armónica y los algoritmos de software incorporan términos de compensación de errores. Con un diseño y una calibración meticulosos, los sistemas de resolución pueden lograr errores de ángulo dentro de ±0,1°, cumpliendo con los requisitos de la mayoría de las aplicaciones de alta precisión.
Tendencias en nuevas tecnologías de decodificación
Los avances en la tecnología de semiconductores están impulsando la innovación en el procesamiento de señales de resolución. Los circuitos tradicionales de demodulación de componentes discretos están siendo reemplazados gradualmente por soluciones integradas . Algunos chips decodificadores nuevos integran generadores de señales de excitación, circuitos de acondicionamiento de señales y unidades de cálculo digitales, lo que simplifica significativamente el diseño del sistema.
Mientras tanto, la decodificación definida por software está ganando popularidad. Este enfoque aprovecha el poder computacional de los microprocesadores de alto rendimiento para implementar la mayoría de las funciones de procesamiento de señales en el software, ofreciendo mayor flexibilidad y programabilidad. Por ejemplo, los parámetros de filtro, los algoritmos de compensación o incluso los formatos de datos de salida se pueden ajustar para soluciones personalizadas de medición de ángulos.
Vale la pena señalar que el sistema de decodificación es tan crucial como el propio solucionador. Un circuito de decodificación bien diseñado puede aprovechar plenamente el potencial de rendimiento del resolutor, mientras que una solución de decodificación de baja calidad puede convertirse en el cuello de botella de todo el sistema de medición. Por lo tanto, al seleccionar una solución de resolución, se debe considerar cuidadosamente la compatibilidad entre el sensor y el decodificador.
Ventajas de rendimiento y áreas de aplicación de los solucionadores de desgana
Gracias a sus principios de funcionamiento y diseño estructural únicos, los solucionadores de reluctancia superan a los sensores de posición tradicionales en varias métricas clave de rendimiento. Estas ventajas los convierten en la opción preferida para la detección de ángulos en muchas aplicaciones industriales exigentes.
Superioridad de rendimiento integral sobre los sensores tradicionales
En comparación con los dispositivos tradicionales de detección de posición, como codificadores ópticos y sensores Hall, los resolutores de reluctancia presentan ventajas de rendimiento generales:
· Adaptabilidad ambiental excepcional:
funciona de manera estable en temperaturas que oscilan entre -55 °C y +155 °C, con índices de protección de hasta IP67 o superiores, y puede soportar fuertes vibraciones y golpes (por ejemplo, entornos hostiles como compartimentos de motores de automóviles).
· Larga vida útil sin contacto:
La ausencia de devanados o escobillas en el rotor elimina el desgaste mecánico, permitiendo una vida útil teórica de decenas de miles de horas.
· Respuesta de velocidad ultraalta:
Admite velocidades de hasta 60 000 RPM, superando con creces los límites de la mayoría de los codificadores ópticos.
· Medición de posición absoluta:
proporciona información de ángulo absoluto sin requerir un punto de referencia, entregando datos de posición inmediatamente después del encendido.
· Fuerte capacidad antiinterferencias:
Basado en inducción electromagnética, es insensible al polvo, aceite, humedad y campos magnéticos externos.
Aplicaciones principales en vehículos de nueva energía
En la industria de vehículos de nueva energía, los resolutores de reluctancia se han convertido en el estándar de oro para la detección de la posición del motor. Se utilizan ampliamente en los sistemas de control de motores de accionamiento de vehículos eléctricos de batería (BEV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV), con funciones clave que incluyen:
· Detección de la posición del rotor:
proporciona información precisa del ángulo del rotor para el control vectorial de motores síncronos de imanes permanentes (PMSM).
· Medición de velocidad:
Calcula la velocidad del motor a partir de la tasa de cambio de ángulo, lo que permite el control de velocidad de circuito cerrado.
· Dirección asistida eléctrica (EPS):
Detecta el ángulo del volante para brindar asistencia de dirección precisa.
Automatización Industrial y Aplicaciones Especiales
Más allá del sector de la automoción, los solucionadores de reluctancia también se utilizan ampliamente en la automatización industrial:
· Máquinas herramienta CNC:
Posicionamiento de husillo y medición del ángulo del eje de avance.
· Articulaciones robóticas:
Control preciso de los movimientos del brazo robótico.
· Maquinaria textil:
Control de tensión del hilo y detección del ángulo de bobinado.
· Máquinas de moldeo por inyección:
Seguimiento y control de la posición de los tornillos.
· Militar y aeroespacial:
posicionamiento de antenas de radar, control de timón de misiles y otras aplicaciones en entornos extremos.
En trenes de alta velocidad y transporte ferroviario, los solucionadores de reluctancia se utilizan para la detección de posición y velocidad del motor de tracción, donde su alta confiabilidad y sus características sin mantenimiento reducen significativamente los costos del ciclo de vida. Los entornos hostiles, como la maquinaria minera (por ejemplo, vehículos de transporte subterráneo de carbón y motores de cintas transportadoras) están adoptando cada vez más solucionadores de reticencia para reemplazar los sensores tradicionales.
Con la llegada de la Industria 4.0 y la fabricación inteligente, los solucionadores de reticencia están evolucionando hacia una mayor precisión, un tamaño más pequeño y una mayor inteligencia. Los productos de próxima generación se centrarán en la compatibilidad con diseños integrados de motor, caja de cambios y transmisión, así como en el desarrollo de variantes resistentes al aceite y a las altas temperaturas para satisfacer las demandas de los sistemas refrigerados por aceite. Además, se espera que las capacidades de transmisión inalámbrica y autodiagnóstico se conviertan en tendencias futuras, ampliando aún más su alcance de aplicación.
Desafíos técnicos y tendencias futuras para quienes resuelven la reticencia
A pesar de su excelente rendimiento y confiabilidad en diversos campos, los solucionadores de renuencia aún enfrentan desafíos técnicos y exhiben direcciones de innovación claras.
Soluciones y cuellos de botella técnicos existentes
Los altos requisitos de precisión de fabricación son un desafío importante para los solucionadores de reluctancia. La precisión del mecanizado de los dientes del estator, la uniformidad de la distribución del devanado y el equilibrio dinámico del rotor afectan directamente la precisión y el rendimiento del sensor. Para resolutores de alta precisión con múltiples pares de polos (por ejemplo, 12 pares de polos), incluso los errores de fabricación a nivel de micras pueden provocar errores de amplitud o fase inaceptables. Las soluciones a este problema incluyen:
· Adoptar moldes de estampado de alta precisión y procesos de laminación automatizados para garantizar la consistencia y la precisión de la ranura de los dientes en el núcleo.
· Introducir el análisis del campo magnético de elementos finitos para optimizar el diseño del circuito magnético y compensar las tolerancias de fabricación.
· Desarrollar algoritmos de autocompensación para corregir automáticamente los errores inherentes del sensor durante el procesamiento de señales.
Otro desafío es la complejidad de la integración del sistema . Aunque el resolver en sí tiene una estructura simple, un sistema de medición completo incluye subsistemas como fuentes de alimentación de excitación, circuitos de acondicionamiento de señales y algoritmos de decodificación, que pueden convertirse en cuellos de botella si están mal diseñados. Para abordar esto, la industria está avanzando hacia soluciones integradas :
· Integrar generadores de excitación, acondicionamiento de señales y circuitos de decodificación en un solo chip para simplificar el diseño del sistema.
· Desarrollar interfaces estandarizadas (por ejemplo, SPI, CAN) para una integración perfecta con los controladores principales.
· Proporcionar kits de desarrollo completos, incluidos diseños de referencia, bibliotecas de software y herramientas de calibración.
Direcciones de innovación y tendencias futuras
La innovación de materiales traerá avances en el rendimiento a los solucionadores de desgana. Los nuevos compuestos magnéticos blandos (SMC) con propiedades magnéticas isotrópicas tridimensionales pueden optimizar la distribución del campo magnético y reducir la distorsión armónica. Mientras tanto, los materiales aislantes estables a altas temperaturas y los revestimientos resistentes a la corrosión ampliarán el rango de entorno operativo del sensor.
La inteligencia es otra dirección crítica para los futuros solucionadores de reticencias. Al integrar microprocesadores e interfaces de comunicación, los resolutores pueden lograr:
· Funciones de autodiagnóstico:
monitoreo en tiempo real del estado del sensor y predicción de la vida útil restante.
· Compensación adaptativa:
Ajuste automático de los parámetros de compensación en función de los cambios ambientales (por ejemplo, temperatura).
·Interfaces en red:
Soporte para protocolos de comunicación avanzados como Industrial Ethernet, facilitando la integración en sistemas Industrial IoT (IIoT).
En términos de expansión de aplicaciones , los solucionadores de reluctancia están avanzando en dos direcciones: hacia aplicaciones de precisión de mayor nivel (por ejemplo, equipos de fabricación de semiconductores, robots médicos) que requieren mayor resolución y confiabilidad, y hacia aplicaciones más económicas y generalizadas (por ejemplo, electrodomésticos, herramientas eléctricas) a través de diseños simplificados y producción en masa para reducir costos.
Una tendencia particularmente notable es la aplicación de solucionadores de reluctancia en vehículos de nueva generación de energía . A medida que los sistemas de motor evolucionan hacia velocidades e integración más altas, los sensores de posición deben cumplir requisitos más exigentes:
· Soporte para velocidades ultraaltas superiores a 20.000 RPM.
· Tolerancia a temperaturas superiores a 150°C.
· Compatibilidad con diseños de sellado de sistemas enfriados por aceite.
· Menores dimensiones de instalación y menor peso.
Progreso de la normalización y la industrialización
A medida que la tecnología de resolución de reticencias madura, los esfuerzos de estandarización también avanzan. China ha establecido estándares nacionales como GB/T 31996-2015 Especificaciones técnicas generales para solucionadores para regular las métricas de rendimiento del producto y los métodos de prueba. En términos de industrialización, la tecnología china de resolución de reticencias ha alcanzado niveles avanzados internacionales.
Es previsible que con el progreso tecnológico y la industrialización, los solucionadores de reluctancia reemplacen a los sensores tradicionales en más campos, convirtiéndose en la solución principal para la detección de posición rotacional y brindando soporte técnico crítico para la automatización industrial y el desarrollo de vehículos de nueva energía.
