Nykyaikaisessa teollisuusautomaatiossa ja tarkkuusmekaanisessa hallinnassa tarkka kiertoasennon havaitseminen on ratkaisevan tärkeää. Se Vahingonsuojelualue , jota yleisesti kutsutaan päättäväksi, on erittäin luotettava anturi, jota käytetään laajalti servomoottoreissa, robotiikassa ja muissa tarkkoissa paikannuslaitteissa. Tässä artikkelissa esitellään lyhyesti ratkaisujen työperiaatteet ja miten ne saavuttavat kiertopaikan.
Ratkaisu on analoginen anturi, joka perustuu sähkömagneettisen induktion periaatteeseen, joka pystyy muuntamaan roottorin mekaanisen kulman sähköisiksi signaaleiksi. Toisin kuin digitaaliset anturit, kuten optiset kooderit, resolaattorit tarjoavat jatkuvia analogisia signaaleja pyörimisasentotietoihin, tarjoamalla parempia interferenssin vastaisia ominaisuuksia ja luotettavuutta, etenkin ankarissa ympäristöissä.
Keskeisrakenne ja vastahakottajien pääperiaatteet
Ymmärtääksesi, kuinka vastahakoisuuden ratkaisijat saavuttavat tarkan kiertopaikan, on välttämätöntä syventää niiden ainutlaatuista fyysistä rakennetta. Näiden anturien nerokas suunnittelu muodostaa niiden korkean suorituskyvyn perustan ja on esimerkki sähkömagneettisten induktioperiaatteiden käytännön soveltamisesta.
Vallankumouksellinen rakennesuunnittelu
Vahvisuuden ratkaisijan rakenne koostuu kolmesta pääkomponentista: staattorin ydinroottorin , ytimestä ja käämityksestä . Staattorin ydin on laminoinut korkean läpäisevyyden piiderkkilevyistä, joissa on suuret hampaat (napakengät), jotka on rei'itetty sisäkehään, jokainen jaetaan edelleen tasaisesti sijoitettuihin pieniin hampaisiin. Näiden pienten hampaiden järjestely ja muoto lasketaan huolellisesti ihanteellisen sinimuotoisen magneettikentän jakautumisen varmistamiseksi. Roottori on yksinkertaisempi, valmistettu vain hammastetuista piisiteräksistä laminaatioista ilman käämiä tai elektronisia komponentteja. Tämä 'passiivinen ' -suunnittelu on avain ratkaisun korkeaan luotettavuuteen.
Käämitysjärjestelmä sijaitsee täysin staattorilla ja sisältää viritys käämitys ja kaksi ortogonaalista lähtökävelyä (sini- ja kosinin käämitys). Nämä käämät ovat keskittyneet ja jakautuvat sinimuotoisen kuvion mukaan lähtösignaalien sinimuotoisten ominaisuuksien varmistamiseksi. Erityisesti lähtökäynnit on järjestetty vuorottelevaan ja käänteisen sarjan kokoonpanoon, tukahduttaen tehokkaasti harmoniset häiriöt ja parantavat signaalin puhtautta.
Paikannusperiaate, joka perustuu vastahakoisuuden variaatioon
Vahvisuuden resolverin toimintaperiaate pyörii Air Gap -magneettisen johtavuuden modulaation ympärillä . Kun staattorissa levitetään sinimuotoinen vaihtojännite (tyypillisesti 7 V 1-10 kHz: n kohdalla), heräte käämitykseen. Tämä magneettikenttä kulkee ilmaraon läpi roottoriin. Roottorin hampaiden esiintymisen vuoksi magneettisen piirin magneettinen vastahakoisuus (magneettisen johtavuuden käänteinen) muuttuu syklisesti roottorin asennon kanssa.
Erityisesti, kun roottorin hampaat kohdistuvat staattorin hampaiden kanssa, vastahakoisuus minimoidaan ja magneettinen flux maksimoidaan. Sitä vastoin, kun roottorin raot kohdistuvat staattorin hampaiden kanssa, vastahakoisuus maksimoi ja magneettinen flux minimoituu. Jokaiselle hammaskorkeudelle roottori kääntyy, ilmarako magneettinen johtavuus täydentää täydellisen variaatiosyklin. Tämä viritysmagneettikentän modulointi indusoi jänniteesignaalit lähtö käämiissä, joiden amplitudit korreloivat roottorin kulma -asennon kanssa.
Matemaattisesti, jos viritysjännite on e₁ = e₁sinωt, kahden lähtökäynnin jännitteet voidaan ilmaista seuraavasti:
· Sine -käämityslähtö: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Kosinin käämityslähtö: e_c = e_cmsinθsinωt
Tässä θ edustaa roottorin mekaanista kulmaa ja ωis virityssignaalin kulmataajuus. Ihannetapauksessa Eₛₘ ja E_CM: n tulisi olla yhtä suuret, mutta valmistustoleranssit voivat aiheuttaa amplitudivirheitä, jotka vaativat kalibrointia tai piirikompensointia.
Napaparit ja mittaustarkkuus
resoluutioon . Vahdenpitoratkaisun napaparit ovat kriittinen parametri, joka vaikuttaa suoraan sen mittaustarkkuuteen ja Napaparien lukumäärä vastaa roottorin hampaiden määrää ja määrittää täydellisen sähköisen signaalisyklin tarvittavan mekaanisen pyörimiskulman. Esimerkiksi 4 -napaisilla parilla varustettu resolver tuottaa 4 sähköistä signaalisykliä mekaanista kiertoa kohti, tehokkaasti 'vahvistaen' mekaaninen kulma kertoimella 4 mittausta varten.
Markkinoiden yhteiset vastahakoisuuden päättäjät vaihtelevat välillä 1 - 12 napaparia. Korkeampi napa laskee teoreettisesti korkeamman kulman resoluution, ja 12-napainen resoluutiot saavuttavat ± 0,1 ° tai paremman tarkkuuden. Poleparien lisääminen nostaa kuitenkin myös signaalinkäsittelyn monimutkaisuutta, mikä edellyttää kompromissia sovellusvaatimusten perusteella.
Tämä kulman mittausmenetelmä, joka perustuu vastahakoisuuden variaatioon ja sähkömagneettiseen induktioon, mahdollistaa vastahakoisuuden resoluutiot toimimaan vakaasti laajalla lämpötila-alueella (-55 ° C- +155 ° C), suojausarvioiden ollessa IP67: een tai korkeampi. Ne kestävät voimakkaita värähtelyjä ja iskuja, mikä tekee niistä ihanteellisia vaativiin ympäristöihin, kuten auto-, ilmailu- ja sotilassovelluksiin.
Signaalinkäsittely- ja kulmanlaskentatekniikat
Vahinomaisuuden resoluutioilla olevat analogiset signaalit vaativat erikoistuneita prosessointipiirejä niiden muuntamiseksi käytettäväksi digitaalikulmatietoiksi. Tämä prosessi käsittää monimutkaisen signaalin ilmastointi- ja dekoodausalgoritmit, jotka ovat kriittisiä korkean tarkan sijoittamisen saavuttamiseksi resoluutiojärjestelmissä.
Analogisista signaaleista digitaalikulksiin
Raaka -signaalit vastahakoisuuden resoluutiosta ovat kaksi siniaaltoa (sin θinωt ja cosθsinωt) roottorin kulma. Kulmatietojen purkaminen θ sisältää useita käsittelyvaiheita. Ensinnäkin signaalit läpäisevät kaistanpäästösuodatuksen korkeataajuisen kohinan ja matalan taajuuden häiriöiden poistamiseksi. Seuraavaksi vaiheherkkä demodulaatio (tai synkroninen demodulaatio) poistaa kantajataajuuden (tyypillisesti 10 kHz), jolloin saadaan matalataajuiset signaalit sinθ ja cosθ, jotka sisältävät kulmatiedot.
Nykyaikaiset dekoodausjärjestelmät käyttävät tyypillisesti digitaalisia signaaliprosessoreita (DSP) tai omistettuja ratkaisija-digitaalimuuntimia (RDC) kulmanlaskelmaan. Nämä prosessorit käyttävät cordic (koordinaatin kierto digitaalista tietokonetta) -algoritmeja tai arktanssitoimintoja sinka- ja cosθ -signaalien muuttamiseksi digitaalikulma -arvoiksi. Esimerkiksi DSPIC30F3013-mikrokontrollerissa on sisäänrakennettu ADC-moduuli kahden signaalin synkroniseen näytteenottoon, jota seuraa ohjelmistoalgoritmit tarkan kulman laskemiseksi.
Virhekompensaatio ja tarkkuuden parantaminen
Käytännöllisissä sovelluksissa erilaiset tekijät voivat tuoda mittausvirheitä, mukaan lukien:
· Amplitudin epätasapaino : Sinien ja kosinin lähtösignaalien epätasa -arvoiset amplitudit (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Vaiheen poikkeama : Ei-ihanteellinen 90 ° faasiero kahden signaalin välillä
· Harmoninen vääristymä : Ei-sinusoidisesta magneettikentän jakautumisesta johtuva signaalin vääristymä
· Ortogonaalinen virhe : epätarkkojen käämin asennuksen aiheuttama kulmapoikkeama
Järjestelmän tarkkuuden parantamiseksi edistyneet dekoodauspiirit käyttävät erilaisia korvaustekniikoita. Esimerkiksi automaattinen Gain -hallinta (AGC) -piirit tasapainottavat näiden kahden signaalin, digitaalisten suodattimien, jotka tukahduttavat harmoniset häiriöt, ja ohjelmistoalgoritmit sisältävät virhekompensaatiot. Huolellisella suunnittelulla ja kalibroinnilla resoluutiojärjestelmät voivat saavuttaa kulmavirheet ± 0,1 °: n sisällä, täyttäen useimpien korkean tarkkaan sovelluksen vaatimukset.
Uuden dekoodaustekniikan suuntaukset
Puolijohdeteknologian kehitys ajaa innovaatioita resolverisignaalinkäsittelyssä. Perinteiset diskreettiset komponentit demodulaatiopiirit korvataan vähitellen integroiduilla ratkaisuilla . Jotkut uudet dekooderisirut integroivat virityssignaalien generaattorit, signaalin ilmastointipiirit ja digitaaliset laskentayksiköt, yksinkertaistaen merkittävästi järjestelmän suunnittelua.
Samaan aikaan ohjelmiston määrittelemä dekoodaus on saanut suosiota. Tämä lähestymistapa hyödyntää korkean suorituskyvyn mikroprosessorien laskennallista tehoa useimpien ohjelmistojen signaalinkäsittelytoimintojen toteuttamiseksi tarjoamalla paremman joustavuuden ja ohjelmoitavuuden. Esimerkiksi suodatinparametrit, kompensointialgoritmit tai jopa lähtödatamuodot voidaan säätää räätälöityihin kulman mittausratkaisuihin.
On syytä huomata, että dekoodausjärjestelmä on yhtä tärkeä kuin itse ratkaisija. Hyvin suunniteltu dekoodauspiiri voi täysin toteuttaa resolverin suorituskykypotentiaalin, kun taas heikkolaatuinen dekoodausratkaisu voi tulla koko mittausjärjestelmän pullonkaulana. Siksi, kun valitset ratkaisuratkaisua, anturin ja dekooderin välistä yhteensopivuutta on harkittava huolellisesti.
Suorituskyvyn edut ja vastahakoisten ratkaisualueet
Heidän ainutlaatuisten työperiaatteidensa ja rakennesuunnittelunsa ansiosta vastahakoisuuden ratkaisut ylittävät perinteiset sijaintianturit useissa keskeisissä suorituskykymittareissa. Nämä edut tekevät niistä edullisen valinnan kulman havaitsemiseksi monissa vaativissa teollisuussovelluksissa.
Kattava suorituskyvyn paremmuus perinteisiin antureihin nähden
Verrattuna perinteisiin paikkojen havaitsemislaitteisiin, kuten optisiin koodereihin ja Hall-antureihin, vastahakoisuuden ratkaisuilla on kaiken kaikkiaan suorituskyvyn etuja:
· Poikkeuksellinen ympäristön sopeutumiskyky : toimii vakaasti lämpötiloissa, jotka vaihtelevat -55 ° C: sta +155 ° C: seen, suojausarvioiden ollessa IP67 tai korkeampi, ja se kestää voimakkaita värähtelyjä ja iskuja (esim. Karshia ympäristöjä, kuten automaattimoottoritilat).
· Kontaktiton pitkä käyttöikä : Kävelien tai harjojen puuttuminen roottorilla eliminoi mekaanisen kulumisen, mikä mahdollistaa kymmenien tuhansien tunnin teoreettisen eliniän.
· Erittäin korkean nopeuden vaste : Tukee nopeuksia jopa 60 000 rpm, ylittäen huomattavasti useimpien optisten kooderien rajat.
· Absoluuttinen sijainnin mittaus : Tarjoaa absoluuttisen kulmatiedon ilman vertailupistettä, toimittamalla sijaintitiedot heti virransiirron yhteydessä.
· Vahva interferenssien vastainen kyky : Sähkömagneettisen induktion perusteella se on herkkä pölylle, öljylle, kosteudelle ja ulkoisille magneettikentälle.
Ydinsovellukset uusissa energiaajoneuvoissa
Uudessa energiaajoneuvoteollisuudessa vastahakoisuuden resoluutioista on tullut kultastandardi . moottorin asennon havaitsemisen Niitä käytetään laajasti akkujen sähköajoneuvojen (BEV) ja hybridi -sähköajoneuvojen (HEV) käyttömoottorin ohjausjärjestelmissä, joissa on keskeiset toiminnot, mukaan lukien:
· Roottorin asennon havaitseminen : Tarkka roottorin kulmatiedot pysyvien magneetti -synkronisten moottorien (PMSMS) vektoriohjaamiseksi.
· Nopeusmittaus : Laskee moottorin nopeuden kulmanmuutoksen nopeudesta mahdollistaen suljetun silmukan nopeuden hallinnan.
· Sähköinen ohjaustehostin (EPS) : Tunnistaa ohjauspyörän kulman tarkan ohjausapua.
Teollisuusautomaatio ja erityissovellukset
Autoteollisuuden ulkopuolella, vastahakoisuuden päättäjät käytetään myös laajasti teollisuusautomaatiossa:
· CNC -työstötyökalut : karan sijainti ja syöttöakselin kulman mittaus.
· Robotin liitokset : robottivarren liikkeiden tarkka hallinta.
· Tekstiilikoneet : Langan jännityksen hallinta ja käämityskulman havaitseminen.
· Injektiomuovauskoneet : Ruuvin asennon valvonta ja hallinta.
· Sotilaallinen ja ilmailutila : Tutkanannin sijainti, ohjuksen peräsimen hallinta ja muut äärimmäisen ympäristön sovellukset.
Nopea kisko- ja rautatieyhteys, vastahakoisten ratkaisuja käytetään moottorin nopeuden ja asennon havaitsemiseen, joissa niiden korkea luotettavuus ja ylläpitovapaat ominaisuudet vähentävät merkittävästi elinkaarikustannuksia. Kova ympäristö, kuten kaivoskoneet (esim. Maanalaiset hiilikuljetusajoneuvot ja kuljetinhihnamoottorit) ovat yhä enemmän vastahakoisuuden ratkaisuja perinteisten anturien korvaamiseksi.
Teollisuuden 4.0 ja Smart Manufacturing -tuotteen myötä vastahakoisten päättäjät kehittyvät kohti korkeampaa tarkkuutta, pienempää kokoa ja suurempaa älykkyyttä. Seuraavan sukupolven tuotteet keskittyvät yhteensopivuuteen integroitujen moottoriharjavetoisten mallien kanssa, samoin kuin öljynkestävien ja korkean lämpötilan kestävien varianttien kehittäminen öljyjäähdyttettyjen järjestelmien vaatimusten täyttämiseksi. Lisäksi langattoman siirto- ja itsediagnostiikkaominaisuuksien odotetaan tulevan tulevia suuntauksia, jotka laajentavat edelleen niiden sovellusaluetta.
Tekniset haasteet ja tulevat trendit vastahakoisten ratkaisuille
Huolimatta erinomaisesta suorituskyvystä ja luotettavuudestaan eri aloilla, vastahakoisuuden ratkaisijat kohtaavat edelleen teknisiä haasteita ja osoittavat selkeät innovaatiosuunnat.
Nykyiset tekniset pullonkaulat ja ratkaisut
Korkeat valmistustarkkuusvaatimukset ovat suuri haaste vastahakoisuuden ratkaisuille. Staattorin hampaiden koneistustarkkuus, käämityksen jakautumisen tasaisuus ja roottorin dynaaminen tasapaino vaikuttavat suoraan anturin tarkkuuteen ja suorituskykyyn. Korkean tarkkuuden ratkaisujen kanssa, joissa on useita napaparia (esim. 12 napaparia), jopa mikronin tason valmistusvirheet voivat johtaa hyväksymättömiin amplitudiin tai vaihevirheisiin. Ratkaisuja tähän kysymykseen ovat:
· Hyväksyntä leimausmuotit ja automatisoidut laminointiprosessit ytimen konsistenssi- ja hampaiden korttipaikan tarkkuuden varmistamiseksi.
· Äärellisen elementin magneettikenttäanalyysin käyttöönotto magneettisen piirin suunnittelun optimoimiseksi ja valmistustoleranssien kompensoimiseksi.
· kehittäminen Itse kompensointialgoritmien luontaisten anturivirheiden korjaamiseksi signaalinkäsittelyn aikana.
Toinen haaste on järjestelmän integroinnin monimutkaisuus . Vaikka itseään resolverilla on yksinkertainen rakenne, täydellinen mittausjärjestelmä sisältää osajärjestelmät, kuten viritysvoimalaitteet, signaalin ilmastointipiirit ja dekoodausalgoritmit, joista voi tulla pullonkauloja, jos ne huonosti suunniteltu. Tämän ratkaisemiseksi teollisuus on siirtymässä kohti integroituja ratkaisuja :
· Herätysgeneraattoreiden, signaalin ilmastointi ja piirien dekoodaus yhdeksi siruksi järjestelmän suunnittelun yksinkertaistamiseksi.
· Standardoitujen rajapintojen (esim. SPI, CAN) kehittäminen saumattomaan integrointiin pääohjaimiin.
· Kattavien kehityssarjojen tarjoaminen, mukaan lukien viitesuunnitelmat, ohjelmistokirjastot ja kalibrointityökalut.
Innovaatiosuuntaa ja tulevia suuntauksia
Materiaaliinnovaatio tuo suorituskyvyn läpimurtoja vastahakoisuuden ratkaisuihin. Uudet pehmeät magneettiset komposiitit (SMC), joilla on kolmiulotteiset isotrooppiset magneettiset ominaisuudet, voivat optimoida magneettikentän jakautumisen ja vähentää harmonisia vääristymiä. Samaan aikaan korkean lämpötilan vakaa eristysmateriaalit ja korroosionkestävät pinnoitteet laajentavat anturin toimintaympäristöaluetta.
Älykkyys on toinen kriittinen suunta tulevalle vastahakoisuuden ratkaisulle. Integroimalla mikroprosessorit ja viestintärajapinnat, päättäjät voivat saavuttaa:
· Itsediagnostiset toiminnot : Anturin terveyden ja jäljellä olevan elinkaaren ennusteen reaaliaikainen seuranta.
· Mukautuva kompensointi : Kompensaatioparametrien automaattinen säätäminen ympäristömuutosten perusteella (esim. Lämpötila).
· Verkottuneet rajapinnat : tuki edistyneille viestintäprotokolloille, kuten Industrial Ethernet, helpottaa integraatiota teollisen IoT (IIOT) -järjestelmiin.
kannalta Sovelluksen laajentumisen vastahakoisten resoluutiot etenevät kahteen suuntaan: kohti huippuluokan tarkkuussovelluksia (esim. Puolijohteiden valmistuslaitteet, lääketieteelliset robotit), jotka vaativat parempaa resoluutiota ja luotettavuutta sekä kohti taloudellisia ja laajempia sovelluksia (esim. Kotitalouksien laitteet, sähkötyökalut) yksinkertaistettujen kuvioiden ja massatuotannon kautta kustannusten vähentämiseksi.
Erityisen huomionarvoinen trendi on vastahakoisten ratkaisujen soveltaminen seuraavan sukupolven uusissa energiaajoneuvoissa . Kun moottorijärjestelmät kehittyvät kohti korkeampaa nopeutta ja integraatiota, paikannusanturien on täytettävä enemmän vaativia vaatimuksia:
· Tuki erittäin korkeille nopeuksille, jotka ylittävät 20 000 rpm.
· Yli 150 ° C: n lämpötilojen toleranssi.
· Yhteensopivuus öljyjäähdytteisten järjestelmän tiivistysmallien kanssa.
· Pienemmät asennusmitat ja kevyempi paino.
Standardointi ja teollistumisen eteneminen
Kun vastahakoisuuden resoluuteknologia kypsyy, myös standardointitoimet etenevät. Kiina on perustanut kansalliset standardit, kuten GB/T 31996-2015 Resolversin yleiset tekniset eritelmät tuotteiden suorituskykymittarien ja testausmenetelmien säätelemiseksi. Teollistumisen kannalta Kiinan vastahakoisuusteknologia on saavuttanut kansainvälisen edistyneen tason.
On ennakoitavissa, että teknologisen kehityksen ja teollistumisen myötä vastahakoisuuden resoluutio korvaa perinteiset anturit useammalla alalla, josta tulee valtavirran ratkaisu kiertoasennon havaitsemiseen ja kriittisen teknisen tuen tarjoamiseen teollisuuden automaatiolle ja uuden energian ajoneuvojen kehittämiselle.
