U modernoj industrijskoj automatizaciji i preciznoj mehaničkoj kontroli, presudno je točno otkrivanje rotacijskog položaja. A Rasprava nevoljkosti , koja se obično naziva razlučivačem, vrlo je pouzdan senzor koji se široko koristi u servo motorima, robotici i drugim aplikacijama koje zahtijevaju precizno pozicioniranje. Ovaj članak ukratko uvodi načela rada razlučivača i kako postižu rotacijsko pozicioniranje.
Razlučivač je analogni senzor zasnovan na principu elektromagnetske indukcije, koji može pretvoriti mehanički kut rotora u električne signale. Za razliku od digitalnih senzora kao što su optički koderi, razlučivači pružaju kontinuirane analogne signale za informacije o rotacijskom položaju, nudeći vrhunske mogućnosti anti-interferencije i pouzdanost, posebno u teškim okruženjima.
Temeljna struktura i principi rada nevoljkog razlučivača
Da biste razumjeli kako rješavanje nevoljkosti postižu precizno rotacijsko pozicioniranje, ključno je uroniti u svoju jedinstvenu fizičku strukturu. Genijalni dizajn ovih senzora čini temelj njihovih visokih performansi i primjer je praktične primjene elektromagnetskih načela indukcije.
Revolucionarni strukturni dizajn
Struktura razlučivača nevoljkosti sastoji se od tri glavne komponente: statora , jezgre rotora i sustav namota . Jezgra statora laminirana je iz silikonskih čeličnih listova visoke propusnosti, s velikim zubima (stupnim cipelama) udarnim na unutarnjem opsegu, od kojih je svaki dalje podijeljen na ravnomjerno raspoređene male zube. Raspored i oblik ovih malih zuba pažljivo se izračunavaju kako bi se osigurala idealna distribucija magnetskog polja sinusoidnog magnetskog polja. Rotor je jednostavniji, napravljen samo od nazubljenih silikonskih čeličnih laminacija bez namotavanja ili elektroničkih komponenti. Ovaj 'pasivni ' dizajn ključan je za visoku pouzdanost razlučivača.
Sustav namota u potpunosti je smješten na statoru i uključuje namotavanje pobuda i dva pravokutna namota (sinusni i kosinusni namoti). Ovi namoti su koncentrirani i raspoređeni prema sinusoidnom obrascu kako bi se osigurale sinusoidne karakteristike izlaznih signala. Značajno je da su izlazni namoti raspoređeni u izmjeničnoj i konfiguraciji reverzne serije, učinkovito suzbijajući harmonične smetnje i poboljšavajući čistoću signala.
Načelo pozicioniranja na temelju varijacije nevoljkosti
Načelo rada rezolucije nevoljkosti vrti se oko modulacije magnetske vodljivosti zraka . Kada se na statoru namotava sinusoidni izmjenični napon (obično 7V na 1-10kHz) na stator stvara naizmjenično namotavanje, naizmjenično magnetsko polje. Ovo magnetsko polje prolazi kroz zračni jaz do rotora. Zbog prisutnosti zuba rotora, magnetska nevoljkost (obrnuta magnetska vodljivost) magnetskog kruga ciklično se mijenja s položajem rotora.
Konkretno, kada se zubi rotora poravnaju sa zubima statora, nevoljko je minimiziran, a magnetski tok je maksimiziran. Suprotno tome, kada se utora rotora poravnaju sa zubima statora, nevoljko je maksimizirana, a magnetski tok je minimiziran. Za svaki nagib zuba okretni rotor, magnetska vodljivost zraka dovršava cijeli ciklus varijacije. Ova modulacija magnetskog polja pobude inducira naponske signale u izlaznim namotima, čije amplitude koreliraju s kutnim položajem rotora.
Matematički, ako je napon pobuđenja e₁ = e₁msinωt, naponi dvaju izlaznih namota mogu se izraziti kao:
· Izlaz sinus
· Izlaz kosinusnog namota: E_C = E_CMSINθSINωT
Ovdje θ predstavlja mehanički kut rotora i ωs kutnu frekvenciju signala pobude. U idealnom slučaju, Eₛₘ i E_CM trebaju biti jednaki, ali tolerancije proizvodnje mogu uvesti pogreške u amplitudi, što zahtijeva kalibraciju ili kompenzaciju kruga.
Parovi stupa i točnost mjerenja
Pole parovi razlučivača nevoljkosti kritični su parametar koji izravno utječe na njegovu točnost mjerenja i razlučivost. Broj parova pola odgovara broju zuba rotora i određuje mehanički kut rotacije potreban za potpuni ciklus električnog signala. Na primjer, razlučivač s 4 stupa parova proizvest će 4 električna signalna ciklusa po mehaničkoj rotaciji, učinkovito 'pojačavajući ' mehanički kut za faktor 4 za mjerenje.
Uobičajeni razlučivači nevoljkosti na tržištu kreću se od 1 do 12 parova pola. Viši stup broji teoretski omogućava veću kutnu rezoluciju, pri čemu 12-polni razlučivači postižu ± 0,1 ° ili bolju točnost. Međutim, povećanje parova pola također povećava složenost obrade signala, što zahtijeva kompromis na temelju zahtjeva za primjenom.
Ova metoda mjerenja kuta, na temelju varijacije nevoljkosti i elektromagnetske indukcije, omogućava nevoljko razlučivače da rade stabilno u širokom temperaturnom rasponu (-55 ° C do +155 ° C), sa zaštitnim ocjenama do IP67 ili više. Oni mogu izdržati snažne vibracije i šokove, što ih čini idealnim za zahtjevna okruženja poput automobilske, zrakoplovne i vojne primjene.
Tehnike obrade signala i izračunavanja kuta
Analogni signali izlazni izlaz od strane nevoljkosti zahtijevaju specijalizirane krugove obrade kako bi ih pretvorili u upotrebljive informacije o digitalnom kutu. Ovaj postupak uključuje složene algoritme za kondicioniranje i dekodiranje signala, koji su kritični za postizanje visoko preciznog pozicioniranja u sustavima za razlučivanje.
Od analognih signala do digitalnih kutova
Sirovi signali iz nevoljkog razlučivača su dva sinusna vala (sinθsinωt i cosθsinωt) modulirani kutom rotora. Izvlačenje podataka o kutu θ uključuje nekoliko koraka obrade. Prvo, signali podvrgavaju se filtriranju pojasa radi uklanjanja visokofrekventne buke i smetnji niske frekvencije. Zatim, demodulacija osjetljiva na fazu (ili sinkrona demodulacija) uklanja frekvenciju nosača (obično 10kHz), dobivajući niskofrekventne signale sinθ i cosθ koji sadrže kutne podatke.
Suvremeni sustavi za dekodiranje obično koriste digitalne procesore signala (DSPS) ili namjenski rezolutni pretvarači (RDC) za izračunavanje kuta. Ovi procesori koriste algoritme Cordic (koordinatno rotacijsko digitalno računalo) ili arctangentne operacije za pretvaranje signala Sinθ i Cosθ u vrijednosti digitalnog kuta. Na primjer, mikrokontroler DSPIC30F3013 sadrži ugrađeni ADC modul za sinkrono uzorkovanje dvaju signala, a zatim softverski algoritmi za izračunavanje preciznog kuta.
Nadoknada pogreške i poboljšanje točnosti
U praktičnim primjenama različiti čimbenici mogu uvesti pogreške u mjerenju, uključujući:
· Neravnoteža amplitude : Nejednake amplitude sinusnih i kosinusnih izlaznih signala (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Fazno odstupanje : Neidealna razlika u fazi od 90 ° između dva signala
· Harmonično izobličenje : Distorziranje signala zbog ne-sinusoidnog raspodjele magnetskog polja
· Ortogonalna pogreška : Kutno odstupanje uzrokovano nepreciznom instalacijom namota
Da bi poboljšali točnost sustava, napredni krugovi dekodiranja koriste različite tehnike kompenzacije. Na primjer, krugovi automatske kontrole pojačanja (AGC) uravnotežuju amplitude dvaju signala, digitalni filtri suzbijaju harmonične smetnje i softverske algoritme sadrže pojmove kompenzacije pogreške. S pažljivim dizajnom i kalibracijom, sustavi za razlučivanje mogu postići kutne pogreške unutar ± 0,1 °, ispunjavajući zahtjeve većine aplikacija visoke preciznosti.
Trendovi u novim tehnologijama dekodiranja
Napredak u tehnologiji poluvodiča pokreće inovacije u obradi signala. Tradicionalni krugovi demodulacije diskretne komponente postupno se zamjenjuju integriranim rješenjima . Neki novi čipovi dekodera integriraju generatore ekscitacijskih signala, krugove kondicioniranja signala i digitalne proračunske jedinice, značajno pojednostavljujući dizajn sustava.
U međuvremenu, softversko definirano dekodiranje dobiva na popularnosti. Ovaj pristup koristi računalnu snagu mikroprocesora visokih performansi za implementaciju većine funkcija obrade signala u softver, nudeći veću fleksibilnost i programabilnost. Na primjer, parametri filtra, algoritmi kompenzacije ili čak izlazni podaci mogu se prilagoditi za prilagođena rješenja za mjerenje kuta.
Vrijedno je napomenuti da je sustav dekodiranja jednako presudan kao i sam razlučivač. Dobro dizajnirani krug za dekodiranje može u potpunosti ostvariti potencijal izvedbe razlučivača, dok rješenje za dekodiranje niskog kvaliteta može postati usko grlo cijelog sustava mjerenja. Stoga se pri odabiru rješenja za razlučivanje mora pažljivo razmotriti kompatibilnost između senzora i dekodera.
Prednosti izvedbe i područja primjene nevoljkog razrjeđivača
Zahvaljujući njihovim jedinstvenim načelima rada i strukturnom dizajnu, nevoljko razlučivači nadmašuju tradicionalne senzore položaja u nekoliko ključnih mjernih podataka. Ove prednosti čine ih preferiranim izborom za otkrivanje kuta u mnogim zahtjevnim industrijskim primjenama.
Sveobuhvatna superiornost performansi u odnosu na tradicionalne senzore
U usporedbi s tradicionalnim uređajima za otkrivanje položaja poput optičkih kodera i Hall senzora, razlučivači nevoljnosti pokazuju prednosti svih performansi:
· Izuzetna prilagodljivost okoliša : djeluje stabilno na temperaturama u rasponu od -55 ° C do +155 ° C, sa zaštitnim ocjenama do IP67 ili više, i može izdržati snažne vibracije i udarce (npr. Ostvari okruženje poput automobilskih motornih odjeljaka).
· Beskontaktni dugi životni vijek : odsutnost namota ili četkica na rotoru eliminira mehaničko trošenje, omogućujući teorijski životni vijek desetaka tisuća sati.
· Odgovor ultra visoke brzine : Podržava brzinu do 60 000 o / min, što je daleko veće od granica većine optičkih kodera.
· Apsolutno mjerenje položaja : pruža apsolutne podatke o kutu bez potrebe referentne točke, isporučujući podatke o položaju odmah nakon napajanja.
· Snažna sposobnost anti-mijenjanja : Na temelju elektromagnetske indukcije, ona je neosjetljiva na prašinu, ulje, vlažnost i vanjska magnetska polja.
Osnovne aplikacije u novim energetskim vozilima
U novoj industriji energetskog vozila, nevoljko razlučivači postali su zlatni standard za otkrivanje položaja motora. Naširoko se koriste u sustavima upravljanja motorom pogona baterijskih električnih vozila (BEVS) i hibridnih električnih vozila (HEVS), s ključnim funkcijama, uključujući:
· Otkrivanje položaja rotora : pruža precizne informacije o kutu rotora za kontrolu vektora stalnih motora za sinkrone magnet (PMSMS).
· Mjerenje brzine : Izračunava brzinu motora od brzine promjene kuta, omogućujući kontrolu brzine zatvorene petlje.
· Električni servo upravljač (EPS) : Otkriva kut upravljača za pružanje točne pomoći u upravljanju.
Industrijska automatizacija i posebne aplikacije
Iza automobilskog sektora, u industrijskoj automatizaciji također se široko koriste nevoljkost:
· CNC Alati za strojeve : Pozicioniranje vretena i mjerenje kuta osi dovodne osi.
· Zglobovi robota : precizna kontrola robotskih pokreta ruku.
· Tekstilni strojevi : Upravljanje napetošću pređe i otkrivanje kuta namota.
· Strojevi za ubrizgavanje oblikovanja : Nadgledanje i kontrola položaja vijka.
· Vojna i zrakoplovna : Pozicioniranje radarske antene, kontrola raketnog kormila i druge primjene ekstremnog okruženja.
Kod brze željezničke i željezničke tranzita, razlučivači nevoljkosti koriste se za brzinu i otkrivanje položaja motora, gdje njihove značajke visoke pouzdanosti i bez održavanja značajno smanjuju troškove životnog ciklusa. Oštro okruženje poput rudarskih strojeva (npr. Underground vozila za prijevoz ugljena i motori transportnih pojasa) sve više prihvaćaju razlučivače nevoljkosti kako bi zamijenili tradicionalne senzore.
S pojavom industrije 4.0 i pametne proizvodnje, razrjeđivači nevoljkosti razvijaju se prema većoj preciznosti, manjoj veličini i većoj inteligenciji. Proizvodi sljedeće generacije usredotočit će se na kompatibilnost s integriranim dizajnima motorne-stupnjeve, kao i na razvoju varijanti otpornih na naftu i visoke temperature kako bi udovoljile zahtjevima sustava hlađenih naftom. Uz to, očekuje se da će bežični prijenos i samo-dijagnosticirati buduće trendove, što dodatno proširuje opseg njihovog aplikacije.
Tehnički izazovi i budući trendovi za rješavanje nevoljkosti
Unatoč izvanrednom učinku i pouzdanosti u različitim područjima, razlučivači nevoljkosti i dalje se suočavaju s tehničkim izazovima i pokazuju jasne upute za inovacije.
Postojeća tehnička uska grla i rješenja
Visoki zahtjevi preciznosti proizvodnje glavni su izazov za rješavanje nevoljkosti. Točnost obrade zuba statora, ujednačenost raspodjele namota i dinamička ravnoteža rotora izravno utječu na točnost i performanse senzora. Za razlučivače visoke preciznosti s parovima s više stupova (npr. 12 polja), čak i pogreške u proizvodnji na razini mikrona mogu dovesti do neprihvatljivih pogrešaka u amplitudi ili fazama. Rješenja za ovo pitanje uključuju:
· Usvajanje visokih preciznih kalupa za žigosanje i automatiziranih procesa laminiranja kako bi se osigurala točnost dosljednosti i utora za zube u jezgri.
· Uvođenje analize magnetskog polja konačnih elemenata kako bi se optimizirala dizajn magnetskog kruga i nadoknadila tolerancije proizvodnje.
· Razvijanje algoritama samoodmirljivosti za automatsko ispravljanje urođenih senzorskih pogrešaka tijekom obrade signala.
Drugi je izazov složenost integracije sustava . Iako sam razlučivač ima jednostavnu strukturu, kompletan sustav mjerenja uključuje podsustave kao što su napajanje pobuđenja, krugovi kondicioniranja signala i algoritmi dekodiranja, koji mogu postati uska grla ako loše dizajnirani. Da bi se to riješilo, industrija se kreće prema integriranim rješenjima :
· Integriranje generatora pobude, kondicioniranje signala i dekodiranje krugova u jedan čip za pojednostavljenje dizajna sustava.
· Razvoj standardiziranih sučelja (npr. SPI, CAN) za bešavnu integraciju s glavnim kontrolerima.
· Pružanje sveobuhvatnih razvojnih kompleta, uključujući referentne dizajne, softverske knjižnice i alate za kalibraciju.
Inovacijski upute i budući trendovi
Materijalna inovacija donijet će proboje performansi do rješavanja nevoljkosti. Novi meki magnetski kompoziti (SMC) s trodimenzionalnim izotropnim magnetskim svojstvima mogu optimizirati raspodjelu magnetskog polja i smanjiti harmonično izobličenje. U međuvremenu, izolacijski materijali s visokim temperaturama i prevlaci otporni na koroziju proširit će senzorni opseg operativnog okruženja.
Inteligencija je još jedan kritični smjer za buduće rješavanje nevoljkosti. Integriranjem mikroprocesora i komunikacijskih sučelja, razlučivači mogu postići:
· Samo-dijagnozičke funkcije : Praćenje zdravlja senzora u stvarnom vremenu i preostalo predviđanje životnog vijeka.
· Adaptivna kompenzacija : automatsko prilagođavanje parametara kompenzacije na temelju promjena u okolišu (npr. Temperatura).
· Umrežena sučelja : Podrška za napredne komunikacijske protokole poput Industrial Ethernet -a, olakšavajući integraciju u industrijske IoT (IIOT) sustave.
U smislu širenja primjene , razlučivači nevoljkosti napreduju u dva smjera: prema preciznim aplikacijama višeg razreda (npr., Pomičnijim i širokim aparatima za proizvodnju i masovnim proizvodnjama, kroz pojednostavljene alati za proizvodnju i masovne proizvode) opreme za proizvodnju poluvodiča, medicinski roboti) koji zahtijevaju veću rezoluciju i pouzdanost, te prema ekonomičnijim i širokim primjenama .
Posebno primjetan trend je primjena nevoljkosti u novim energetskim vozilima nove generacije . Kako se motorni sustavi razvijaju prema većim brzinama i integraciji, senzori položaja moraju ispunjavati zahtjevnije zahtjeve:
· Podrška za ultra velike brzine veće od 20 000 o / min.
· Tolerancija na temperature iznad 150 ° C.
· Kompatibilnost s dizajnom brtvljenja sustava hlađenog naftom.
· Manje dimenzije instalacije i lakša težina.
Standardizacija i napredak industrijalizacije
Kako tehnologija nevoljkog razlučivanja sazrijeva, napori za standardizaciju . napreduju i Kina je uspostavila nacionalne standarde kao što su GB/T 31996-2015 Opće tehničke specifikacije za razlučivače za regulaciju mjernih podataka o performansama proizvoda i metoda ispitivanja. U pogledu industrijalizacije, kineska tehnologija za razlučivanje nevoljkosti dosegla je međunarodne napredne razine.
Predvidivo je da će s tehnološkim napretkom i industrijalizacijom razlučivači nevoljkosti zamijeniti tradicionalne senzore u više polja, postajući glavno rješenje za otkrivanje položaja rotacije i pružanje kritične tehničke podrške za industrijsku automatizaciju i razvoj novog energetskog vozila.
