I. Principes principaux des résolveurs de réticence variable
Premièrement, pour comprendre la conception, il faut comprendre ses différences fondamentales par rapport aux résolveurs traditionnels du rotor des blessures:
· Resolver traditionnel: le stator et le rotor ont des enroulements. Le signal d'excitation et le signal de sortie sont induits électromagnétiquement à travers l'espace d'air.
· Resolveur de réticence variable (VR): seul le stator a des enroulements . Le rotor est un composant ferromagnétique non enrouor . Son principe de travail est basé sur la variation de réticence.
o Windings Stator: incluent généralement un enroulement d'excitation (primaire) et deux enroulements de sortie (enroulements sinus et cosinus, secondaires) qui sont spatialement orthogonaux (90 degrés électriques séparés).
o Rotation du rotor: Lorsque le rotor avec des pôles saillants tourne, il modifie la longueur de l'espace d'air et la réticence du circuit magnétique.
o Modulation du signal: la variation de la réticence de l'espace d'air module (modulation d'amplitude) l'amplitude de tension induite dans les enroulements de sortie par le champ magnétique d'excitation. Les enveloppes d'amplitude des deux enroulements de sortie sont respectivement des fonctions sinusoïdales et cosinus de l'angle du rotor.
Ses avantages sont: une structure simple, robuste et durable (sans balais), à faible coût, à haute fiabilité, à la capacité de résister à des environnements à grande vitesse et à haute température . L'inconvénient est que la précision et la linéarité sont généralement légèrement inférieures à celles des résolveurs de rotor de blessures à haute précision.
Ii Processus de conception et considérations clés
Le processus de conception est itératif et suit généralement ces étapes:
1. Définir les spécifications de conception
C'est le point de départ de tous les modèles et doit être clarifié en premier:
· Nombre de paires de pôles (P): détermine la relation entre les angles électriques et mécaniques (θ_electric = p * θ_mechanical). Les configurations communes sont une paire de pôles (unipolaire) et des paires de 2 poteaux (bipolaires). Le nombre de paires de pôles affecte la précision et la vitesse maximale.
· Exigences de précision: généralement exprimées en arcminutes (′) ou en millirradians (mrad). Les conceptions de haute précision nécessitent des exigences extrêmement élevées en matière de fabrication, de matériaux et de suppression harmonique de champ magnétique.
· Signal d'excitation d'entrée: amplitude de tension d'excitation, fréquence (les courantes sont 4 kHz, 10 kHz, etc.), la forme d'onde (généralement sinusoïdale).
· Ratio de transformation (TR): le rapport de la tension de sortie à la tension d'entrée (à la position du couplage maximal).
· Erreur électrique: inclut l'erreur de fonction, l'erreur de tension nulle, l'erreur de phase, etc.
· Environnement de fonctionnement: plage de températures, vibrations, choc, humidité, cote de protection d'entrée (IP).
· Contraintes de taille: diamètre extérieur, alésage intérieur, épaisseur (longueur).
· Paramètres d'impédance: Impédance d'entrée / sortie, affectant la correspondance avec les circuits suivants.
2. Conception électromagnétique - partie centrale
· Conception de laminage du stator / rotor:
o Sélection des matériaux: utilise généralement des feuilles d'acier en silicium avec une perméabilité élevée et une faible perte de fer (par exemple, DW540, 50JN400).
O Combinaison de Pole-Slot: C'est l'âme du design. Le nombre de créneaux de stator (Z) et les pôles saillants du rotor (ZR) doivent être déterminés. La combinaison la plus courante est zr = 2p (le nombre de pôles de rotor est égal deux fois à le nombre de paires de pôles), et ZS est un multiple de Zr. Par exemple, un résolveur unipolaire (p = 1) utilise souvent zs = 4, zr = 2 ; Un résolveur bipolaire (p = 2) utilise souvent zs = 8, zr = 4 ou zs = 12, zr = 6.
o Forme de l'emplacement / du poteau: la forme des dents (parallèle, effilée) affecte la distribution du champ magnétique et le contenu harmonique. Les dimensions telles que la largeur des dents, la largeur d'ouverture de l'emplacement et l'épaisseur du joug nécessitent une optimisation pour maximiser la force fondamentale de magnéto-motive (MMF) et minimiser les harmoniques de la fente.
o Écart d'air: la taille de l'espace d'air est un compromis critique. Un petit espace d'air augmente le rapport de transformation et la résistance du signal mais augmente les difficultés de fabrication, la sensibilité à l'excentricité et l'ondulation de couple. Un grand espace d'air a l'effet inverse. Généralement conçu entre 0,05 mm - 0,25 mm.
· Conception sinueuse:
O Type: Les enroulements généralement distribués ou les enroulements concentrés (dent) sont utilisés. Les enroulements distribués (une bobine couvrant plusieurs emplacements) produisent un champ magnétique plus sinusoïdal mais sont plus complexes à fabriquer; Les enroulements concentrés sont plus simples mais ont des harmoniques plus élevées.
o Calcul de virage: en fonction du rapport de transformation cible, de la tension d'excitation et de la fréquence, déterminez le nombre de virages pour l'enroulement d'excitation et les enroulements sinus / cosinus par calcul électromagnétique. Le nombre de tours pour les deux enroulements de sortie doit être strictement identique.
o Méthode de connexion: Assurez-vous que les enroulements sinus et cosinus sont strictement à 90 degrés électriques spatialement.
3. Simulation et optimisation du champ magnétique (simulation FEA) - outil de conception moderne essentiel
Les calculs purement analytiques sont très complexes et insuffisamment précis. Le logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) (par exemple, JMAG, ANSYS Maxwell, aimant SimCenter) est essentiel.
· Simulation de champ statique: calculer la distribution du champ magnétique, la matrice d'inductance et le potentiel de sortie à différents angles de rotor.
· Simulation de champ transitoire: appliquez la tension d'excitation réelle pour simuler la forme d'onde de tension de sortie, reflétant plus précisément les performances.
· Optimisation paramétrique: effectuez des balayages paramétriques et l'optimisation des dimensions clés comme la forme de la dent, l'espace d'air et l'ouverture de l'emplacement pour minimiser l'erreur (par exemple, THD) et maximiser le rapport de transformation.
· Analyse des erreurs: calculer l'erreur électrique par la simulation et analyser les sources d'erreur (par exemple, harmoniques, effet de rouage, effet de saturation).
4. Conception de la structure mécanique
· Boîtier et roulements: Concevez la structure de support et sélectionnez les roulements appropriés pour assurer la concentricité entre le rotor et le stator et la variation minimale de l'espace d'air, tout en résiste aux vibrations et aux chocs spécifiés.
· Connexion de l'arbre: concevoir des claviers, un alésage lisse ou une interface servo pour assurer une connexion fiable et une transmission sans contrecoup avec l'arbre du moteur.
· Gestion thermique: Considérons la génération de chaleur à partir des enroulements et des pertes de fer pour éviter la surchauffe dans des environnements à haute température. La conception du chemin thermique est parfois nécessaire.
· Boundage électromagnétique: Ajoutez un bouclier si nécessaire pour éviter les interférences des champs magnétiques externes.
5. Considérations du circuit de traitement du signal
Bien qu'il ne fasse pas partie de la conception du corps du résolveur, il doit être considéré comme en synergie:
· RDC (convertisseur résolver-numérique): sélectionnez une puce RDC (par exemple, AD2S1205, AU6802) qui correspond à la fréquence d'impédance et d'excitation du résolveur. La correspondance d'impédance d'entrée est requise pendant la conception.
· Circuit d'entraînement d'excitation: nécessite un circuit d'amplifications électriques capable de fournir une onde sinusoïdale propre et stable.
· Circuit filtre: filtrez les signaux de sortie pour supprimer le bruit et les harmoniques à haute fréquence.
Iii. Concevoir des défis et des technologies clés
1. Suppression harmonique: En raison de la non-linéarité de sa variation de réticence, la tension de sortie d'un résolveur VR contient de riches harmoniques, qui sont la principale cause d'erreur. Des méthodes telles que l'optimisation de la combinaison de places de pôle, les biais (fentes ou les poteaux) et l'ajout de créneaux auxiliaires sur les dents du stator peuvent supprimer efficacement les harmoniques.
2. Équilibrage de la précision et du coût: une précision élevée implique une usinage plus précise (un espace d'air plus petit, une concentricité plus élevée), des matériaux de meilleure qualité (acier de silicium de qualité supérieure), des conceptions plus complexes (par exemple, plus de paires de poteaux, des emplacements fractionnaires) et des processus plus stricts, conduisant à des coûts fortement croissants.
3. Dérive de température: la résistance des enroulements et les propriétés de l'acier en silicium change avec la température, provoquant une amplitude et une dérive de phase. La compensation dans le circuit ou le logiciel est nécessaire, ou des matériaux avec une bonne stabilité de la température doivent être sélectionnés pendant la conception électromagnétique.
Résumé
Recommandations de conception:
1. Commencez par les spécifications: tout d'abord, comprenez en détail les exigences spécifiques de votre scénario d'application concernant l'exactitude, la taille et l'environnement.
2. Levier des solutions éprouvées: commencez par des combinaisons classiques de plage à pôle (par exemple, 4-2, 8-4), car elles sont un point de départ vérifié et fiable.
3. Conception axée sur la simulation: ne vous arrêtez pas aux calculs théoriques; Utilisez immédiatement un logiciel FEM pour créer un modèle paramétrique pour la simulation et l'optimisation. Ceci est la clé pour améliorer les taux de réussite de conception et raccourcir les cycles de développement.
4. Itérer et test: Après la construction d'un prototype, effectuez des tests de performances complets (erreur, augmentation de la température, vibrations, etc.), comparer avec les résultats de la simulation, analyser les causes des différences et passer à l'itération de conception suivante.
5. Pensez au niveau du système: considérez et déboguez le capteur de résolveur et le circuit RDC en aval en tant que système intégré.
La conception de résolveurs de réticence variable est une technologie très pratique qui nécessite des cycles répétés de théorie, de simulation et d'expérimentation.
