اصول و کاربردهای حل کننده اکراه توضیح داده شده است

در اتوماسیون صنعتی مدرن و کنترل مکانیکی دقیق ، تشخیص دقیق موقعیت چرخشی بسیار مهم است. در حل کننده عدم تمایل ، که معمولاً به عنوان یک حل کننده گفته می شود ، یک سنسور بسیار قابل اعتماد است که به طور گسترده در موتورهای سروو ، روباتیک و سایر برنامه هایی که نیاز به موقعیت دقیق دارند استفاده می شود. این مقاله به طور خلاصه اصول کار حل کننده ها و نحوه دستیابی به موقعیت چرخشی را معرفی می کند.

یک حل کننده یک سنسور آنالوگ است که بر اساس اصل القاء الکترومغناطیسی ، قادر به تبدیل زاویه مکانیکی یک روتور به سیگنال های الکتریکی است. بر خلاف سنسورهای دیجیتالی مانند رمزگذارهای نوری ، حل کننده ها سیگنال های آنالوگ مداوم را برای اطلاعات موقعیت چرخشی ارائه می دهند ، قابلیت های ضد دخانیت و قابلیت اطمینان برتر ، به ویژه در محیط های سخت را ارائه می دهند.

ساختار اصلی و اصول کاری برای حل کننده های بی میلی

برای درک چگونگی دستیابی به حل کننده های عدم تمایل به موقعیت مکانی دقیق چرخشی ، ضروری است که به ساختار فیزیکی منحصر به فرد آنها بپردازیم. طراحی مبتکرانه این سنسورها پایه و اساس عملکرد بالا آنها را تشکیل می دهد و کاربرد عملی اصول القایی الکترومغناطیسی را نشان می دهد.

طراحی ساختاری انقلابی

ساختار یک حل کننده اکراه از سه مؤلفه اصلی تشکیل شده است: هسته استاتور , هسته روتور و سیستم سیم پیچ . هسته استاتور از ورق های فولادی سیلیکون با نفوذ بالا لمینت می شود ، با دندانهای بزرگ (کفش قطبی) که بر روی قسمت داخلی مشت می شوند ، هر یک بیشتر به دندانهای کوچک مساوی تقسیم می شوند. ترتیب و شکل این دندانهای کوچک به طور دقیق محاسبه می شود تا از توزیع میدان مغناطیسی سینوسی ایده آل اطمینان حاصل شود. روتور ساده تر است ، که فقط از لمینیت های فولادی سیلیکون دندانه دار و بدون سیم پیچ و اجزای الکترونیکی ساخته شده است. این طرح 'منفعل' برای قابلیت اطمینان بالای حل کننده مهم است.

سیستم سیم پیچ کاملاً روی استاتور قرار دارد و شامل یک سیم پیچ تحریک و دو سیم پیچ خروجی متعامد (سیم پیچ سینوسی و کاسین) است. این سیم پیچ ها با توجه به یک الگوی سینوسی متمرکز و توزیع می شوند تا از خصوصیات سینوسی سیگنال های خروجی اطمینان حاصل شود. نکته قابل توجه ، سیم پیچ های خروجی در یک پیکربندی سری متناوب و معکوس ترتیب داده می شوند ، به طور موثری تداخل هارمونیک را سرکوب می کنند و خلوص سیگنال را بهبود می بخشند.

اصل موقعیت یابی بر اساس تنوع عدم تمایل

اصل کار یک حل کننده اکراه در اطراف مدولاسیون هدایت مغناطیسی شکاف هوا می چرخد . هنگامی که یک ولتاژ AC سینوسی (به طور معمول 7 ولت در 1-10 کیلوهرتز) برای سیم پیچ تحریک اعمال می شود ، یک میدان مغناطیسی متناوب در استاتور ایجاد می شود. این میدان مغناطیسی از شکاف هوا به روتور عبور می کند. با توجه به وجود دندانهای روتور ، عدم تمایل مغناطیسی (معکوس هدایت مغناطیسی) مدار مغناطیسی به صورت چرخه ای با موقعیت روتور تغییر می کند.

به طور خاص ، هنگامی که دندانهای روتور با دندانهای استاتور تراز می شوند ، عدم تمایل به حداقل می رسد و شار مغناطیسی به حداکثر می رسد. در مقابل ، هنگامی که شکاف های روتور با دندانهای استاتور تراز می شوند ، عدم تمایل به حداکثر می رسد و شار مغناطیسی به حداقل می رسد. برای هر قسمت دندان روتور می چرخد ، هدایت مغناطیسی شکاف هوا یک چرخه کامل از تغییر را تکمیل می کند. این مدولاسیون میدان مغناطیسی تحریک باعث سیگنال های ولتاژ در سیم پیچ های خروجی می شود ، دامنه های آن با موقعیت زاویه ای روتور ارتباط دارند.

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 کاسین: e_c = e_cmsinθsinΩt

در اینجا ، θ زاویه مکانیکی روتور را نشان می دهد ، و فرکانس زاویه ای سیگنال تحریک را نشان می دهد. در حالت ایده آل ، Eₛₘ و E_CM باید برابر باشند ، اما تحمل تولید ممکن است خطاهای دامنه را معرفی کند ، که نیاز به کالیبراسیون یا جبران مدار دارد.

جفت قطب و دقت اندازه گیری

جفت قطب یک قاطعیت اکراه یک پارامتر مهم است که به طور مستقیم بر دقت و وضوح اندازه گیری آن تأثیر می گذارد. تعداد جفت قطب مربوط به تعداد دندانهای روتور است و زاویه چرخش مکانیکی مورد نیاز برای یک چرخه سیگنال الکتریکی کامل را تعیین می کند. به عنوان مثال ، یک حل کننده با 4 جفت قطب 4 چرخه سیگنال الکتریکی در هر چرخش مکانیکی تولید می کند ، به طور مؤثر 'تقویت' زاویه مکانیکی توسط یک عامل 4 برای اندازه گیری.

حل کننده های عدم تمایل مشترک در بازار از 1 تا 12 جفت قطب است. شمارش قطب بالاتر از لحاظ نظری وضوح زاویه ای بالاتر را فعال می کند ، با 12 قطبی که به 0.1 درجه and یا دقت بهتر می رسند. با این حال ، افزایش جفت قطب همچنین پیچیدگی پردازش سیگنال را افزایش می دهد ، و بر اساس نیازهای کاربردی ، نیاز به تجارت دارد.

این روش اندازه گیری زاویه ، بر اساس تنوع عدم تمایل و القای الکترومغناطیسی ، اجازه می دهد تا حل کننده های عدم تمایل به طور پایدار در یک محدوده دمای گسترده (-55 درجه سانتیگراد تا +155 درجه سانتیگراد) کار کنند ، با رتبه های محافظت تا IP67 یا بالاتر. آنها می توانند در برابر ارتعاشات و شوک های قوی مقاومت کنند و آنها را برای محیط هایی مانند خودرو ، هوافضا و کاربردهای نظامی ایده آل کنند.

پردازش سیگنال و تکنیک های محاسبه زاویه

خروجی سیگنال های آنالوگ با عدم تمایل به وضوح نیاز به مدارهای پردازش تخصصی دارد تا آنها را به اطلاعات زاویه دیجیتالی قابل استفاده تبدیل کند. این فرایند شامل الگوریتم های تهویه و رمزگشایی سیگنال پیچیده است که برای دستیابی به موقعیت یابی با دقت بالا در سیستم های حل کننده بسیار مهم است.

از سیگنال های آنالوگ گرفته تا زاویه های دیجیتال

سیگنال های خام از یک قاطعیت اکراه دو موج سینوسی (sinθsinΩt و cosθsinΩt) است که توسط زاویه روتور تعدیل شده است. استخراج اطلاعات زاویه ای θ شامل چندین مرحله پردازش است. ابتدا ، سیگنال ها تحت فیلتر باند باند قرار می گیرند تا سر و صدای فرکانس بالا و تداخل با فرکانس پایین را از بین ببرند. در مرحله بعد ، تخریب حساس به فاز (یا تخریب همزمان) فرکانس حامل (به طور معمول 10kHz) را از بین می برد و سیگنال های با فرکانس پایین Sinθ و Cosθ حاوی اطلاعات زاویه ای را به همراه می آورد.

سیستم های رمزگشایی مدرن به طور معمول از پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP) یا مبدل های اختصاصی حل کننده به دیجیتال (RDC) برای محاسبه زاویه استفاده می کنند. این پردازنده ها از الگوریتم های Cordic (Coordinate Rotation Digital Computer) یا عملیات arctangent استفاده می کنند تا سیگنال های SINθ و COSθ را به مقادیر زاویه دیجیتال تبدیل کنند. به عنوان مثال ، میکروکنترلر DSPIC30F3013 دارای یک ماژول ADC داخلی برای نمونه گیری همزمان از دو سیگنال است و به دنبال آن الگوریتم های نرم افزاری برای محاسبه زاویه دقیق.

جبران خطا و افزایش دقت

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

: عدم تعادل دامنه دامنه نابرابر سیگنال های خروجی سینوسی و کسین (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 سینوئیدی

· خطای متعامد : انحراف زاویه ای ناشی از نصب سیم پیچ نادرست

برای بهبود دقت سیستم ، مدارهای رمزگشایی پیشرفته از تکنیک های مختلف جبران خسارت استفاده می کنند. به عنوان مثال ، مدارهای کنترل افزایش خودکار (AGC) دامنه دو سیگنال را متعادل می کنند ، فیلترهای دیجیتال تداخل هارمونیک را سرکوب می کنند و الگوریتم های نرم افزاری شامل اصطلاحات جبران خطا هستند. با طراحی و کالیبراسیون دقیق ، سیستم های حل کننده می توانند خطاهای زاویه ای را در دمای 0.1 پوند بدست آورند و الزامات بیشتر برنامه های با دقت بالا را برآورده می کنند.

روند در فن آوری های رمزگشایی جدید

پیشرفت در فناوری نیمه هادی باعث نوآوری در پردازش سیگنال حل کننده می شود. مدارهای تخریب کننده مؤلفه سنتی به تدریج توسط راه حل های یکپارچه جایگزین می شوند . برخی از تراشه های رمزگشایی جدید ، ژنراتورهای سیگنال تحریک ، مدارهای تهویه سیگنال و واحدهای محاسبه دیجیتال را ادغام می کنند و طراحی سیستم را به طور قابل توجهی ساده می کنند.

در همین حال ، رمزگشایی تعریف شده از نرم افزار محبوبیت زیادی پیدا می کند. این رویکرد از قدرت محاسباتی ریزپردازنده های با کارایی بالا استفاده می کند تا بیشتر عملکردهای پردازش سیگنال را در نرم افزار پیاده سازی کند و انعطاف پذیری و قابلیت برنامه ریزی بیشتری را ارائه می دهد. به عنوان مثال ، پارامترهای فیلتر ، الگوریتم های جبران خسارت یا حتی قالب های داده خروجی را می توان برای راه حل های اندازه گیری زاویه سفارشی تنظیم کرد.

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

مزایای عملکرد و زمینه های کاربردی از حل کننده های اکراه

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

برتری عملکرد جامع نسبت به سنسورهای سنتی

در مقایسه با دستگاه های تشخیص موقعیت سنتی مانند رمزگذارهای نوری و سنسورهای سالن ، حل کننده های اکراه از مزایای عملکرد همه جانبه برخوردار هستند:

· سازگاری با محیط زیست استثنایی : در دمای مختلف از -55 درجه سانتیگراد تا +155 درجه سانتیگراد ، با رتبه های محافظت تا IP67 یا بالاتر عمل می کند و می تواند در برابر ارتعاشات و شوک های قوی مقاومت کند (به عنوان مثال ، محیط های سخت مانند محفظه موتور خودرو).

· طول عمر طولانی بدون تماس : عدم وجود سیم پیچ یا برس در روتور ، سایش مکانیکی را از بین می برد و باعث می شود طول عمر نظری ده ها هزار ساعت.

· پاسخ سریع با سرعت بالا : از سرعت حداکثر 60،000 دور در دقیقه پشتیبانی می کند ، که بسیار بیش از حد اکثر رمزگذارهای نوری است.

· اندازه گیری موقعیت مطلق : اطلاعات زاویه مطلق را بدون نیاز به یک نقطه مرجع ارائه می دهد ، و داده های موقعیت را بلافاصله پس از برق ارائه می دهد.

· قابلیت ضد مداخله قوی : بر اساس القاء الکترومغناطیسی ، نسبت به گرد و غبار ، روغن ، رطوبت و میدان های مغناطیسی خارجی حساس نیست.

برنامه های اصلی در وسایل نقلیه انرژی جدید

در صنعت جدید وسیله نقلیه انرژی ، وضوح عدم تمایل به استاندارد طلا برای تشخیص موقعیت حرکتی تبدیل شده است. آنها به طور گسترده در سیستم های کنترل موتور درایو وسایل نقلیه برقی باتری (BEV) و وسایل نقلیه برقی هیبریدی (HEV) استفاده می شوند ، با عملکردهای کلیدی از جمله:

· تشخیص موقعیت روتور : اطلاعات دقیق زاویه روتور را برای کنترل بردار موتورهای همزمان مگنت دائمی (PMSM) فراهم می کند.

· اندازه گیری سرعت : سرعت موتور را از سرعت تغییر زاویه محاسبه می کند و کنترل سرعت حلقه بسته را فعال می کند.

· فرمان برقی (EPS) : برای ارائه کمک دقیق فرمان ، زاویه فرمان را تشخیص می دهد.

اتوماسیون صنعتی و کاربردهای ویژه

فراتر از بخش خودرو ، وضوح اکراه نیز در اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد:

· ابزار ماشین CNC : موقعیت یابی دوک و اندازه گیری زاویه محور تغذیه.

· اتصالات ربات : کنترل دقیق حرکات بازوی روباتیک.

· ماشین آلات نساجی : کنترل تنش نخ و تشخیص زاویه سیم پیچ.

· دستگاه های قالب گیری تزریق : نظارت و کنترل موقعیت پیچ.

· نظامی و هوافضا : موقعیت یابی آنتن رادار ، کنترل سکه موشکی و سایر برنامه های محیط زیست.

در ترانزیت ریلی و ریلی با سرعت بالا ، از وضوح عدم تمایل برای سرعت حرکت موتور و تشخیص موقعیت استفاده می شود ، جایی که قابلیت اطمینان بالا و ویژگی های بدون نگهداری آنها به طور قابل توجهی هزینه های چرخه عمر را کاهش می دهد. محیط های سخت مانند ماشین آلات معدن (به عنوان مثال ، وسایل نقلیه حمل و نقل زغال سنگ زیرزمینی و موتورهای کمربند نقاله) به طور فزاینده ای برای جایگزینی سنسورهای سنتی ، وضوح تمایلی را اتخاذ می کنند.

با ظهور صنعت 4.0 و تولید هوشمند ، وضوح تمایلی به سمت دقت بالاتر ، اندازه کوچکتر و هوش بیشتر در حال تحول هستند. محصولات نسل بعدی بر سازگاری با طرح های یکپارچه موتور محرک موتور و همچنین توسعه انواع مقاوم در برابر روغن و با درجه حرارت بالا برای پاسخگویی به خواسته های سیستم های خنک کننده روغن متمرکز خواهند شد. علاوه بر این ، انتظار می رود انتقال بی سیم و قابلیت های خود تشخیصی به روندهای آینده تبدیل شود و دامنه کاربرد آنها را بیشتر گسترش دهد.

چالش های فنی و روندهای آینده برای عدم تمایل به وضوح

علیرغم عملکرد و قابلیت اطمینان برجسته آنها در زمینه های مختلف ، حل کننده های اکراه هنوز با چالش های فنی روبرو هستند و مسیرهای نوآوری روشنی را به نمایش می گذارند.

تنگناها و راه حل های فنی موجود

الزامات دقیق تولید بالا یک چالش اساسی برای عدم تمایل به وضوح است. دقت ماشینکاری دندانهای استاتور ، یکنواختی توزیع سیم پیچ و تعادل پویا روتور به طور مستقیم بر دقت و عملکرد سنسور تأثیر می گذارد. برای حل کننده های با دقت بالا با جفت قطب چندگانه (به عنوان مثال ، 12 جفت قطب) ، حتی خطاهای تولید در سطح میکرون می توانند منجر به دامنه یا خطاهای فاز غیرقابل قبول شوند. راه حل های این موضوع عبارتند از:

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

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

· توسعه الگوریتم های جبران خسارت برای اصلاح خودکار خطاهای سنسور ذاتی در طول پردازش سیگنال.

چالش دیگر پیچیدگی ادغام سیستم است . اگرچه خود حل کننده دارای یک ساختار ساده است ، اما یک سیستم اندازه گیری کامل شامل زیر سیستم هایی مانند منبع تغذیه تحریک ، مدارهای تهویه سیگنال و الگوریتم های رمزگشایی است که در صورت طراحی ضعیف می تواند به تنگنا تبدیل شود. برای پرداختن به این موضوع ، صنعت به سمت راه حل های یکپارچه حرکت می کند :

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

· توسعه رابط های استاندارد (به عنوان مثال ، SPI ، CAN) برای ادغام یکپارچه با کنترل کننده های اصلی.

· تهیه کیت های جامع توسعه ، از جمله طرح های مرجع ، کتابخانه های نرم افزاری و ابزارهای کالیبراسیون.

مسیرهای نوآوری و روندهای آینده

نوآوری مادی پیشرفت های عملکرد را برای عدم تمایل به حل کننده ها به ارمغان می آورد. کامپوزیت های جدید مغناطیسی نرم (SMC) با خواص مغناطیسی ایزوتروپیک سه بعدی می توانند توزیع میدان مغناطیسی را بهینه کرده و اعوجاج هارمونیک را کاهش دهند. در همین حال ، مواد عایق با درجه بالا با درجه حرارت بالا و پوشش های مقاوم در برابر خوردگی ، دامنه محیط عملیاتی سنسور را گسترش می دهد.

هوش یکی دیگر از جهت های مهم برای حل کننده های عدم تمایل در آینده است. با ادغام ریزپردازنده ها و رابط های ارتباطی ، حل کننده ها می توانند به دست بیاورند:

· توابع خود تشخیصی : نظارت بر زمان واقعی سلامت سنسور و پیش بینی طول عمر.

· جبران خسارت سازگار : تنظیم خودکار پارامترهای جبران خسارت بر اساس تغییرات محیطی (به عنوان مثال ، دما).

· رابط های شبکه ای : پشتیبانی از پروتکل های ارتباطی پیشرفته مانند اترنت صنعتی ، تسهیل ادغام در سیستم های صنعتی IoT (IIOT).

از نظر گسترش برنامه ، حل کننده های عدم تمایل از دو جهت پیشرفت می کنند: به سمت برنامه های دقیق با دقت بالاتر (به عنوان مثال ، تجهیزات تولید نیمه هادی ، روبات های پزشکی) که نیاز به وضوح و قابلیت اطمینان بیشتر دارند و به سمت کاربردهای اقتصادی و گسترده تر (به عنوان مثال ، لوازم خانگی ، ابزارهای برق) از طریق طرح های ساده و تولید انبوه برای کاهش هزینه ها.

یک روند به ویژه قابل توجه ، استفاده از حل کننده های عدم تمایل در وسایل نقلیه انرژی جدید نسل بعدی است . با تکامل سیستم های حرکتی به سمت سرعت و ادغام بالاتر ، سنسورهای موقعیت باید نیازهای خواستار بیشتری را برآورده کنند:

· پشتیبانی از سرعت فوق العاده بالا بیش از 20،000 دور در دقیقه.

· تحمل برای دمای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد.

· سازگاری با طرح های آب بندی سیستم خنک شده با روغن.

· ابعاد نصب کوچکتر و وزن سبک تر.

استاندارد سازی و پیشرفت صنعتی سازی

با بالغ شدن فن آوری حل کننده اکراه ، تلاش های استاندارد سازی نیز در حال پیشرفت است. چین استانداردهای ملی مانند GB/T 31996-2015 مشخصات فنی عمومی را برای تنظیم کننده ها برای تنظیم معیارهای عملکرد محصول و روش های آزمایش ایجاد کرده است. از نظر صنعتی شدن ، فناوری حل کننده اکراه چینی به سطح پیشرفته بین المللی رسیده است.

پیش بینی می شود که با پیشرفت تکنولوژیکی و صنعتی شدن ، حل کننده های عدم تمایل جایگزین سنسورهای سنتی در زمینه های بیشتر می شوند و به یک راه حل اصلی برای تشخیص موقعیت چرخشی تبدیل می شوند و پشتیبانی فنی مهم را برای اتوماسیون صنعتی و توسعه وسایل نقلیه انرژی جدید فراهم می کنند.