A modern ipari automatizálás és a precíziós mechanikai ellenőrzés során a pontos forgási helyzet -észlelés döntő jelentőségű. A A vonakodási megoldó , amelyet általában feloldónak neveznek, nagyon megbízható érzékelő, amelyet a szervo motorokban, a robotikában és a pontos pozicionálást igénylő egyéb alkalmazásokban széles körben használnak. Ez a cikk röviden bemutatja a feloldók működési alapelveit és azt, hogy miként érik el a rotációs pozicionálást.
A feloldó egy analóg érzékelő, amely az elektromágneses indukció elvén alapul, amely képes a rotor mechanikai szögét elektromos jelekké alakítani. A digitális érzékelőkkel, például az optikai kódolókkal ellentétben a feloldók folyamatos analóg jeleket biztosítanak a forgási helyzetinformációkhoz, kiváló interferencia-képességeket és megbízhatóságot kínálva, különösen a kemény környezetben.
A vonakodás megoldóinak alapszerkezete és működési alapelvei
Annak megértése érdekében, hogy a vonakodási feloldók hogyan érik el a pontos forgási pozicionálást, elengedhetetlen, hogy belemerüljenek az egyedi fizikai struktúrájukba. Ezen érzékelők ötletes kialakítása képezi a nagy teljesítményük alapját, és példázza az elektromágneses indukciós alapelvek gyakorlati alkalmazását.
Forradalmi szerkezeti tervezés
A vonakodási feloldó felépítése három fő alkatrészből áll: az állórész mag , rotormagja és a kanyargós rendszer . Az állórész magja nagy átereszthető szilícium-acéllemezekből laminálódik, nagy fogakkal (póluscipővel), amely a belső kerületen lyukasztja, mindegyiket tovább osztva egyenletesen elhelyezett kis fogakra osztva. Ezen kis fogak elrendezését és alakját aprólékosan kiszámítják, hogy biztosítsák az ideális szinuszos mágneses mező eloszlását. A forgórész egyszerűbb, csak fogazott szilícium acél laminációkból készül, tekercsek vagy elektronikus alkatrészek nélkül. Ez a 'passzív' kialakítás kulcsfontosságú a feloldó nagy megbízhatóságához.
A kanyargós rendszer teljes egészében az állórészen található, és magában foglalja a gerjesztési tekercset és két ortogonális kimeneti tekercset (szinusz és koszinusz tekercsek). Ezek a tekercsek koncentrálódnak és szinuszos mintázat szerint oszlanak el, hogy biztosítsák a kimeneti jelek szinuszos jellemzőit. Nevezetesen, a kimeneti tekercsek váltakozó és fordított sorozatú konfigurációban vannak elrendezve, hatékonyan elnyomva a harmonikus interferenciát és javítva a jel tisztaságát.
Helymeghatározási elv a vonakodás variációja alapján
A vonakodási feloldó működési elve a levegő rés mágneses vezetőképességének modulációja körül forog . Ha szinuszos AC feszültséget (általában 7 V-os 1-10 kHz-en) alkalmaznak a gerjesztési tekercsre, váltakozó mágneses mezőt generálnak az állórészben. Ez a mágneses mező áthalad a légrésen a forgórészig. A forgórészfogak jelenléte miatt a mágneses áramkör mágneses vonakodása (a mágneses vezetőképesség fordítottsága) ciklikusan megváltozik a forgórész helyzetével.
Pontosabban, amikor a forgórészfogak igazodnak az állórész fogaival, a vonakodás minimalizálódik, és a mágneses fluxus maximalizálódik. Ezzel szemben, amikor a forgórészrések igazodnak az állórész fogaival, a vonakodás maximalizálódik, és a mágneses fluxus minimalizálódik. Minden fogmagasságnál a forgórész megfordul, a légrés mágneses vezetőképessége befejezi a teljes variációs ciklust. A gerjesztő mágneses mezőnek ez a modulálása feszültségjeleket indukál a kimeneti tekercsekben, amelyek amplitúdója korrelál a forgórész szög helyzetével.
Matematikailag, ha a gerjesztési feszültség e₁ = e₁msinωt, akkor a két kimeneti tekercs feszültsége kifejezhető:
· Szinuszos tekercs kimenete: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Koszinusz tekercselés: e_c = e_cmsinθsinωt
Itt θ a forgórész mechanikai szögét és a gerjesztési jel szögfrekvenciáját képviseli. Ideális esetben az Eₛₘ -nek és az E_CM -nek egyenlőnek kell lennie, de a gyártási toleranciák amplitúdó hibákat vezethetnek be, kalibrációs vagy áramköri kompenzációt igényelve.
Póluspárok és mérési pontosság
A vonakodási feloldó póluspárjai kritikus paraméter, amely közvetlenül befolyásolja annak mérési pontosságát és felbontását. A póluspárok száma megfelel a forgórész fogainak számának, és meghatározza a teljes elektromos jelciklushoz szükséges mechanikai forgási szöget. Például egy 4 póluspárral rendelkező feloldó mechanikus forgásonként 4 elektromos jelciklusot eredményez, hatékonyan „amplifikálva” a mechanikai szöget 4 -szeresével a méréshez.
A piaci közönséges vonzerőt feloldók 1-12 póluspárok között vannak. A magasabb pólusszám elméletileg lehetővé teszi a magasabb szögfelbontást, a 12 pólusú feloldókkal ± 0,1 ° -ot vagy jobb pontosságot érnek el. Ugyanakkor a póluspárok növelése szintén növeli a jelfeldolgozás bonyolultságát, ami az alkalmazási követelmények alapján kompromisszumot igényel.
Ez a szögmérési módszer, amely a vonakodás variáción és az elektromágneses indukción alapul, lehetővé teszi a vonakodási feloldók számára, hogy stabilan működjenek széles hőmérsékleti tartományban (-55 ° C- +155 ° C), a védelmi besorolásokig vagy annál magasabbig. Ellenállnak az erős rezgéseknek és sokkoknak, így ideálisak az igényes környezetekhez, például autóipar, repülőgép- és katonai alkalmazásokhoz.
Jelfeldolgozási és szögszámítási technikák
Az analóg jelek kimenetele a vonakodási feloldók által speciális feldolgozási áramköröket igényel, hogy azokat felhasználható digitális szög információkká alakítsák. Ez a folyamat magában foglalja a komplex jel kondicionálását és a dekódoló algoritmusokat, amelyek kritikusak a nagy pontosságú pozicionálás elérése érdekében a Resolver Systems-ben.
Az analóg jelektől a digitális szögekig
A vonakodó feloldóból származó nyers jelek két szinuszhullám (Sinsinωt és cosθsinωt), amelyet a forgórész szöge moderál. A θ szöginformáció kinyerése több feldolgozási lépést foglal magában. Először, a jelek sávszűrésen mennek keresztül , hogy eltávolítsák a magas frekvenciájú zajt és az alacsony frekvenciájú interferenciát. Ezután a fázisérzékeny demoduláció (vagy a szinkron demoduláció) eltávolítja a vivőfrekvenciát (általában 10 kHz), és alacsony frekvenciájú jeleket eredményez a SINθ és a COSθ, amely tartalmazza a szöget.
A modern dekódoló rendszerek általában digitális jelprocesszorokat (DSP) vagy dedikált feloldó-digitális konvertereket (RDC) használnak a szög kiszámításához. Ezek a processzorok CORTIC (koordináta forgási digitális számítógép) algoritmusokat vagy Arctangent műveleteket alkalmaznak a SINθ és COSθ jelek digitális szögértékekké történő átalakításához. Például a DSPIC30F3013 mikrovezérlő beépített ADC modult tartalmaz a két jel szinkron mintavételéhez, amelyet szoftver algoritmusok követnek a pontos szög kiszámításához.
Hiba -kompenzáció és pontosság javítása
A gyakorlati alkalmazásokban különféle tényezők vezethetnek mérési hibákat, ideértve a következőket is:
· Amplitúdó -egyensúlyhiány : A szinusz és a koszinusz kimeneti jelek egyenlőtlen amplitúdója (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Fázis eltérés : Nem ideális 90 ° fáziskülönbség a két jel között
· Harmonikus torzítás : A jel torzulása a nem-sinusoidális mágneses mező eloszlásának köszönhetően
· Ortogonális hiba : A pontatlan kanyargós telepítés által okozott szög eltérés
A rendszer pontosságának javítása érdekében a fejlett dekódolási áramkörök különféle kompenzációs technikákat alkalmaznak. Például az automatikus nyereség -vezérlés (AGC) áramkörök kiegyensúlyozzák a két jel amplitúdóját, a digitális szűrők elnyomják a harmonikus interferenciát, és a szoftver algoritmusok beépítik a hiba -kompenzációs feltételeket. A aprólékos tervezés és a kalibrálás révén a Resolver Systems ± 0,1 ° -on belül elérheti a szöghibákat, megfelelve a legtöbb nagy pontosságú alkalmazás követelményeinek.
Az új dekódolási technológiák trendei
A félvezető technológia fejlődése az innovációt ösztönzi a Resolver jelfeldolgozásában. A hagyományos diszkrétkomponensű demodulációs áramköröket fokozatosan helyettesítik az integrált megoldások . Néhány új dekóder chip integrálja az gerjesztési jelgenerátorokat, a jelkondicionáló áramköröket és a digitális számítási egységeket, ami jelentősen egyszerűsíti a rendszer kialakítását.
Eközben a szoftver által meghatározott dekódolás egyre népszerűbb. Ez a megközelítés kihasználja a nagy teljesítményű mikroprocesszorok számítási teljesítményét a legtöbb jelfeldolgozó funkció megvalósításához a szoftverben, nagyobb rugalmasságot és programozhatóságot biztosítva. Például a szűrőparaméterek, a kompenzációs algoritmusok vagy akár a kimeneti adatformátumok beállíthatók a testreszabott szögmérési megoldásokhoz.
Érdemes megjegyezni, hogy a dekódoló rendszer ugyanolyan döntő fontosságú, mint maga a feloldó. A jól megtervezett dekódoló áramkör teljes mértékben kiaknázhatja a feloldó teljesítménypotenciálját, míg az alacsony minőségű dekódolási megoldás a teljes mérési rendszer szűk keresztmetszetévé válhat. Ezért a megoldó megoldás kiválasztásakor az érzékelő és a dekóder közötti kompatibilitást gondosan meg kell fontolni.
Teljesítmény előnyei és alkalmazási területei a vonakodás megoldóinak
Egyedülálló munka alapelveiknek és szerkezeti tervezésüknek köszönhetően a vonakodási feloldók több kulcsfontosságú teljesítménymutatóban felülmúlják a hagyományos helyzetérzékelőket. Ezek az előnyök miatt sok igényes ipari alkalmazásban a szög észlelésének előnyben részesített választása.
Átfogó teljesítmény fölény a hagyományos érzékelők felett
A hagyományos helyzetérzékelő eszközökhöz képest, például az optikai kódolókkal és a hallérzékelőkkel, a vonakodási feloldók mindenre kiterjedő teljesítmény-előnyöket mutatnak:
· Kivételes környezeti alkalmazkodóképesség : -55 ° C -tól +155 ° C -ig terjedő hőmérsékleten stabilan működnek, a védelmi besorolásokig vagy annál magasabbig, és ellenállnak az erős rezgéseknek és sokkoknak (pl. Durva környezet, például az autóipari motorkompartmentek).
· Érvénytelen hosszú élettartam : A rotoron lévő tekercsek vagy kefék hiánya kiküszöböli a mechanikus kopást, lehetővé téve több tízezer órás elméleti élettartamot.
· Ultra-nagysebességű válasz : Támogatja a sebességet akár 60 000 fordulat / percig, messze meghaladva a legtöbb optikai kódoló határait.
· Abszolút pozíció mérése : abszolút szöget ad a referenciapont igényelése nélkül, és a helyzet adatait azonnal megadja a bekapcsoláskor.
· Erős anti-interferencia-képesség : Az elektromágneses indukció alapján érzéketlen a porra, az olajra, a páratartalomra és a külső mágneses mezőkre.
Alapvető alkalmazások az új energia járművekben
Az új energia járművek iparában a vonakodási feloldók a aranyszabványává váltak. motoros pozíció észlelésének Ezeket széles körben használják az akkumulátor elektromos járművek (BEV) és a hibrid elektromos járművek (HEV) meghajtó motorvezérlő rendszereiben, a kulcsfontosságú funkciókkal, ideértve a következőket:
· A forgórész helyzetének észlelése : Pontos forgórész -szöget biztosít az állandó mágneses szinkron motorok (PMSM) vektorvezérléséhez.
· A sebességmérés : A motor sebességét kiszámítja a szögváltozás sebességétől, lehetővé téve a zárt hurkú sebességszabályozást.
· Elektromos szervokormány (EPS) : A kormánykerék -szöget észlel a pontos kormányzási segítségnyújtáshoz.
Ipari automatizálás és speciális alkalmazások
Az autóiparon túl a vonakodási feloldókat széles körben használják az ipari automatizálásban:
· CNC szerszámgépek : orsó pozicionálása és a takarmány tengelyének szög mérése.
· Robotízületek : A robotkar mozgásainak pontos ellenőrzése.
· Textilgépek : fonalfeszültség -szabályozás és tekercselési szög észlelése.
· Fecsekciós öntőgépek : Csavaros helyzet megfigyelése és vezérlése.
· Katonai és repülőgépipar : radar antenna pozicionálása, rakéta kormánycsoportja és egyéb szélsőséges környezeti alkalmazások.
A nagysebességű sín- és vasúti tranzit esetén a vonzerő-feloldókat használják a vontatási motor sebességére és a pozíció észlelésére, ahol nagy megbízhatósági és karbantartási szolgáltatásaik jelentősen csökkentik az életciklus költségeit. A kemény környezetek, például a bányászati gépek (pl. A föld alatti szénszállító járművek és a szállítószalag -motorok) egyre inkább alkalmazzák a vonakodási feloldókat a hagyományos érzékelők helyettesítésére.
Az Industry 4.0 és az intelligens gyártás megjelenésével a vonakodási feloldók a nagyobb pontosság, a kisebb méret és a nagyobb intelligencia felé fejlődnek. A következő generációs termékek a kompatibilitásra összpontosítanak az integrált motor-gearbox-meghajtású mintákkal, valamint az olajálló és magas hőmérséklet-rezisztens variánsok fejlesztésére, hogy megfeleljenek az olajhűtéses rendszerek igényeinek. Ezenkívül a vezeték nélküli transzmisszió és az öndiagnosztikai képességek várhatóan jövőbeli tendenciákká válnak, tovább bővítve alkalmazásuk hatályát.
Műszaki kihívások és jövőbeli trendek a vonakodási megoldók számára
Annak ellenére, hogy kiemelkedő teljesítményük és megbízhatóságuk különböző területeken, a vonakodási megoldók továbbra is műszaki kihívásokkal szembesülnek, és egyértelmű innovációs irányokat mutatnak.
Meglévő műszaki szűk keresztmetszetek és megoldások
A nagy gyártási precíziós követelmények komoly kihívást jelentenek a vonakodási feloldók számára. Az állórész fogak megmunkálási pontossága, a tekercselés egységessége és a forgórész dinamikus egyensúlya közvetlenül befolyásolja az érzékelő pontosságát és teljesítményét. A több póluspárral rendelkező nagy pontosságú feloldók esetében (pl. 12 póluspár), még a mikron szintű gyártási hibák is elfogadhatatlan amplitúdóhoz vagy fázishibákhoz vezethetnek. A kérdés megoldásai a következők:
· elfogadása A nagy pontosságú bélyegző formák és az automatizált laminálási folyamatok a magban a konzisztencia és a fognyomás pontosságának biztosítása érdekében.
· bevezetése A véges elem mágneses mező elemzésének a mágneses áramkör tervezésének optimalizálása és a gyártási toleranciák kompenzálására.
· kidolgozása Az önkompenzációs algoritmusok a velejáró érzékelő hibáinak automatikus kijavításához a jelfeldolgozás során.
Egy másik kihívás a rendszerintegráció bonyolultsága . Noha maga a Resolvernek van egy egyszerű szerkezete, a teljes mérési rendszer olyan alrendszereket tartalmaz, mint például gerjesztési tápegységeket, jelkondicionáló áramköröket és dekódoló algoritmusokat, amelyek szűk keresztmetszetekké válhatnak, ha rosszul tervezték. Ennek kezelése érdekében az ipar felé halad az integrált megoldások :
· A gerjesztő generátorok, a jelkondicionálás és az áramkörök dekódolása egyetlen chipbe történő integrálása a rendszer kialakításának egyszerűsítése érdekében.
· A szabványosított interfészek fejlesztése (pl. SPI, CAN) a fővezérlőkkel való zökkenőmentes integrációhoz.
· Átfogó fejlesztési készletek biztosítása, beleértve a referencia -terveket, a szoftverkönyvtárakat és a kalibrációs eszközöket.
Innovációs irányok és jövőbeli trendek
Az anyagi innováció teljesítmény -áttörést eredményez a vonakodási megoldók számára. Az új, lágy mágneses kompozitok (SMC), háromdimenziós izotrop mágneses tulajdonságokkal, optimalizálhatják a mágneses mező eloszlását és csökkenthetik a harmonikus torzulást. Eközben a magas hőmérsékletű stabil szigetelő anyagok és a korrózióálló bevonatok kibővítik az érzékelő működési környezeti tartományát.
Az intelligencia egy másik kritikus irány a jövőbeli vonakodási megoldók számára. A mikroprocesszorok és a kommunikációs interfészek integrálásával a feloldók elérhetik:
· Öndiagnosztikai funkciók : Az érzékelő egészségének valós idejű megfigyelése és a fennmaradó élettartam-előrejelzés.
· Adaptív kompenzáció : A kompenzációs paraméterek automatikus beállítása a környezeti változások (pl. Hőmérséklet) alapján.
· Hálózati interfészek : A fejlett kommunikációs protokollok, például az ipari Ethernet támogatása, megkönnyítve az ipari tárgyak internete (IIOT) rendszerekbe történő integrációt.
szempontjából Az alkalmazás bővítése a vonakodási feloldók két irányba haladnak: a magasabb szintű precíziós alkalmazások (pl. Félvezető gyártó berendezések, orvosi robotok) felé, amely nagyobb felbontást és megbízhatóságot igényel, valamint a gazdaságosabb és elterjedtebb alkalmazások felé (pl. Háztartási eszközök, elektromos eszközök) az egyszerűsített tervek és a tömegtermelés révén a költségek csökkentése érdekében.
Különösen figyelemre méltó tendencia a vonakodási feloldók alkalmazása a következő generációs új energia járművekben . Ahogy a motoros rendszerek a nagyobb sebesség és az integráció felé fejlődnek, a pozícióérzékelőknek meg kell felelniük az igényesebb követelményeknek:
· A 20 000 fordulat / perc sebességet meghaladó rendkívül magas sebességek támogatása.
· A 150 ° C feletti hőmérséklet toleranciája.
· Kompatibilitás az olajhűtéses rendszer-tömítő tervekkel.
· Kisebb telepítési méretek és könnyebb súly.
Szabványosítás és iparosodás előrehaladása
Ahogyan a vonakodási feloldó technológia érlelődik, a szabványosítási erőfeszítések is haladnak. Kína olyan nemzeti szabványokat állapított meg, mint például a GB/T 31996-2015 általános műszaki előírások a termékteljesítmény-mutatók és a tesztelési módszerek szabályozására. Az iparosodás szempontjából a kínai vonakodási feloldó technológia elérte a nemzetközi fejlett szinteket.
Előreléphető, hogy a technológiai fejlődés és az iparosodás révén a vonakodási feloldók több területen helyettesítik a hagyományos érzékelőket, és a rotációs pozíció észlelésének mainstream megoldásává válnak, és kritikus technikai támogatást nyújtanak az ipari automatizáláshoz és az új energia járművek fejlesztéséhez.
