اصول و کاربردهای حل کننده اکراه توضیح داده شد

در اتوماسیون صنعتی مدرن و کنترل مکانیکی دقیق، تشخیص دقیق موقعیت چرخشی بسیار مهم است. را Reluctance Resolver که معمولاً به عنوان یک رزولور شناخته می شود، یک سنسور بسیار قابل اعتماد است که به طور گسترده در موتورهای سروو، رباتیک و سایر کاربردهایی که نیاز به موقعیت یابی دقیق دارند استفاده می شود. این مقاله به طور خلاصه اصول کار رزولوشن ها و نحوه دستیابی به موقعیت چرخشی را معرفی می کند.

تفکیک کننده یک سنسور آنالوگ است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی ساخته شده است و قادر است زاویه مکانیکی روتور را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند. بر خلاف حسگرهای دیجیتال مانند رمزگذارهای نوری، رزولورها سیگنال های آنالوگ پیوسته را برای اطلاعات موقعیت چرخشی ارائه می دهند و قابلیت های ضد تداخل و قابلیت اطمینان بالایی را به خصوص در محیط های سخت ارائه می دهند.

ساختار اصلی و اصول کاری حل‌کننده‌های اکراه

برای درک این که چگونه حل کننده های عدم تمایل به موقعیت چرخشی دقیق دست می یابند، ضروری است که ساختار فیزیکی منحصر به فرد آنها را بررسی کنیم. طراحی مبتکرانه این سنسورها پایه و اساس عملکرد بالای آنها را تشکیل می دهد و کاربرد عملی اصول القای الکترومغناطیسی را نشان می دهد.

طراحی سازه انقلابی

ساختار یک حل کننده رلوکتانس از سه جزء اصلی تشکیل شده است: هسته استاتور , هسته روتور و سیستم سیم پیچی . هسته استاتور از ورق های فولادی سیلیکونی با نفوذپذیری بالا لمینیت شده است، با دندانه های بزرگ (کفش های قطبی) که بر روی محیط داخلی سوراخ شده اند، که هر کدام به دندانه های کوچک با فاصله مساوی تقسیم می شوند. ترتیب و شکل این دندان های کوچک به دقت محاسبه شده است تا توزیع میدان مغناطیسی سینوسی ایده آل را تضمین کند. روتور ساده تر است و فقط از ورقه های فولادی سیلیکونی دندانه دار بدون هیچ گونه سیم پیچی یا اجزای الکترونیکی ساخته شده است. این طراحی 'غیرفعال' کلیدی برای قابلیت اطمینان بالای حل کننده است.

سیستم سیم پیچ به طور کامل بر روی استاتور قرار دارد و شامل یک سیم پیچ تحریک و دو سیم پیچ خروجی متعامد (سیم پیچ های سینوسی و کسینوس) است. این سیم پیچ ها بر اساس یک الگوی سینوسی متمرکز و توزیع می شوند تا از ویژگی های سینوسی سیگنال های خروجی اطمینان حاصل شود. نکته قابل توجه، سیم‌پیچ‌های خروجی در یک پیکربندی متناوب و سری معکوس چیده شده‌اند که به طور موثر تداخل هارمونیک را سرکوب کرده و خلوص سیگنال را بهبود می‌بخشد.

اصل موقعیت یابی بر اساس تنوع بی میلی

اصل کار یک حل کننده رلوکتانس حول مدولاسیون هدایت مغناطیسی شکاف هوا می چرخد . هنگامی که یک ولتاژ AC سینوسی (معمولاً 7 ولت در 1-10 کیلوهرتز) به سیم پیچ تحریک اعمال می شود، یک میدان مغناطیسی متناوب در استاتور ایجاد می شود. این میدان مغناطیسی از طریق شکاف هوا به روتور می گذرد. به دلیل وجود دندانه های روتور، رلوکتانس مغناطیسی (معکوس رسانایی مغناطیسی) مدار مغناطیسی به صورت دوره ای با موقعیت روتور تغییر می کند.

به طور خاص، زمانی که دندانه‌های روتور با دندانه‌های استاتور تراز می‌شوند، عدم تمایل به حداقل می‌رسد و شار مغناطیسی به حداکثر می‌رسد. برعکس، زمانی که شکاف های روتور با دندانه های استاتور تراز می شوند، رلکتانس به حداکثر می رسد و شار مغناطیسی به حداقل می رسد. برای هر گام دندانی که روتور می چرخد، رسانایی مغناطیسی شکاف هوا یک چرخه کامل از تغییرات را تکمیل می کند. این مدولاسیون میدان مغناطیسی تحریک سیگنال‌های ولتاژی را در سیم‌پیچ‌های خروجی القا می‌کند که دامنه‌های آن با موقعیت زاویه‌ای روتور مرتبط است.

از نظر ریاضی، اگر ولتاژ تحریک e1=E1msinωt باشد، ولتاژ دو سیم پیچ خروجی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

· خروجی سیم پیچ سینوسی: eₛ=Eₛₘcosθsinωt

· خروجی سیم پیچ کسینوس: e_c=E_cmsinθsinωt

در اینجا θ زاویه مکانیکی روتور را نشان می دهد و ω فرکانس زاویه ای سیگنال تحریک است. در حالت ایده‌آل، Eₛₘ و E_cm باید برابر باشند، اما تلورانس‌های ساخت ممکن است خطاهای دامنه ایجاد کند که به کالیبراسیون یا جبران مدار نیاز دارد.

جفت قطب و دقت اندازه گیری

جفت‌های قطب یک حل‌کننده رلوکتانس پارامتری حیاتی هستند که مستقیماً بر دقت اندازه‌گیری و وضوح آن تأثیر می‌گذارند. تعداد جفت قطب ها با تعداد دندانه های روتور مطابقت دارد و زاویه چرخش مکانیکی مورد نیاز برای یک چرخه کامل سیگنال الکتریکی را تعیین می کند. به عنوان مثال، یک تفکیک کننده با 4 جفت قطب، 4 سیکل سیگنال الکتریکی در هر چرخش مکانیکی تولید می کند، که به طور موثر زاویه مکانیکی را با ضریب 4 برای اندازه گیری 'تقویت' می کند.

حل کننده های رایج عدم تمایل در بازار از 1 تا 12 جفت قطب متغیر است. تعداد قطب‌های بالاتر از نظر تئوری وضوح زاویه‌ای بالاتری را ممکن می‌سازد، با تفکیک‌کننده‌های 12 قطبی که به 0.1± درجه یا دقت بهتری دست می‌یابند. با این حال، افزایش جفت قطب ها همچنین پیچیدگی پردازش سیگنال را افزایش می دهد و نیاز به یک مبادله بر اساس الزامات برنامه دارد.

این روش اندازه‌گیری زاویه، بر اساس تغییر رلوکتانس و القای الکترومغناطیسی، به حل‌کننده‌های رلوکتانس اجازه می‌دهد تا در محدوده دمایی وسیع (55- درجه سانتی‌گراد تا 155+ درجه سانتی‌گراد)، با درجه‌بندی حفاظتی تا IP67 یا بالاتر، پایدار عمل کنند. آن‌ها می‌توانند لرزش‌ها و شوک‌های قوی را تحمل کنند و برای محیط‌های سخت مانند خودرو، هوافضا و کاربردهای نظامی ایده‌آل هستند.

تکنیک های پردازش سیگنال و محاسبه زاویه

سیگنال های آنالوگ خروجی توسط حل کننده های رلوکتانس به مدارهای پردازشی تخصصی برای تبدیل آنها به اطلاعات زاویه دیجیتال قابل استفاده نیاز دارند. این فرآیند شامل الگوریتم‌های شرطی‌سازی و رمزگشایی سیگنال پیچیده است که برای دستیابی به موقعیت‌یابی با دقت بالا در سیستم‌های حل‌کننده حیاتی هستند.

از سیگنال های آنالوگ تا زوایای دیجیتال

سیگنال‌های خام از یک حل‌کننده رلوکتانس دو موج سینوسی (sinθsinωt و cosθsinωt) هستند که توسط زاویه روتور مدوله می‌شوند. استخراج اطلاعات زاویه θ شامل چندین مرحله پردازش است. اول، سیگنال ها تحت فیلتر باند گذر قرار می گیرند تا نویز فرکانس بالا و تداخل فرکانس پایین را حذف کنند. در مرحله بعد، دمودولاسیون حساس به فاز (یا دمدولاسیون همزمان) فرکانس حامل (معمولاً 10 کیلوهرتز) را حذف می کند و سیگنال های فرکانس پایین sinθ و cosθ حاوی اطلاعات زاویه را تولید می کند.

سیستم‌های رمزگشایی مدرن معمولاً از پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) یا مبدل‌های حل‌کننده به دیجیتال اختصاصی (RDC) برای محاسبه زاویه استفاده می‌کنند. این پردازنده ها از الگوریتم های CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) یا عملیات قوس الکتریکی برای تبدیل سیگنال های sinθ و cosθ به مقادیر زاویه دیجیتال استفاده می کنند. به عنوان مثال، میکروکنترلر dsPIC30F3013 دارای یک ماژول ADC داخلی برای نمونه‌برداری همزمان از دو سیگنال است و به دنبال آن الگوریتم‌های نرم‌افزاری برای محاسبه زاویه دقیق وجود دارد.

جبران خطا و افزایش دقت

در کاربردهای عملی، عوامل مختلفی می توانند خطاهای اندازه گیری را ایجاد کنند، از جمله:

· عدم تعادل دامنه:

دامنه های نامساوی سیگنال های خروجی سینوسی و کسینوس (Eₛₘ≠E_cm)

· انحراف فاز:

اختلاف فاز 90 درجه غیر ایده آل بین دو سیگنال

· اعوجاج هارمونیک:

اعوجاج سیگنال به دلیل توزیع میدان مغناطیسی غیر سینوسی

· خطای متعامد:

انحراف زاویه ای ناشی از نصب نادقیق سیم پیچ

برای بهبود دقت سیستم، مدارهای رمزگشایی پیشرفته از تکنیک های جبرانی مختلفی استفاده می کنند. به عنوان مثال، مدارهای کنترل بهره خودکار (AGC) دامنه دو سیگنال را متعادل می کنند، فیلترهای دیجیتال تداخل هارمونیک را سرکوب می کنند و الگوریتم های نرم افزاری اصطلاحات جبران خطا را در خود جای می دهند. با طراحی دقیق و کالیبراسیون، سیستم های حل کننده می توانند به خطاهای زاویه ای در محدوده ± 0.1 درجه دست یابند که نیازهای اکثر برنامه های کاربردی با دقت بالا را برآورده می کند.

روند در فن آوری های رمزگشایی جدید

پیشرفت‌ها در فناوری نیمه‌رسانا، نوآوری در پردازش سیگنال تفکیک‌کننده را هدایت می‌کند. مدارهای دمودولاسیون با اجزای گسسته سنتی به تدریج با جایگزین می شوند راه حل های یکپارچه . برخی از تراشه‌های رمزگشای جدید، مولدهای سیگنال تحریک، مدارهای تهویه سیگنال و واحدهای محاسبه دیجیتال را یکپارچه می‌کنند و طراحی سیستم را به طور قابل توجهی ساده می‌کنند.

در همین حال، رمزگشایی تعریف شده توسط نرم افزار محبوبیت پیدا می کند. این رویکرد از قدرت محاسباتی ریزپردازنده‌های با کارایی بالا برای پیاده‌سازی بیشتر عملکردهای پردازش سیگنال در نرم‌افزار استفاده می‌کند و انعطاف‌پذیری و برنامه‌پذیری بیشتری را ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، پارامترهای فیلتر، الگوریتم های جبران، یا حتی فرمت های داده خروجی را می توان برای راه حل های اندازه گیری زاویه سفارشی تنظیم کرد.

شایان ذکر است که سیستم رمزگشایی به اندازه خود حل کننده بسیار مهم است. یک مدار رمزگشایی که به خوبی طراحی شده باشد می تواند به طور کامل پتانسیل عملکرد رزولور را درک کند، در حالی که یک راه حل رمزگشایی با کیفیت پایین ممکن است به گلوگاه کل سیستم اندازه گیری تبدیل شود. بنابراین، هنگام انتخاب راه حل حل کننده، سازگاری بین سنسور و رمزگشا باید به دقت در نظر گرفته شود.

مزیت های عملکرد و حوزه های کاربردی حل کننده های اکراه

به لطف اصول کار منحصر به فرد و طراحی ساختاری، حل کننده های عدم تمایل در چندین معیار عملکرد کلیدی از سنسورهای موقعیت سنتی بهتر عمل می کنند. این مزایا آنها را به انتخاب ارجح برای تشخیص زاویه در بسیاری از کاربردهای صنعتی سخت تبدیل می کند.

برتری عملکرد جامع نسبت به سنسورهای سنتی

در مقایسه با دستگاه‌های تشخیص موقعیت سنتی مانند رمزگذارهای نوری و حسگرهای هال، حل‌کننده‌های عدم تمایل مزایای عملکردی همه جانبه دارند:

· سازگاری محیطی استثنایی:

در دماهای بین -55 درجه سانتیگراد تا +155 درجه سانتیگراد، با درجه حفاظتی تا IP67 یا بالاتر، به طور پایدار کار می کند و می تواند در برابر لرزش ها و ضربه های قوی (مانند محیط های خشن مانند محفظه موتور خودرو) مقاومت کند.

· طول عمر طولانی بدون تماس:

عدم وجود سیم پیچ یا برس روی روتور، سایش مکانیکی را از بین می برد و طول عمر تئوری ده ها هزار ساعت را ممکن می سازد.

· پاسخ با سرعت فوق العاده بالا:

سرعت تا 60000 RPM را پشتیبانی می کند که بسیار فراتر از محدودیت های اکثر رمزگذارهای نوری است.

· اندازه گیری موقعیت مطلق:

اطلاعات زاویه مطلق را بدون نیاز به نقطه مرجع ارائه می دهد و داده های موقعیت را بلافاصله پس از روشن شدن ارائه می دهد.

· قابلیت ضد تداخل قوی:

بر اساس القای الکترومغناطیسی، به گرد و غبار، روغن، رطوبت و میدان های مغناطیسی خارجی غیر حساس است.

کاربردهای اصلی در خودروهای انرژی نو

در صنعت خودروهای انرژی جدید، حل کننده های عدم تمایل به استاندارد طلایی برای تشخیص موقعیت موتور تبدیل شده اند. آنها به طور گسترده ای در سیستم های کنترل موتور محرک وسایل نقلیه الکتریکی باتری (BEV) و وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی (HEVs) با عملکردهای کلیدی از جمله:

· تشخیص موقعیت روتور:

اطلاعات دقیق زاویه روتور را برای کنترل برداری موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) ارائه می دهد.

· اندازه گیری سرعت:

سرعت موتور را از نرخ تغییر زاویه محاسبه می کند و کنترل سرعت حلقه بسته را امکان پذیر می کند.

· فرمان برقی (EPS):

زاویه فرمان را برای ارائه کمک فرمان دقیق تشخیص می دهد.

اتوماسیون صنعتی و کاربردهای ویژه

فراتر از بخش خودرو، حل کننده های عدم تمایل نیز به طور گسترده در اتوماسیون صنعتی استفاده می شوند:

· ماشین ابزار CNC:

تعیین موقعیت اسپیندل و اندازه گیری زاویه محور تغذیه.

· مفاصل ربات:

کنترل دقیق حرکات بازوهای رباتیک.

· ماشین آلات نساجی:

کنترل کشش نخ و تشخیص زاویه سیم پیچ.

· ماشین های قالب گیری تزریقی:

نظارت و کنترل موقعیت پیچ.

· نظامی و هوافضا:

تعیین موقعیت آنتن رادار، کنترل سکان موشک، و دیگر کاربردهای محیطی شدید.

در حمل و نقل ریلی و ریلی پرسرعت، از رزولورهای رلوکتانس برای تشخیص سرعت و موقعیت موتور کششی استفاده می‌شود، جایی که قابلیت اطمینان بالا و ویژگی‌های بدون نیاز به تعمیر و نگهداری به طور قابل توجهی هزینه‌های چرخه عمر را کاهش می‌دهد. محیط های خشن مانند ماشین آلات معدن (به عنوان مثال، وسایل نقلیه زیرزمینی حمل و نقل زغال سنگ و موتورهای تسمه نقاله) به طور فزاینده ای از حل کننده های بی میلی برای جایگزینی حسگرهای سنتی استفاده می کنند.

با ظهور Industry 4.0 و تولید هوشمند، حل کننده های عدم تمایل به سمت دقت بالاتر، اندازه کوچکتر و هوش بیشتر در حال تکامل هستند. محصولات نسل بعدی بر روی سازگاری با طرح‌های یکپارچه موتور-گیربکس درایو، و همچنین توسعه انواع مقاوم در برابر روغن و مقاوم در برابر دمای بالا برای پاسخگویی به نیازهای سیستم‌های خنک‌کننده با روغن تمرکز خواهند کرد. علاوه بر این، انتقال بی سیم و قابلیت های خود تشخیصی انتظار می رود به روندهای آینده تبدیل شوند و دامنه کاربرد آنها را بیشتر گسترش دهند.

چالش‌های فنی و روندهای آینده برای حل‌کننده‌های اکراه

علیرغم عملکرد و قابلیت اطمینان فوق‌العاده خود در زمینه‌های مختلف، حل‌کننده‌های عدم تمایل همچنان با چالش‌های فنی روبرو هستند و جهت‌های نوآوری روشنی را نشان می‌دهند.

تنگناها و راه حل های فنی موجود

الزامات دقت بالا در ساخت یک چالش بزرگ برای حل کننده های عدم تمایل است. دقت ماشینکاری دندانه های استاتور، یکنواختی توزیع سیم پیچ و تعادل دینامیکی روتور مستقیماً بر دقت و عملکرد سنسور تأثیر می گذارد. برای حل‌کننده‌های با دقت بالا با چندین جفت قطب (مثلاً 12 جفت قطب)، حتی خطاهای تولید در سطح میکرون می‌تواند منجر به خطاهای دامنه یا فاز غیرقابل قبول شود. راه حل های این مشکل عبارتند از:

· اتخاذ قالب های مهر زنی با دقت بالا و فرآیندهای لمینیت خودکار برای اطمینان از ثبات و دقت شکاف دندان در هسته.

· معرفی تحلیل میدان مغناطیسی المان محدود برای بهینه سازی طراحی مدار مغناطیسی و جبران تحمل های تولید.

· توسعه الگوریتم های خود جبرانی برای تصحیح خودکار خطاهای حسگر ذاتی در طول پردازش سیگنال.

چالش دیگر پیچیدگی یکپارچه سازی سیستم است . اگرچه خود حل‌کننده ساختار ساده‌ای دارد، اما یک سیستم اندازه‌گیری کامل شامل زیرسیستم‌هایی مانند منابع تغذیه تحریک، مدارهای شرطی‌سازی سیگنال و الگوریتم‌های رمزگشایی است که در صورت طراحی ضعیف می‌توانند به گلوگاه تبدیل شوند. برای رفع این مشکل، صنعت به سمت راه حل های یکپارچه حرکت می کند :

· ادغام ژنراتورهای تحریک، تهویه سیگنال و مدارهای رمزگشایی در یک تراشه واحد برای ساده کردن طراحی سیستم.

· توسعه رابط های استاندارد شده (مانند SPI، CAN) برای یکپارچه سازی یکپارچه با کنترل کننده های اصلی.

· ارائه کیت های توسعه جامع شامل طرح های مرجع، کتابخانه های نرم افزاری و ابزارهای کالیبراسیون.

جهت گیری های نوآوری و روندهای آینده

نوآوری مواد پیشرفت های عملکردی را برای حل کننده های بی میلی به ارمغان می آورد. کامپوزیت های مغناطیسی نرم جدید (SMCs) با خواص مغناطیسی همسانگرد سه بعدی می توانند توزیع میدان مغناطیسی را بهینه کرده و اعوجاج هارمونیک را کاهش دهند. در همین حال، مواد عایق پایدار در دمای بالا و پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی، محدوده محیط عملیاتی سنسور را گسترش می‌دهند.

هوشمندی یکی دیگر از جهت گیری های حیاتی برای حل کننده های بی میلی در آینده است. با یکپارچه سازی ریزپردازنده ها و رابط های ارتباطی، حل کننده ها می توانند به موارد زیر دست یابند:

· توابع خود تشخیصی:

نظارت در زمان واقعی سلامت سنسور و پیش بینی طول عمر باقی مانده.

· جبران تطبیقی:

تنظیم خودکار پارامترهای جبران بر اساس تغییرات محیطی (مثلاً دما).

· رابط های شبکه ای:

پشتیبانی از پروتکل های ارتباطی پیشرفته مانند اترنت صنعتی، تسهیل ادغام در سیستم های IoT صنعتی (IIoT).

از نظر گسترش کاربرد ، حل‌کننده‌های عدم تمایل در دو جهت پیشرفت می‌کنند: به سمت برنامه‌های کاربردی با دقت بالاتر (به عنوان مثال، تجهیزات تولید نیمه‌رسانا، روبات‌های پزشکی) که به وضوح و قابلیت اطمینان بیشتری نیاز دارند، و به سمت کاربردهای اقتصادی و گسترده‌تر (مانند لوازم خانگی، ابزارهای برقی) از طریق تولید انبوه برای کاهش هزینه‌ها و طراحی‌های ساده.

یک روند به ویژه قابل توجه استفاده از حل کننده های عدم تمایل در خودروهای انرژی جدید نسل بعدی است . همانطور که سیستم های موتور به سمت سرعت های بالاتر و یکپارچگی تکامل می یابند، حسگرهای موقعیت باید شرایط سخت تری را برآورده کنند:

· پشتیبانی از سرعت های فوق العاده بالای بیش از 20000 RPM.

· تحمل دماهای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد.

· سازگاری با طرح های آب بندی سیستم روغن خنک.

· ابعاد نصب کوچکتر و وزن سبک تر.

استانداردسازی و پیشرفت صنعتی

همانطور که فناوری حل کننده بی میلی بالغ می شود، تلاش های استانداردسازی نیز در حال پیشرفت است. چین استانداردهای ملی مانند مشخصات فنی عمومی GB/T 31996-2015 را برای Resolvers برای تنظیم معیارهای عملکرد محصول و روش‌های آزمایش ایجاد کرده است. از نظر صنعتی شدن، فناوری حل کننده بی میلی چینی به سطوح پیشرفته بین المللی رسیده است.

قابل پیش‌بینی است که با پیشرفت تکنولوژی و صنعتی‌شدن، حل‌کننده‌های اکراه جایگزین حسگرهای سنتی در زمینه‌های بیشتری خواهند شد و به راه‌حل اصلی برای تشخیص موقعیت چرخشی و ارائه پشتیبانی فنی حیاتی برای اتوماسیون صنعتی و توسعه خودروهای انرژی جدید تبدیل می‌شوند.