Kaasaegses tööstusautomaatikas ja täppismehaanilises juhtimises on täpne pöörlemisasendi tuvastamine ülioluline. The vastumeelsuse lahendaja , mida tavaliselt nimetatakse lahendajaks, on väga töökindel andur, mida kasutatakse laialdaselt servomootorites, robootikas ja muudes täpset positsioneerimist nõudvates rakendustes. See artikkel tutvustab lühidalt lahendajate tööpõhimõtteid ja seda, kuidas nad saavutavad pöörleva positsioneerimise.
Lahendaja on elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel põhinev analoogandur, mis on võimeline teisendama rootori mehaanilise nurga elektrilisteks signaalideks. Erinevalt digitaalsetest anduritest, nagu optilised kodeerijad, pakuvad lahendajad pidevaid analoogsignaale pöörlemisasendi teabe jaoks, pakkudes suurepäraseid häiretevastaseid võimeid ja töökindlust, eriti karmides keskkondades.
Vastumeelsuse lahendajate põhistruktuur ja tööpõhimõtted
Et mõista, kuidas vastumeelsuse lahendajad saavutavad täpse pöörlemispositsiooni, on oluline süveneda nende ainulaadsesse füüsilist struktuuri. Nende andurite geniaalne disain loob aluse nende suurele jõudlusele ja on näide elektromagnetilise induktsiooni põhimõtete praktilisest rakendamisest.
Revolutsiooniline struktuurikujundus
Reluktantsi lahendaja struktuur koosneb kolmest põhikomponendist: staatori südamiku , rootori südamik ja mähissüsteem . Staatori südamik on lamineeritud suure läbilaskvusega räniterasest lehtedest, mille sisemisele ümbermõõdule on stantsitud suured hambad (postikingad), millest igaüks on jagatud ühtlaselt asetsevateks väikesteks hammasteks. Nende väikeste hammaste paigutus ja kuju on täpselt välja arvutatud, et tagada ideaalne sinusoidaalne magnetvälja jaotus. Rootor on lihtsam, valmistatud ainult hammastega räniterasest laminaatidest ilma mähiste ja elektrooniliste komponentideta. See 'passiivne' disain on lahendaja kõrge töökindluse võti.
Mähissüsteem asub täielikult staatoril ja sisaldab ergutusmähist ja kahte ortogonaalset väljundmähist (siinus- ja koosinusmähis). Need mähised on kontsentreeritud ja jaotatud siinusmustri järgi, et tagada väljundsignaalide sinusoidsed omadused. Eelkõige on väljundmähised paigutatud vahelduva ja vastupidises järjestikuses konfiguratsioonis, mis vähendab tõhusalt harmoonilisi häireid ja parandab signaali puhtust.
Positsioneerimise põhimõte, mis põhineb vastumeelsuse variatsioonil
Reluktantsi lahendaja tööpõhimõte tiirleb õhuvahe magnetjuhtivusmodulatsiooni ümber . Kui ergutusmähisele rakendatakse siinusekujulist vahelduvpinget (tavaliselt 7 V sagedusel 1-10 kHz), tekib staatoris vahelduv magnetväli. See magnetväli läbib õhupilu rootorile. Rootori hammaste olemasolu tõttu muutub magnetahela magnetreluktants (magnetjuhtivuse pöördväärtus) tsükliliselt koos rootori asendiga.
Täpsemalt, kui rootori hambad joonduvad staatori hammastega, minimeeritakse vastumeelsus ja maksimeeritakse magnetvoog. Vastupidiselt, kui rootori pilud joonduvad staatori hammastega, maksimeeritakse reluktants ja minimeeritakse magnetvoog. Iga rootori pöörleva hambasammu korral viib õhupilu magnetjuhtivus läbi täieliku variatsioonitsükli. Selline ergastava magnetvälja modulatsioon indutseerib väljundmähistes pingesignaale, mille amplituudid on korrelatsioonis rootori nurgaasendiga.
Matemaatiliselt, kui ergutuspinge on e₁=E₁msinωt, saab kahe väljundmähise pingeid väljendada järgmiselt:
· Siinusmähise väljund: eₛ=Eₛₘcosθsinωt
· Koosinusmähise väljund: e_c=E_cmsinθsinωt
Siin tähistab θ rootori mehaanilist nurka ja ω on ergutussignaali nurksagedus. Ideaalis peaksid Eₛₘ ja E_cm olema võrdsed, kuid tootmistolerantsid võivad põhjustada amplituudivigu, mis nõuavad kalibreerimist või vooluahela kompenseerimist.
Pooluste paarid ja mõõtmise täpsus
Reluktantsi lahendaja pooluste paarid on kriitiline parameeter, mis mõjutab otseselt selle mõõtmise täpsust ja eraldusvõimet. Pooluste paaride arv vastab rootori hammaste arvule ja määrab täieliku elektrisignaali tsükli jaoks vajaliku mehaanilise pöördenurga. Näiteks 4 poolusepaariga lahendaja tekitab 4 elektrisignaali tsüklit mehaanilise pöörde kohta, 'võimendades' tõhusalt mehaanilist nurka 4 korda.
Turul levinud reluktantsi lahendajad on vahemikus 1 kuni 12 pooluste paari. Suurem pooluste arv võimaldab teoreetiliselt suuremat nurkeraldusvõimet, kusjuures 12-pooluselised lahendajad saavutavad ±0,1° või parema täpsuse. Kuid pooluste paaride suurendamine suurendab ka signaalitöötluse keerukust, mistõttu on vaja rakendusnõuetel põhinevat kompromissi.
See nurga mõõtmise meetod, mis põhineb reluktantsi kõikumisel ja elektromagnetilisel induktsioonil, võimaldab reluktantsi lahendajatel stabiilselt töötada laias temperatuurivahemikus (-55°C kuni +155°C) ning kaitseklass on kuni IP67 või kõrgem. Need taluvad tugevat vibratsiooni ja lööke, mistõttu on need ideaalsed nõudlikes keskkondades, nagu auto-, kosmose- ja sõjalised rakendused.
Signaalitöötluse ja nurga arvutamise tehnikad
Reluktantsuslahutite poolt väljastatavad analoogsignaalid nõuavad spetsiaalseid töötlemisahelaid, et muuta need kasutatavaks digitaalseks nurgateabeks. See protsess hõlmab keerulisi signaali konditsioneerimise ja dekodeerimise algoritme, mis on ülitäpse positsioneerimise saavutamiseks lahendamissüsteemides kriitilised.
Analoogsignaalidest digitaalsete nurkadeni
Reluktantsi lahendaja toorsignaalid on kaks siinuslainet (sinθsinωt ja cosθsinωt), mida moduleerib rootori nurk. Nurgateabe θ ekstraheerimine hõlmab mitmeid töötlemisetappe. Esiteks läbivad signaalid ribapääsfiltri , et eemaldada kõrgsageduslik müra ja madalsageduslikud häired. Järgmisena eemaldab faasitundlik demodulatsioon (või sünkroonne demodulatsioon) kandesageduse (tavaliselt 10 kHz), saades madala sagedusega signaalid sinθ ja cosθ, mis sisaldavad nurgateavet.
Kaasaegsed dekodeerimissüsteemid kasutavad nurga arvutamiseks tavaliselt digitaalsignaaliprotsessoreid (DSP-sid) või spetsiaalset eraldatavaid muundureid (RDC). Need protsessorid kasutavad Sinθ ja Cosθ signaalide teisendamiseks digitaalse nurga väärtuste teisendamiseks küldelist (koordinaatide pöörlemise digitaalset arvutit) algoritme või arctangent -toiminguid. Näiteks DSPIC30F3013 mikrokontrolleril on sisseehitatud ADC moodul kahe signaali sünkroonseks proovivõtmiseks, millele järgnevad täpse nurga arvutamiseks tarkvara algoritmid.
Vigade kompenseerimine ja täpsuse suurendamine
Praktilistes rakendustes võivad erinevad tegurid kehtestada mõõtmisvigu, sealhulgas::
· Amplituudi tasakaalustamatus:
siinus- ja koosinussignaalide ebavõrdsed amplituudid (Eₛₘ≠E_cm)
· Faasihälve:
mitteideaalne 90 ° faasi erinevus kahe signaali vahel
· Harmooniline moonutus:
mittesinusoidse magnetvälja jaotusest tingitud signaali moonutamine
· Ortogonaalne viga:
nurga kõrvalekalle, mis on põhjustatud ebatäpsest mähise paigaldamisest
Süsteemi täpsuse parandamiseks kasutavad täiustatud dekodeerimisahelad mitmesuguseid kompensatsioonitehnikaid. Näiteks tasakaalustavad automaatsete võimenduse juhtimise (AGC) vooluringid kahe signaali amplituudid, digitaalsed filtrid pärsivad harmoonilisi häireid ja tarkvara algoritmid sisaldavad veakompensatsiooni termineid. Hoolika disaini ja kalibreerimisega saavad eraldamissüsteemid saavutada nurga vigu ± 0,1 °, vastates enamiku ülitäpsetele rakenduste nõuetele.
Uute dekodeerimistehnoloogiate suundumused
Pooljuhtide tehnoloogia edusammud ajendavad innovatsiooni lahendamisel signaalitöötluses. Traditsioonilised diskreetkomponendilised demodulatsiooni ahelad asendatakse järk-järgult integreeritud lahendustega . Mõned uued dekoodri kiibid integreerivad ergutussignaali generaatoreid, signaali konditsioneerimisahelaid ja digitaalseid arvutusüksusi, lihtsustades märkimisväärselt süsteemi disaini.
Samal ajal on tarkvara määratletud dekodeerimine populaarsust kogumas. See lähenemisviis kasutab suure jõudlusega mikroprotsessorite arvutuslikku võimsust enamiku signaalitöötluse funktsioonide rakendamiseks tarkvaras, pakkudes suuremat paindlikkust ja programmeeritavust. Näiteks saab kohandatud nurga mõõtmislahenduste jaoks reguleerida filtri parameetreid, kompensatsioonialgoritme või isegi väljundi andmete vorminguid.
Väärib märkimist, et dekodeerimissüsteem on sama ülioluline kui resolver ise. Hästi kavandatud dekodeerimisahela suudab täielikult realiseerida resolveri jõudluspotentsiaali, samas kui madala kvaliteediga dekodeerimislahendus võib muutuda kogu mõõtmissüsteemi kitsaskohaks. Seetõttu tuleb eralduslahenduse valimisel hoolikalt arvestada anduri ja dekoodi ühilduvust.
Tulemuslikkuse eelised ja rakendusvaldkonnad vastumeelsuse resoluutoritele
Tänu nende ainulaadsetele tööpõhimõtetele ja konstruktsioonilisele kujundusele edestavad vastumeelsuse resolud traditsioonilisi positsiooniandureid mitmes peamises jõudlusmõõdikas. Need eelised muudavad nad paljudes nõudlikes tööstuslikes rakendustes nurkade tuvastamise eelistatavaks.
Põhjalik jõudluse üleolek traditsiooniliste andurite ees
Võrreldes traditsiooniliste positsiooni tuvastamisseadmetega, nagu optilised kooderid ja saali andurid, on vastumeelsuse resoludel kõikvõimalikud jõudluse eelised:
· Erakordne keskkonnaga kohanemisvõime:
töötab stabiilselt temperatuuridel vahemikus -55 ° C kuni +155 ° C, kaitsereitingutega kuni IP67 või kõrgemani ning suudab taluda tugevaid vibratsioone ja lööke (nt karmid keskkonnad nagu automootoriga sektsioonid).
· Kontaktivaba pikk eluiga:
mähiste või harjade puudumine rootoril välistab mehaanilise kulumise, võimaldades teoreetilist eluiga kümneid tuhandeid tunde.
· Ultra-kõrge kiirusega reageerimine:
toed kiiruseni kuni 60 000 p / min, ületades kaugelt enamiku optiliste kooderite piire.
· Absoluutne positsiooni mõõtmine:
pakub absoluutset nurgateavet ilma võrdluspunkti nõudmata, edastades positsiooni andmed kohe pärast sisselülitamist.
· Tugev sekkumisvastane võime:
põhineb elektromagnetilisel induktsioonil tundetu tolmu, õli, niiskuse ja väliste magnetväljade suhtes.
Põhirakendused uutes energiasõidukites
Uues energiasõidukite tööstuses on vastumeelsuse otsused muutunud kuldstandardiks . motoorse positsiooni tuvastamise Neid kasutatakse laialdaselt aku elektrisõidukite (BEV) ja hübriidse elektrisõidukite (HEV) ajamimootori juhtimissüsteemides koos peamiste funktsioonidega, sealhulgas:
· Rootori asendi tuvastamine:
pakub täpset rootori nurgateavet püsiva magneti sünkroonmootorite (PMSMS) vektorjuhtimiseks.
· Kiiruse mõõtmine:
arvutab mootori kiiruse nurga muutumise kiirusest, võimaldades suletud ahela kiiruse juhtimist.
· Elektriline roolivõimend (EPS):
tuvastab rooli nurga täpse juhtimisabi osutamiseks.
Tööstusautomaatika ja spetsiaalsed rakendused
Lisaks autosektorile kasutatakse vastumeelsuse otsuseid ka tööstusautomaatikas laialdaselt:
· CNC tööpinkide tööpinkide:
spindli positsioneerimine ja sööda telje nurga mõõtmine.
· Robotühendused:
robotkäe liikumise täpne juhtimine.
· Tekstiilimasinad:
lõnga pingekontroll ja mähise nurga tuvastamine.
· Sissepritsevormimismasinad:
kruvi positsiooni jälgimine ja juhtimine.
· Sõjaväe ja kosmose:
radari antenni positsioneerimine, rakettide rooli kontroll ja muud äärmusliku keskkonnarakendused.
Kiire rööbaste ja raudtee transiidi korral kasutatakse mootori kiiruse ja asukoha tuvastamiseks vastumeelsuse lahendajaid, kus nende suured töökindluse ja hooldusvabad funktsioonid vähendavad oluliselt elutsükli kulusid. Karmid keskkonnad, näiteks kaevandusmasinad (nt maa -alused söeveoveokid ja konveierilint mootorid) kasutavad üha enam vastumeelsuse otsuseid traditsiooniliste andurite asendamiseks.
Tööstuse 4.0 ja nutika tootmise tulekuga arenevad vastumeelsuse resolud suurema täpsuse, väiksema suuruse ja suurema intelligentsuse poole. Järgmise põlvkonna tooted keskenduvad ühilduvusele integreeritud mootorsõiduki-drive-disainilahendustega, samuti õlresistentsete ja kõrgtemperatuuriga vastupidavate variantide arendamisele, et rahuldada õlijahutusega süsteemide nõudmisi. Lisaks eeldatakse, et traadita edastamine ja enesediagnostilised võimalused muutuvad tulevaste suundumuste, laiendades veelgi nende rakenduse ulatust.
Tehnilised väljakutsed ja tulevikusuundumused vastumeelsuse resoluutorite jaoks
Vaatamata nende silmapaistvale jõudlusele ja usaldusväärsusele erinevates valdkondades seisavad vastumeelsuse resolud endiselt tehniliste väljakutsetega ja ilmnevad selged innovatsioonisuunad.
Olemasolevad tehnilised kitsaskohad ja lahendused
Kõrge tootmise täpsusnõuded on vastumeelsuse lahendajate suur väljakutse. Staatorihammaste töötlemise täpsus, mähise jaotuse ühtlus ja rootori dünaamiline tasakaal mõjutavad otseselt anduri täpsust ja jõudlust. Mitme poolusepaariga (nt 12 poolapaari) ülitäpse resolveride korral võivad isegi mikronitaseme tootmisvead põhjustada vastuvõetamatuid amplituudi või faasivigu. Selle numbri lahendused hõlmavad järgmist:
· kasutuselevõtt Täpsemate tembeldamisvormide ja automatiseeritud lamineerimisprotsesside , et tagada südamikus järjepidevus ja hammaste pesa täpsus.
· tutvustamine Lõplike elementide magnetvälja analüüsi magnetilise vooluahela disaini optimeerimiseks ja tootmise tolerantsi kompenseerimiseks.
· Enesekompensatsioonialgoritmide väljatöötamine signaalitöötluse ajal automaatselt anduri vigade parandamiseks.
Teine väljakutse on süsteemi integreerimise keerukus . Kuigi eraldusvõimel endal on lihtne struktuur, hõlmab täielik mõõtmissüsteem alamsüsteeme nagu ergastus toiteallikad, signaali konditsioneerimisahelad ja dekodeerimisalgoritmid, mis võivad halvasti kujundatud kitsaskohtadeks muutuda. Selle lahendamiseks liigub tööstus integreeritud lahenduste poole :
· Süsteemi disaini lihtsustamiseks ergutusgeneraatorite integreerimine, signaali konditsioneerimine ja dekodeerimine üheks kiibiks.
· Standardiseeritud liideste (nt SPI, CAN) väljatöötamine sujuvaks integreerimiseks põhikontrolleritega.
· Põhjalike arenduskomplektide pakkumine, sealhulgas viitekujundus, tarkvarakogu ja kalibreerimisriistad.
Innovatsiooni juhised ja tulevased suundumused
Materiaalne uuendus toob tulemuslikkuse läbimurde vastumeelsuste lahendajatele. Kolmemõõtmeliste isotroopsete magnetiliste omadustega uued pehmed magnetilised komposiidid (SMC) võivad optimeerida magnetvälja jaotust ja vähendada harmoonilisi moonutusi. Samal ajal laiendavad kõrgtemperatuuriga stabiilsed isoleermaterjalid ja korrosioonikindlad katted anduri operatiivse keskkonna ulatust.
Intelligentsus on veel üks kriitiline suund tulevaste vastumeelsuse resolverite jaoks. Integreerides mikroprotsessorid ja kommunikatsiooniliidesed, saavad resolverid saavutada:
· Enesediagnostilised funktsioonid:
anduri tervise reaalajas jälgimine ja järelejäänud eluea ennustamine.
· Adaptiivne kompensatsioon:
kompensatsiooniparameetrite automaatne kohandamine keskkonnamuutustel (nt temperatuur).
· Võrguliidesed:
tugi täiustatud sideprotokollidele, nagu Industrial Ethernet, hõlbustades integreerimist tööstuslike asjade Interneti (IIoT) süsteemidesse.
osas Rakenduste laiendamise arenevad vastumeelsuse lahendajad kahes suunas: kõrgema täpsusega rakenduste poole (nt pooljuhtide tootmisseadmed, meditsiinirobotid), mis nõuavad suuremat eraldusvõimet ja töökindlust, ning ökonoomsemate ja laiemalt levinud rakenduste (nt kodumasinad, elektritööriistad) poole tänu lihtsustatud disainile ja masstootmisele kulude vähendamiseks.
Eriti tähelepanuväärne suundumus on vastumeelsuse resolulide rakendamine järgmise põlvkonna uutes energiasõidukites . Kuna mootorisüsteemid arenevad suurema kiiruse ja integreerimise suunas, peavad positsioonindurid vastama nõudlikumatele nõuetele:
· Ultra-kõrge kiiruse toetamine üle 20 000 p / min.
· Temperatuuri üle 150 ° C tolerants.
· Ühilduvus õlijahutusega süsteemi tihendamise kujundustega.
· Väiksemad paigaldusmõõtmed ja kergem kaal.
Standardiseerimine ja industrialiseerimise areng
Kuna vastumeelsuse lahendaja tehnoloogia küpseb, standardimispüüdlused . edenevad ka Hiina on kehtestanud sellised riiklikud standardid nagu GB/T 31996-2015 Üldised tehnilised spetsifikatsioonid otsuste tegemiseks, et reguleerida toote jõudluse mõõdikuid ja testimismeetodeid. Industrialiseerimise osas on Hiina vastumeelsuse lahendaja tehnoloogia jõudnud rahvusvahelisse arenenud taseme.
On ette nähtud, et tehnoloogilise arengu ja industrialiseerimise korral asendavad vastumeelsuse resolverid traditsioonilisi andureid rohkemates valdkondades, muutudes tavapäraseks lahenduseks pöörlemisasendi tuvastamiseks ning pakkudes kriitilist tehnilist tuge tööstusautomaatikaks ja uue energiasõidukite arendamiseks.
