Dans l'automatisation industrielle moderne et le contrôle mécanique de précision, la détection précise de la position de rotation est cruciale. Le Le résolveur de réticence , communément appelé résolveur, est un capteur très fiable largement utilisé dans les servomoteurs, la robotique et d'autres applications nécessitant un positionnement précis. Cet article présente brièvement les principes de travail des résolveurs et comment ils réalisent le positionnement en rotation.
Un résolveur est un capteur analogique basé sur le principe de l'induction électromagnétique, capable de convertir l'angle mécanique d'un rotor en signaux électriques. Contrairement aux capteurs numériques tels que les encodeurs optiques, les résolveurs fournissent des signaux analogiques continus pour les informations de position de rotation, offrant des capacités d'anti-interférence supérieures et une fiabilité, en particulier dans des environnements difficiles.
Structure centrale et principes de travail des résolveurs de réticence
Pour comprendre comment les résolveurs de réticence obtiennent un positionnement rotationnel précis, il est essentiel de se plonger dans leur structure physique unique. La conception ingénieuse de ces capteurs constitue le fondement de leurs performances élevées et illustre l'application pratique des principes d'induction électromagnétique.
Conception structurelle révolutionnaire
La structure d'un résolveur de réticence se compose de trois composants principaux: le du noyau du stator , noyau du rotor et le système d'enroulement . Le noyau du stator est laminé à partir de feuilles d'acier en silicium à haute perméabilité, avec de grandes dents (chaussures de poteau) perforées sur la circonférence intérieure, chacune divisée en petites dents uniformément espacées. La disposition et la forme de ces petites dents sont méticuleusement calculées pour assurer une distribution de champ magnétique sinusoïdal idéal. Le rotor est plus simple, fait uniquement de laminations en acier de silicium dentées sans enroulements ni composants électroniques. Cette conception 'passive ' est la clé de la forte fiabilité du résolveur.
Le système d'enroulement est entièrement situé sur le stator et comprend un enroulement d'excitation et deux enroulements de sortie orthogonaux (enroulements sinus et cosinus). Ces enroulements sont concentrés et distribués selon un modèle sinusoïdal pour assurer les caractéristiques sinusoïdales des signaux de sortie. Notamment, les enroulements de sortie sont disposés dans une configuration alternée et de série inverse, supprimant efficacement l'interférence harmonique et améliorant la pureté du signal.
Principe de positionnement basé sur la variation de réticence
Le principe de travail d'un résolveur de réticence tourne autour de la modulation de conductance magnétique de l'espace d'air . Lorsqu'une tension CA sinusoïdale (généralement 7V à 1-10 kHz) est appliquée à l'enroulement d'excitation, un champ magnétique alterné est généré dans le stator. Ce champ magnétique traverse l'espace d'air jusqu'au rotor. En raison de la présence de dents du rotor, la réticence magnétique (l'inverse de la conductance magnétique) du circuit magnétique change cycliquement avec la position du rotor.
Plus précisément, lorsque les dents du rotor s'alignent avec les dents du stator, la réticence est minimisée et le flux magnétique est maximisée. Inversement, lorsque les fentes de rotor s'alignent avec les dents du stator, la réticence est maximisée et le flux magnétique est minimisé. Pour chaque tangage dentaire, le rotor tourne, la conductance magnétique de l'espace d'air complète un cycle complet de variation. Cette modulation du champ magnétique d'excitation induit des signaux de tension dans les enroulements de sortie, dont les amplitudes sont en corrélation avec la position angulaire du rotor.
Mathématiquement, si la tension d'excitation est e₁ = e₁msinωt, les tensions des deux enroulements de sortie peuvent être exprimées comme suit:
· Sortie sinusoïdale: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Sortie d'enroulement en cosinus: e_c = e_cmsinθsinωt
Ici, θ représente l'angle mécanique du rotor et ω est la fréquence angulaire du signal d'excitation. Idéalement, Eₛₘ et E_CM doivent être égaux, mais les tolérances de fabrication peuvent introduire des erreurs d'amplitude, nécessitant un étalonnage ou une compensation de circuit.
Paires de poteaux et précision de mesure
Les paires de pôles d'un résolveur de réticence sont un paramètre critique affectant directement sa précision et sa résolution de mesure. Le nombre de paires de poteau correspond au nombre de dents du rotor et détermine l'angle de rotation mécanique requis pour un cycle de signal électrique complet. Par exemple, un résolveur avec des paires à 4 pôles produira 4 cycles de signal électrique par rotation mécanique, effectivement 'amplifiant ' l'angle mécanique d'un facteur de 4 pour la mesure.
Les résolveurs de réticence communs sur le marché varient de 1 à 12 paires de pôles. Le nombre de pôles plus élevé permet théoriquement une résolution angulaire plus élevée, avec des résolveurs à 12 pôles atteignant ± 0,1 ° ou une meilleure précision. Cependant, l'augmentation des paires de pôles augmente également la complexité de traitement du signal, nécessitant un compromis en fonction des exigences d'application.
Cette méthode de mesure d'angle, basée sur la variation de réticence et l'induction électromagnétique, permet aux résolveurs de réticence de fonctionner de manière stable sur une large plage de températures (-55 ° C à + 155 ° C), avec des évaluations de protection jusqu'à IP67 ou plus. Ils peuvent résister à de fortes vibrations et chocs, ce qui les rend idéaux pour des environnements exigeants tels que l'automobile, l'aérospatiale et les applications militaires.
Techniques de traitement du signal et de calcul des angles
La sortie des signaux analogiques par les résolveurs de réticence nécessite des circuits de traitement spécialisés pour les convertir en informations d'angle numérique utilisables. Ce processus implique des algorithmes complexes de conditionnement du signal et de décodage, qui sont essentiels pour atteindre un positionnement de haute précision dans les systèmes de résolveur.
Des signaux analogiques aux angles numériques
Les signaux bruts d'un résolveur de réticence sont deux ondes sinusoïdales (sinθsinωt et cosθsinωt) modulées par l'angle du rotor. L'extraction des informations d'angle θ implique plusieurs étapes de traitement. Tout d'abord, les signaux subissent un filtrage passe-bande pour éliminer le bruit à haute fréquence et les interférences basse fréquence. Ensuite, la démodulation sensible à la phase (ou démodulation synchrone) supprime la fréquence porteuse (généralement 10 kHz), donnant des signaux à basse fréquence Sinθ et Cosθ contenant les informations d'angle.
Les systèmes de décodage moderne utilisent généralement des processeurs de signaux numériques (DSP) ou des convertisseurs résolvants-numériques (RDC) dédiés pour le calcul de l'angle. Ces processeurs utilisent des algorithmes Cordic (Rotation des coordonnées numériques) ou des opérations Arctangente pour convertir les signaux Sinθ et Cosθ en valeurs d'angle numérique. Par exemple, le microcontrôleur DSPIC30F3013 dispose d'un module ADC intégré pour l'échantillonnage synchrone des deux signaux, suivis des algorithmes logiciels pour calculer l'angle précis.
Compensation d'erreur et amélioration de la précision
Dans les applications pratiques, divers facteurs peuvent introduire des erreurs de mesure, notamment:
· Déséquilibre d'amplitude : amplitudes inégales des signaux de sortie sinus et cosinus (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Déviation de phase : différence de phase non idéale à 90 ° entre les deux signaux
· Distorsion harmonique : distorsion du signal due à une distribution de champ magnétique non sinusoïdal
· Erreur orthogonale : déviation angulaire causée par l'installation de l'enroulement imprécis
Pour améliorer la précision du système, les circuits de décodage avancés utilisent diverses techniques de rémunération. Par exemple, les circuits de contrôle du gain automatique (AGC) équilibrent les amplitudes des deux signaux, les filtres numériques suppriment l'interférence harmonique et les algorithmes logiciels intègrent les termes de compensation d'erreur. Avec une conception et un étalonnage méticuleux, les systèmes de résolveur peuvent obtenir des erreurs d'angle à ± 0,1 °, répondant aux exigences de la plupart des applications de haute précision.
Tendances des nouvelles technologies de décodage
Les progrès de la technologie des semi-conducteurs stimulent l'innovation dans le traitement du signal du résolveur. Les circuits de démodulation discrets traditionnels sont progressivement remplacés par des solutions intégrées . Certaines nouvelles puces de décodeur intègrent des générateurs de signaux d'excitation, des circuits de conditionnement du signal et des unités de calcul numérique, simplifiant considérablement la conception du système.
Pendant ce temps, le décodage défini par le logiciel gagne en popularité. Cette approche tire parti de la puissance de calcul des microprocesseurs haute performance pour implémenter la plupart des fonctions de traitement du signal dans les logiciels, offrant une plus grande flexibilité et programmabilité. Par exemple, les paramètres du filtre, les algorithmes de compensation ou même les formats de données de sortie peuvent être ajustés pour les solutions de mesure d'angle personnalisées.
Il convient de noter que le système de décodage est aussi crucial que le résolveur lui-même. Un circuit de décodage bien conçu peut réaliser pleinement le potentiel de performance du résolveur, tandis qu'une solution de décodage de faible qualité peut devenir le goulot d'étranglement de l'ensemble du système de mesure. Par conséquent, lors de la sélection d'une solution de résolveur, la compatibilité entre le capteur et le décodeur doit être soigneusement prise en compte.
Avantages de performance et domaines d'application des résolveurs de réticence
Grâce à leurs principes de travail uniques et à la conception structurelle, les résolveurs de réticence surpassent les capteurs de position traditionnels dans plusieurs mesures de performance clés. Ces avantages en font le choix préféré pour la détection d'angle dans de nombreuses applications industrielles exigeantes.
Spécialisation complète des performances sur les capteurs traditionnels
Par rapport aux dispositifs de détection de position traditionnels tels que les encodeurs optiques et les capteurs de salle, les résolveurs de réticence présentent des avantages de performance intégrale:
· Adaptabilité environnementale exceptionnelle : fonctionne de manière stable dans des températures allant de -55 ° C à + 155 ° C, avec des cotes de protection jusqu'à IP67 ou plus, et peut résister à de fortes vibrations et chocs (par exemple, des environnements difficiles comme les compartiments du moteur automobile).
· Sans contact sans contact : l'absence d'enroulements ou de brosses sur le rotor élimine l'usure mécanique, permettant une durée de vie théorique de dizaines de milliers d'heures.
· Réponse à ultra-hauteur : prend en charge les vitesses allant jusqu'à 60 000 tr / min, dépassant de loin les limites de la plupart des encodeurs optiques.
· Mesure de position absolue : fournit des informations d'angle absolu sans nécessiter de point de référence, en fournissant des données de position immédiatement après la mise sous tension.
· Capacité anti-ingérence forte : basée sur l'induction électromagnétique, il est insensible à la poussière, à l'huile, à l'humidité et aux champs magnétiques externes.
Applications de base dans de nouveaux véhicules énergétiques
Dans la nouvelle industrie des véhicules énergétiques, les résolveurs de réticence sont devenus l' étalon-or pour la détection de position motrice. Ils sont largement utilisés dans les systèmes de contrôle du moteur d'entraînement des véhicules électriques de batterie (BEV) et des véhicules électriques hybrides (HEV), avec des fonctions clés, notamment:
· Détection de la position du rotor : fournit des informations précises sur l'angle du rotor pour le contrôle du vecteur des moteurs synchrones aimant permanents (PMSM).
· Mesure de la vitesse : calcule la vitesse du moteur à partir du taux de changement d'angle, permettant le contrôle de vitesse en boucle fermée.
· Direction électrique (EPS) : détecte l'angle de volant pour fournir une aide à la direction précise.
Automatisation industrielle et applications spéciales
Au-delà du secteur automobile, les résolveurs de réticence sont également largement utilisés dans l'automatisation industrielle:
· Machine-outils CNC : positionnement du broche et mesure de l'angle de l'axe d'alimentation.
· Joints du robot : contrôle précis des mouvements de bras robotiques.
· Machinerie textile : Contrôle de la tension du fil et détection d'angle d'enroulement.
· Machines de moulage par injection : surveillance et contrôle de la position des vis.
· Military and Aerospace : positionnement des antennes radar, contrôle du gouvernail des missiles et autres applications de l'environnement extrême.
Dans le transport ferroviaire à grande vitesse et le transport ferroviaire, les résolveurs de réticence sont utilisés pour la vitesse du moteur de traction et la détection de position, où leurs caractéristiques élevées de fiabilité et de maintenance réduisent considérablement les coûts du cycle de vie. Des environnements durs comme les machines minières (par exemple, les véhicules de transport de charbon souterrain et les moteurs à courroies de convoyeur) adoptent de plus en plus les résolveurs de réticence à remplacer les capteurs traditionnels.
Avec l'avènement de l'industrie 4.0 et de la fabrication intelligente, les résolveurs de réticence évoluent vers une précision plus élevée, une taille plus petite et une plus grande intelligence. Les produits de nouvelle génération se concentreront sur la compatibilité avec les conceptions intégrées de conception de conduite à moteur-moteur, ainsi que sur le développement de variantes résistantes à l'huile et à haute température pour répondre aux demandes des systèmes refroidis par l'huile. De plus, la transmission sans fil et les capacités d'autodiagnostic devraient devenir des tendances futures, élargissant encore leur portée d'application.
Défis techniques et tendances futures pour les résolveurs de réticence
Malgré leurs performances et leur fiabilité exceptionnelles dans divers domaines, les résolveurs de réticence sont toujours confrontés à des défis techniques et présentent des orientations d'innovation claires.
Goulot d'étranglement technique existant et solutions
Les exigences de précision de fabrication élevées sont un défi majeur pour les résolveurs de réticence. La précision d'usinage des dents du stator, l'uniformité de la distribution de l'enroulement et l'équilibre dynamique du rotor affectent directement la précision et les performances du capteur. Pour les résolveurs de haute précision avec des paires de pôles multiples (par exemple, 12 paires de pôles), même les erreurs de fabrication au niveau des micron peuvent entraîner des erreurs d'amplitude ou de phase inacceptables. Les solutions à ce problème comprennent:
· Adopter des moules d'estampage de haute précision et des processus de laminage automatisé pour assurer la cohérence et la précision des emplacements dentaires dans le noyau.
· L'introduction de l'analyse du champ magnétique des éléments finis pour optimiser la conception du circuit magnétique et compenser les tolérances de fabrication.
· Développer des algorithmes d'auto-compensation pour corriger automatiquement les erreurs de capteur inhérentes pendant le traitement du signal.
Un autre défi est la complexité de l'intégration du système . Bien que le résolveur lui-même ait une structure simple, un système de mesure complet comprend des sous-systèmes tels que les alimentations d'alimentation d'excitation, les circuits de conditionnement du signal et les algorithmes de décodage, qui peuvent devenir des goulots d'étranglement s'ils sont mal conçus. Pour y remédier, l'industrie se dirige vers des solutions intégrées :
· Intégration des générateurs d'excitation, du conditionnement du signal et des circuits de décodage en une seule puce pour simplifier la conception du système.
· Développer des interfaces standardisées (par exemple, SPI, CAN) pour l'intégration transparente avec les contrôleurs principaux.
· Fournir des kits de développement complets, y compris des conceptions de références, des bibliothèques de logiciels et des outils d'étalonnage.
Directions de l'innovation et tendances futures
L'innovation matérielle apportera des percées de performance aux résolveurs de réticence. De nouveaux composites magnétiques doux (SMC) avec des propriétés magnétiques isotropes tridimensionnelles peuvent optimiser la distribution du champ magnétique et réduire la distorsion harmonique. Pendant ce temps, les matériaux isolants à haute température et les revêtements résistants à la corrosion élargiront la plage d'environnement opérationnelle du capteur.
L'intelligence est une autre direction critique pour les résolveurs de réticence future. En intégrant les microprocesseurs et les interfaces de communication, les résolveurs peuvent réaliser:
· Fonctions d'autodiagnostic : surveillance en temps réel de la santé des capteurs et prédiction de la durée de vie restante.
· Compensation adaptative : ajustement automatique des paramètres de compensation basés sur les changements environnementaux (par exemple, température).
· Interfaces en réseau : Prise en charge des protocoles de communication avancés comme Industrial Ethernet, facilitant l'intégration dans les systèmes IoT industriels (IIoT).
En termes d' expansion des applications , les résolveurs de réticence progressent dans deux directions: vers des applications de précision haut de gamme (par exemple, un équipement de fabrication de semi-conducteurs, des robots médicaux) nécessitant une plus grande résolution et une fiabilité, et vers des applications plus économiques et répandues (AG, les appareils ménagers, les outils électriques) par des conceptions et une production massive simplifiés pour réduire les coûts.
Une tendance particulièrement remarquable est l'application de résolveurs de réticence dans les nouveaux véhicules énergétiques de nouvelle génération . À mesure que les systèmes motrices évoluent vers des vitesses et des intégrations plus élevées, les capteurs de position doivent répondre aux exigences plus exigeantes:
· Prise en charge des vitesses ultra-élevées dépassant 20 000 tr / min.
· Tolérance aux températures supérieures à 150 ° C.
· Compatibilité avec les conceptions d'étanchéité du système refroidies à l'huile.
· Dimensions d'installation plus petites et poids plus léger.
Progrès de la normalisation et de l'industrialisation
À mesure que la technologie du résolveur de réticence mûrit, les efforts de normalisation progressent également. La Chine a établi des normes nationales telles que GB / T 31996-2015 Spécifications techniques générales pour les résolveurs de réguler les métriques de performance des produits et les méthodes de test. En termes d'industrialisation, la technologie de résolveur de réticence chinoise a atteint des niveaux avancés internationaux.
Il est prévisible qu'avec les progrès technologiques et l'industrialisation, les résolveurs de réticence remplaceront les capteurs traditionnels dans plus de domaines, devenant la solution grand public pour la détection de position de rotation et fournissant un support technique critique pour l'automatisation industrielle et le développement de véhicules énergétiques.
