עקרונות ויישומים של פתרונות רתיעה הסבירו

באוטומציה תעשייתית מודרנית ובקרה מכנית מדויקת, זיהוי מיקום סיבובי מדויק הוא חיוני. ה Reluctance Resolver , המכונה בדרך כלל פותר, הוא חיישן אמין ביותר בשימוש נרחב במנועי סרוו, רובוטיקה ויישומים אחרים הדורשים מיקום מדויק. מאמר זה מציג בקצרה את עקרונות העבודה של רזולוורים וכיצד הם משיגים מיקום סיבובי.

רזולובר הוא חיישן אנלוגי המבוסס על עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית, המסוגל להמיר את הזווית המכנית של הרוטור לאותות חשמליים. בניגוד לחיישנים דיגיטליים כגון מקודדים אופטיים, רזולורים מספקים אותות אנלוגיים רציפים למידע על מיקום סיבובי, ומציעים יכולות ואמינות מעולות נגד הפרעות, במיוחד בסביבות קשות.

מבנה ליבה ועקרונות עבודה של פותרי סרבנות

כדי להבין כיצד סרבני חוסר רצון משיגים מיקום סיבובי מדויק, חיוני להתעמק במבנה הפיזי הייחודי שלהם. העיצוב הגאוני של חיישנים אלו מהווה את הבסיס לביצועים הגבוהים שלהם ומדגים את היישום המעשי של עקרונות אינדוקציה אלקטרומגנטית.

עיצוב מבני מהפכני

המבנה של פותר חוסר רצון מורכב משלושה מרכיבים עיקריים: של ליבת הסטטור , ליבת הרוטור ומערכת הפיתול . ליבת הסטטור מרובדת מיריעות פלדת סיליקון עם חדירות גבוהה, עם שיניים גדולות (נעלי מוט) מנוקבות על ההיקף הפנימי, כל אחת מחולקת עוד יותר לשיניים קטנות מרווחות באופן שווה. הסידור והצורה של השיניים הקטנות הללו מחושבים בקפידה כדי להבטיח פיזור שדה מגנטי סינוסואידאלי אידיאלי. הרוטור פשוט יותר, עשוי רק מלמינציות מפלדת סיליקון עם שיניים ללא כל פיתולים או רכיבים אלקטרוניים. עיצוב ה'פאסיבי' הזה הוא המפתח לאמינות הגבוהה של הפותר.

מערכת הליפוף ממוקמת כולה על הסטטור וכוללת פיתול עירור ושתי פיתולי פלט אורתוגונליים (פיתולי סינוס וקוסינוס). פיתולים אלו מרוכזים ומופצים על פי תבנית סינוסואידלית כדי להבטיח את המאפיינים הסינוסואידים של אותות המוצא. יש לציין כי פיתולי הפלט מסודרים בתצורה מתחלפת והפוכה, המדכאים ביעילות הפרעות הרמוניות ומשפרים את טוהר האות.

עקרון מיצוב מבוסס על שינוי חוסר רצון

עקרון העבודה של פותר סרבנות סובב סביב אפנון מוליכות מגנטית של פער אוויר . כאשר מתח AC סינוסואידי (בדרך כלל 7V ב-1-10kHz) מופעל על פיתול העירור, נוצר שדה מגנטי לסירוגין בסטטור. שדה מגנטי זה עובר דרך מרווח האוויר אל הרוטור. בשל נוכחותם של שיני הרוטור, הרתיעה המגנטית (ההפוכה של מוליכות מגנטית) של המעגל המגנטי משתנה באופן מחזורי עם מיקום הרוטור.

באופן ספציפי, כאשר שיני הרוטור מתיישרות עם שיני הסטטור, חוסר הרצון ממוזער, והשטף המגנטי ממקסם. לעומת זאת, כאשר חריצי הרוטור מתיישרים עם שיני הסטטור, חוסר הרצון ממקסם, והשטף המגנטי ממוזער. עבור כל גובה שן שהרוטור מסתובב, המוליכות המגנטית של פער האוויר משלימה מחזור שלם של וריאציות. אפנון זה של השדה המגנטי של העירור משרה אותות מתח בפיתולי המוצא, שהמשרעות שלהם מתואמות עם המיקום הזוויתי של הרוטור.

מבחינה מתמטית, אם מתח העירור הוא e₁=E₁msinωt, ניתן לבטא את המתחים של שתי פיתולי המוצא כ:

· פלט פיתול סינוס: eₛ=Eₛₘcosθsinωt

· פלט מתפתל קוסינוס: e_c=E_cmsinθsinωt

כאן, θ מייצג את הזווית המכנית של הרוטור, ו-ω הוא התדר הזוויתי של אות העירור. באופן אידיאלי, Eₛₘ ו-E_cm צריכים להיות שווים, אך סובלנות ייצור עשויה להציג שגיאות משרעת, הדורשות כיול או פיצוי מעגל.

זוגות מוטות ודיוק מדידה

צמדי הקטבים של פותר סרבנות הם פרמטר קריטי המשפיע ישירות על דיוק המדידה והרזולוציה שלו. מספר זוגות הקטבים תואם את ספירת שיני הרוטור וקובע את זווית הסיבוב המכנית הנדרשת למחזור אות חשמלי שלם. לדוגמה, רזולובר עם 4 זוגות קטבים יפיק 4 מחזורי אותות חשמליים לכל סיבוב מכני, ולמעשה 'מגביר' את הזווית המכנית בגורם 4 למדידה.

רזרבי סרבנות נפוצים בשוק נעים בין 1 ל-12 זוגות מוטות. ספירת קטבים גבוהה יותר מאפשרת תיאורטית רזולוציה זוויתית גבוהה יותר, כאשר רזולורים של 12 קוטבים משיגים דיוק של ±0.1° או טוב יותר. עם זאת, הגדלת צמדי הקטבים מעלה גם את מורכבות עיבוד האותות, ומחייבת פשרה המבוססת על דרישות היישום.

שיטת מדידת זווית זו, המבוססת על וריאציה של סרבנות והשראה אלקטרומגנטית, מאפשרת לרזובי סרבנות לפעול ביציבות על פני טווח טמפרטורות רחב (-55°C עד +155°C), עם דירוגי הגנה של עד IP67 ומעלה. הם יכולים לעמוד בפני רעידות וזעזועים חזקים, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור סביבות תובעניות כגון רכב, תעופה וחלל ויישומים צבאיים.

טכניקות עיבוד אותות וחישוב זווית

האותות האנלוגיים המופקים על ידי רזובי סרבנות דורשים מעגלי עיבוד מיוחדים כדי להמיר אותם למידע זווית דיגיטלית שמיש. תהליך זה כולל אלגוריתמים מורכבים של מיזוג אותות ופענוח, שהם קריטיים להשגת מיקום דיוק גבוה במערכות פותר.

מאותות אנלוגיים לזוויות דיגיטליות

האותות הגולמיים מפותר סרבנות הם שני גלי סינוס (sinθsinωt ו-cosθsinωt) המווסתים על ידי זווית הרוטור. חילוץ מידע הזווית θ כרוך במספר שלבי עיבוד. ראשית, האותות עוברים סינון פס כדי להסיר רעש בתדר גבוה והפרעות בתדר נמוך. לאחר מכן, דמודולציה רגישת שלב (או דמודולציה סינכרונית) מסירה את תדר הנשא (בדרך כלל 10kHz), ומניבה אותות בתדר נמוך sinθ ו-cosθ המכילים את מידע הזווית.

מערכות פענוח מודרניות משתמשות בדרך כלל במעבדי אותות דיגיטליים (DSP) או בממירים ייעודיים של רזולובר לדיגיטל (RDC) לחישוב זווית. מעבדים אלה משתמשים באלגוריתמים של CORDIC (קואורדינטה סיבוב דיגיטלי) או פעולות ארקטנגנטיות כדי להמיר את האותות sinθ ו-cosθ לערכי זווית דיגיטלית. לדוגמה, המיקרו-בקר dsPIC30F3013 כולל מודול ADC מובנה לדגימה סינכרונית של שני האותות, ואחריו אלגוריתמי תוכנה לחישוב הזווית המדויקת.

פיצוי שגיאות ושיפור דיוק

ביישומים מעשיים, גורמים שונים יכולים להציג שגיאות מדידה, כולל:

· חוסר איזון משרעת:

אמפליטודות לא שוות של אותות פלט סינוס וקוסינוס (Eₛₘ≠E_cm)

· סטיית פאזה:

הפרש פאזה לא אידיאלי של 90° בין שני האותות

· עיוות הרמוני:

עיוות אות עקב התפלגות שדה מגנטי לא-סינוסואידי

· שגיאה אורתוגונלית:

סטייה בזווית הנגרמת מהתקנת פיתולים לא מדויקת

כדי לשפר את דיוק המערכת, מעגלי פענוח מתקדמים משתמשים בטכניקות פיצוי שונות. לדוגמה, מעגלי בקרת רווח אוטומטי (AGC) מאזנים את המשרעות של שני האותות, מסננים דיגיטליים מדכאים הפרעות הרמוניות, ואלגוריתמי תוכנה משלבים מונחי פיצוי שגיאות. עם תכנון וכיול קפדניים, מערכות רזולובר יכולות להשיג שגיאות זווית בטווח של ±0.1°, ועומדות בדרישות של רוב היישומים בעלי הדיוק הגבוה.

מגמות בטכנולוגיות פענוח חדשות

ההתקדמות בטכנולוגיית המוליכים למחצה מניעה חדשנות בעיבוד אותות רזולוברים. מעגלי דמודולציה מסורתיים של רכיבים נפרדים מוחלפים בהדרגה בפתרונות משולבים . כמה שבבי מפענח חדשים משלבים מחוללי אותות עירור, מעגלי מיזוג אותות ויחידות חישוב דיגיטליות, מה שמפשט משמעותית את תכנון המערכת.

בינתיים, פענוח מוגדר תוכנה צובר פופולריות. גישה זו ממנפת את כוח החישוב של מיקרו-מעבדים בעלי ביצועים גבוהים כדי ליישם את רוב פונקציות עיבוד האותות בתוכנה, ומציעה גמישות ותכנות גבוהות יותר. לדוגמה, ניתן להתאים פרמטרים של סינון, אלגוריתמי פיצוי, או אפילו פורמטים של נתוני פלט עבור פתרונות מדידת זווית מותאמים אישית.

ראוי לציין שמערכת הפענוח חיונית כמו הפותר עצמו. מעגל פענוח מתוכנן היטב יכול לממש במלואו את פוטנציאל הביצועים של הפותר, בעוד שפתרון פענוח באיכות נמוכה עשוי להפוך לצוואר הבקבוק של מערכת המדידה כולה. לכן, בעת בחירת פתרון רזולובר, יש לשקול היטב את התאימות בין החיישן למפענח.

יתרונות ביצועים ואזורי יישום של סולברי סרבנות

הודות לעקרונות העבודה הייחודיים והעיצוב המבני שלהם, רזרבי חוסר רצון עולים על חיישני המיקום המסורתיים במספר מדדי ביצועים מרכזיים. יתרונות אלו הופכים אותם לבחירה המועדפת לזיהוי זווית ביישומים תעשייתיים תובעניים רבים.

עליונות ביצועים מקיפה על פני חיישנים מסורתיים

בהשוואה להתקני זיהוי מיקום מסורתיים כמו מקודדים אופטיים וחיישני הול, רזובי חוסר רצון מציגים יתרונות ביצועים כלליים:

· יכולת הסתגלות סביבתית יוצאת דופן:

פועל ביציבות בטמפרטורות הנעות מ-55°C עד +155°C, עם דירוגי הגנה של עד IP67 ומעלה, ויכול לעמוד בפני רעידות וזעזועים חזקים (למשל, סביבות קשות כמו תאי מנוע לרכב).

· תוחלת חיים ארוכה ללא מגע:

היעדר פיתולים או מברשות על הרוטור מבטל בלאי מכני, ומאפשר אורך חיים תיאורטי של עשרות אלפי שעות.

· תגובה במהירות גבוהה במיוחד:

תומך במהירויות של עד 60,000 סל'ד, החורג בהרבה מהמגבלות של רוב המקודדים האופטיים.

· מדידת מיקום מוחלטת:

מספק מידע על זווית מוחלטת ללא צורך בנקודת ייחוס, ומספק נתוני מיקום מיד עם ההפעלה.

· יכולת אנטי-הפרעות חזקה:

בהתבסס על אינדוקציה אלקטרומגנטית, הוא לא רגיש לאבק, שמן, לחות ושדות מגנטיים חיצוניים.

יישומי ליבה ברכבי אנרגיה חדשים

בתעשיית רכבי האנרגיה החדשה, רזרבי חוסר רצון הפכו לתקן הזהב לזיהוי מיקום מנוע. הם נמצאים בשימוש נרחב במערכות בקרת מנוע הנעה של רכבים חשמליים סוללות (BEVs) וכלי רכב חשמליים היברידיים (HEVs), עם פונקציות מפתח כולל:

· זיהוי מיקום הרוטור:

מספק מידע מדויק על זווית הרוטור לשליטה וקטורית של מנועים סינכרוניים מגנט קבוע (PMSM).

· מדידת מהירות:

מחשבת את מהירות המנוע מקצב שינוי הזווית, מה שמאפשר בקרת מהירות בלולאה סגורה.

· הגה כוח חשמלי (EPS):

מזהה זווית גלגל ההגה כדי לספק סיוע מדויק בהיגוי.

אוטומציה תעשייתית ויישומים מיוחדים

מעבר למגזר הרכב, רזרבי חוסר רצון נמצאים בשימוש נרחב גם באוטומציה תעשייתית:

· מכונות CNC:

מיקום ציר ומדידות זווית ציר הזנה.

· מפרקי רובוט:

שליטה מדויקת בתנועות הזרוע הרובוטיות.

· מכונות טקסטיל:

בקרת מתח חוט וזיהוי זווית סלילה.

· מכונות הזרקה:

ניטור ובקרת מיקום בורג.

· צבא וחלל:

מיקום אנטנת מכ'ם, בקרת הגה טילים ויישומי סביבה קיצונית אחרים.

במעבר רכבות מהירות גבוהות, רזרבי חוסר רצון משמשים לזיהוי מהירות ומיקום של מנוע המתיחה, כאשר האמינות הגבוהה והתכונות נטולות התחזוקה שלהם מפחיתות משמעותית את עלויות מחזור החיים. סביבות קשות כמו מכונות כרייה (למשל, רכבי הובלת פחם תת-קרקעיים ומנועי רצועות מסוע) מאמצות יותר ויותר רזרבי חוסר רצון להחליף חיישנים מסורתיים.

עם הופעתה של Industry 4.0 וייצור חכם, רזרבי חוסר רצון מתפתחים לעבר דיוק גבוה יותר, גודל קטן יותר ואינטליגנציה רבה יותר. מוצרי הדור הבא יתמקדו בתאימות עם עיצובים משולבים של הנעת מנוע-תיבת הילוכים, כמו גם בפיתוח גרסאות עמידות בשמן ועמידות בטמפרטורות גבוהות כדי לעמוד בדרישות של מערכות מקוררות שמן. בנוסף, שידור אלחוטי ויכולות אבחון עצמי צפויות להפוך למגמות עתידיות, ולהרחיב עוד יותר את היקף היישום שלהן.

אתגרים טכניים ומגמות עתידיות לפותרי חוסר רצון

למרות הביצועים והאמינות הבולטים שלהם בתחומים שונים, פותרי חוסר רצון עדיין מתמודדים עם אתגרים טכניים ומציגים כיווני חדשנות ברורים.

צווארי בקבוק ופתרונות טכניים קיימים

דרישות דיוק ייצור גבוהות הן אתגר מרכזי עבור פותרי חוסר רצון. דיוק העיבוד של שיני הסטטור, אחידות חלוקת הליפוף והאיזון הדינמי של הרוטור משפיעים ישירות על דיוק החיישן והביצועים. עבור רזולורים בעלי דיוק גבוה עם זוגות קוטבים מרובים (למשל, 12 זוגות קטבים), אפילו שגיאות ייצור ברמת המיקרון עלולות להוביל לשגיאות משרעת או פאזה בלתי מקובלות. פתרונות לבעיה זו כוללים:

· אימוץ תבניות הטבעה ברמת דיוק גבוהה ותהליכי למינציה אוטומטיים כדי להבטיח עקביות ודיוק חריצי שיניים בליבה.

· הצגת ניתוח שדה מגנטי של אלמנטים סופיים כדי לייעל את עיצוב המעגלים המגנטיים ולפצות על סובלנות ייצור.

· פיתוח אלגוריתמי פיצוי עצמי לתיקון אוטומטי של שגיאות חיישן מובנות במהלך עיבוד אותות.

אתגר נוסף הוא מורכבות שילוב המערכת . למרות שלרסולבר עצמו יש מבנה פשוט, מערכת מדידה שלמה כוללת תת-מערכות כגון ספקי כוח עירור, מעגלי מיזוג אותות ואלגוריתמי פענוח, שעלולים להפוך לצווארי בקבוק אם מתוכננים בצורה גרועה. כדי להתמודד עם זה, התעשייה נעה לעבר פתרונות משולבים :

· שילוב מחוללי עירור, מיזוג אותות ומעגלי פענוח בשבב אחד כדי לפשט את עיצוב המערכת.

· פיתוח ממשקים סטנדרטיים (למשל, SPI, CAN) לאינטגרציה חלקה עם בקרים ראשיים.

· אספקת ערכות פיתוח מקיפות, כולל עיצובי עזר, ספריות תוכנה וכלי כיול.

כיווני חדשנות ומגמות עתידיות

חדשנות חומרית תביא פריצות דרך בביצועים לפותרי חוסר רצון. מרוכבים מגנטיים רכים חדשים (SMCs) עם תכונות מגנטיות איזוטרופיות תלת מימדיות יכולים לייעל את חלוקת השדה המגנטי ולהפחית עיוות הרמוני. בינתיים, חומרי בידוד יציבים בטמפרטורה גבוהה וציפויים עמידים בפני קורוזיה ירחיבו את טווח הסביבה התפעולית של החיישן.

מודיעין הוא כיוון קריטי נוסף לפותרי חוסר רצון עתידיים. על ידי שילוב מיקרו-מעבדים וממשקי תקשורת, פותרים יכולים להשיג:

· פונקציות אבחון עצמי:

ניטור בזמן אמת של בריאות החיישן וחיזוי תוחלת החיים שנותרה.

· פיצוי מסתגל:

התאמה אוטומטית של פרמטרי פיצוי על בסיס שינויים סביבתיים (למשל, טמפרטורה).

· ממשקים ברשת:

תמיכה בפרוטוקולי תקשורת מתקדמים כמו Ethernet תעשייתי, המאפשרת אינטגרציה במערכות IoT (IIoT) תעשייתיות.

במונחים של הרחבת יישומים , רזרבי הרתיעה מתקדמים בשני כיוונים: לעבר יישומי דיוק ברמה גבוהה יותר (למשל, ציוד לייצור מוליכים למחצה, רובוטים רפואיים) הדורשים רזולוציה ואמינות גבוהות יותר, ולקראת יישומים חסכוניים ונרחבים יותר (למשל, מכשירי חשמל ביתיים, כלי עבודה חשמליים) באמצעות עיצובים פשוטים וייצור המוני להפחתת עלויות.

מגמה ראויה לציון במיוחד היא היישום של פתרונות חוסר רצון ברכבי אנרגיה חדשים מהדור הבא . ככל שמערכות מנוע מתפתחות לעבר מהירויות גבוהות יותר ואינטגרציה, חיישני מיקום חייבים לעמוד בדרישות תובעניות יותר:

· תמיכה במהירויות גבוהות במיוחד העולה על 20,000 סל'ד.

· סובלנות לטמפרטורות מעל 150 מעלות צלזיוס.

· תאימות עם עיצובי איטום מערכת מקורר שמן.

· ממדי התקנה קטנים יותר ומשקל קל יותר.

התקדמות התקינה והתיעוש

ככל שטכנולוגיית פתרון הרתיעה מבשילה, גם מאמצי הסטנדרטיזציה מתקדמים. סין קבעה תקנים לאומיים כגון GB/T 31996-2015 General Technical Specifications for Resolvers כדי להסדיר מדדי ביצועי מוצרים ושיטות בדיקה. במונחים של תיעוש, טכנולוגיית פתרון הרתיעה הסינית הגיעה לרמות מתקדמות בינלאומיות.

ניתן לצפות מראש כי עם ההתקדמות הטכנולוגית והתיעוש, רזרבי הרתיעה יחליפו חיישנים מסורתיים בתחומים נוספים, ויהפכו לפתרון המיינסטרים לזיהוי מיקום סיבובי ויספקו תמיכה טכנית קריטית לאוטומציה תעשייתית ופיתוח רכבי אנרגיה חדשים.