Nella moderna automazione industriale e controllo meccanico di precisione, il rilevamento accurato della posizione di rotazione è cruciale. IL Il resolver di riluttanza , comunemente indicato come un resolver, è un sensore altamente affidabile ampiamente utilizzato nei servi motori, nella robotica e in altre applicazioni che richiedono un posizionamento preciso. Questo articolo introduce brevemente i principi di lavoro dei risolutori e come ottengono il posizionamento rotazionale.
Un resolver è un sensore analogico basato sul principio dell'induzione elettromagnetica, in grado di convertire l'angolo meccanico di un rotore in segnali elettrici. A differenza dei sensori digitali come gli encoder ottici, i risolutri forniscono segnali analogici continui per le informazioni sulla posizione di rotazione, offrendo capacità e affidabilità anti-interferenza superiori, specialmente in ambienti difficili.
Struttura centrale e principi di lavoro dei risolutori di riluttanza
Per capire come i risolutri di riluttanza ottengano un posizionamento rotazionale preciso, è essenziale approfondire la loro struttura fisica unica. Il design geniale di questi sensori costituisce il fondamento delle loro alte prestazioni ed esemplifica l'applicazione pratica dei principi di induzione elettromagnetica.
Design strutturale rivoluzionario
La struttura di un risolutore di riluttanza è costituita da tre componenti principali: il dello statore , nucleo del rotore e il sistema di avvolgimento . Il nucleo dello statore è laminato da fogli di acciaio al silicio ad alta permeabilità, con denti grandi (scarpe a palo) a pugni sulla circonferenza interna, ciascuno ulteriormente diviso in denti piccoli uniformemente distanziati. La disposizione e la forma di questi piccoli denti sono meticolosamente calcolate per garantire una distribuzione ideale sul campo magnetico sinusoidale. Il rotore è più semplice, realizzato solo con laminazioni in acciaio di silicio dentate senza avvolgimenti o componenti elettronici. Questo design 'passive ' è la chiave per l'alta affidabilità del resolver.
Il sistema di avvolgimento si trova interamente sullo statore e include un avvolgimento di eccitazione e due avvolgimenti di uscita ortogonali (avvolgimenti seno e coseno). Questi avvolgimenti sono concentrati e distribuiti secondo un modello sinusoidale per garantire le caratteristiche sinusoidali dei segnali di uscita. In particolare, gli avvolgimenti di uscita sono disposti in una configurazione alternativa e serie inversa, sopprimendo efficacemente l'interferenza armonica e migliorando la purezza del segnale.
Principio di posizionamento basato sulla variazione di riluttanza
Il principio di lavoro di un risolutore di riluttanza ruota attorno alla modulazione della conduttanza magnetica dell'aria . Quando una tensione CA sinusoidale (in genere 7 V a 1-10kHz) viene applicata all'avvolgimento di eccitazione, nello statore viene generato un campo magnetico alternato. Questo campo magnetico passa attraverso lo spazio d'aria al rotore. A causa della presenza di denti del rotore, la riluttanza magnetica (inversa della conduttanza magnetica) del circuito magnetico cambia ciclicamente con la posizione del rotore.
In particolare, quando i denti del rotore si allineano con i denti dello statore, la riluttanza viene ridotta al minimo e il flusso magnetico viene massimizzato. Al contrario, quando le fessure del rotore si allineano con i denti dello statore, la riluttanza viene massimizzata e il flusso magnetico viene ridotto al minimo. Per ogni tono del rotore gira, la conduttanza magnetica di Air Gap completa un ciclo completo di variazione. Questa modulazione del campo magnetico di eccitazione induce segnali di tensione negli avvolgimenti di uscita, le cui ampiezze sono correlate alla posizione angolare del rotore.
Matematicamente, se la tensione di eccitazione è e₁ = e₁msinωt, le tensioni dei due avvolgimenti di uscita possono essere espresse come:
· Output di avvolgimento sinusoidale: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Output di avvolgimento del coseno: e_c = e_cmsinθsinωt
Qui, θ rappresenta l'angolo meccanico del rotore e ω è la frequenza angolare del segnale di eccitazione. Idealmente, Eₛₘ ed E_CM dovrebbero essere uguali, ma le tolleranze di produzione possono introdurre errori di ampiezza, che richiedono calibrazione o compensazione del circuito.
Coppie di pole e precisione di misurazione
Le coppie di pole di un risolutore di riluttanza sono un parametro critico che influenza direttamente la sua precisione e la risoluzione di misurazione. Il numero di coppie di pole corrisponde al conteggio dei denti del rotore e determina l'angolo di rotazione meccanico richiesto per un ciclo di segnale elettrico completo. Ad esempio, un risolutore con 4 coppie di poli produrrà 4 cicli di segnale elettrici per rotazione meccanica, efficacemente 'amplificando ' l'angolo meccanico di un fattore 4 per la misurazione.
I risolutori di riluttanza comuni sul mercato vanno da 1 a 12 poli. I conteggi dei polo più elevati consentono teoricamente una risoluzione angolare più elevata, con risoluisti a 12 poli che raggiungono ± 0,1 ° o una migliore accuratezza. Tuttavia, l'aumento delle coppie pole aumenta anche la complessità dell'elaborazione del segnale, che richiede un compromesso basato sui requisiti di applicazione.
Questo metodo di misurazione dell'angolo, basato sulla variazione di riluttanza e sull'induzione elettromagnetica, consente alle risolutori di riluttanza di funzionare stabilmente attraverso un ampio intervallo di temperatura (da -55 ° C a +155 ° C), con valutazioni di protezione fino a IP67 o superiore. Possono resistere a forti vibrazioni e shock, rendendoli ideali per ambienti esigenti come applicazioni automobilistiche, aerospaziali e militari.
Elaborazione del segnale e tecniche di calcolo dell'angolo
I segnali analogici emettiti per risolutori di riluttanza richiedono circuiti di elaborazione specializzati per convertirli in informazioni sull'angolo digitale utilizzabili. Questo processo prevede algoritmi complessi di condizionamento del segnale e decodifica, che sono fondamentali per raggiungere il posizionamento ad alta precisione nei sistemi di risoluzione.
Dai segnali analogici agli angoli digitali
I segnali grezzi da un risolutore di riluttanza sono due onde sinusoidali (sinθsinωt e cosθsinωt) modulate dall'angolo del rotore. L'estrazione delle informazioni sull'angolo θ comporta diverse fasi di elaborazione. Innanzitutto, i segnali subiscono un filtro passa-banda per rimuovere il rumore ad alta frequenza e l'interferenza a bassa frequenza. Successivamente, la demodulazione sensibile alla fase (o demodulazione sincrona) rimuove la frequenza del portatore (in genere 10kHz), producendo segnali a bassa frequenza Sinθ e cosθ contenente le informazioni sull'angolo.
I moderni sistemi di decodifica in genere utilizzano processori di segnali digitali (DSP) o convertitori dedicati al risolutore a digitale (RDC) per il calcolo dell'angolo. Questi processori impiegano algoritmi o operazioni arctangent per convertire i segnali Sinθ e cosθ (coordinate rotazione di rotazione. Ad esempio, il microcontrollore DSPIC30F3013 presenta un modulo ADC integrato per il campionamento sincrono dei due segnali, seguito da algoritmi software per calcolare l'angolo preciso.
Compensazione dell'errore e miglioramento dell'accuratezza
In applicazioni pratiche, vari fattori possono introdurre errori di misurazione, tra cui:
· Squilibrio di ampiezza : ampiezze ineguali dei segnali di uscita seno e coseno (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Deviazione di fase : differenza di fase non ideale a 90 ° tra i due segnali
· Distorzione armonica : distorsione del segnale dovuta alla distribuzione del campo magnetico non-sinusoidale
· Errore ortogonale : deviazione angolare causata dall'installazione di avvolgimento impreciso
Per migliorare l'accuratezza del sistema, i circuiti di decodifica avanzati impiegano varie tecniche di compensazione. Ad esempio, i circuiti automatici di controllo del guadagno (AGC) bilanciano le ampiezze dei due segnali, i filtri digitali sopprimono l'interferenza armonica e gli algoritmi software incorporano termini di compensazione degli errori. Con la progettazione e la calibrazione meticolose, i sistemi di risoluzione possono ottenere errori di angolo entro ± 0,1 °, soddisfacendo i requisiti della maggior parte delle applicazioni ad alta precisione.
Tendenze nelle nuove tecnologie di decodifica
I progressi nella tecnologia dei semiconduttori stanno guidando l'innovazione nell'elaborazione del segnale del resolver. I circuiti tradizionali di demodulazione dei componenti discreti vengono gradualmente sostituiti da soluzioni integrate . Alcuni nuovi chip di decodificatore integrano generatori di segnale di eccitazione, circuiti di condizionamento del segnale e unità di calcolo digitale, semplificando significativamente la progettazione del sistema.
Nel frattempo, la decodifica definita dal software sta guadagnando popolarità. Questo approccio sfrutta la potenza computazionale dei microprocessori ad alte prestazioni per implementare la maggior parte delle funzioni di elaborazione del segnale nel software, offrendo una maggiore flessibilità e programmabilità. Ad esempio, i parametri di filtro, gli algoritmi di compensazione o persino i formati di dati di output possono essere regolati per soluzioni di misurazione dell'angolo personalizzate.
Vale la pena notare che il sistema di decodifica è cruciale come il resolver stesso. Un circuito di decodifica ben progettato può realizzare pienamente il potenziale di prestazione del risolutore, mentre una soluzione di decodifica di bassa qualità può diventare il collo di bottiglia dell'intero sistema di misurazione. Pertanto, quando si selezionano una soluzione di risolutore, la compatibilità tra sensore e decodificatore deve essere attentamente considerata.
Vantaggi delle prestazioni e aree di applicazione dei risolutori di riluttanza
Grazie ai loro principi di lavoro unici e alla progettazione strutturale, i risolutori di riluttanza superano i sensori di posizione tradizionali in diverse metriche di performance chiave. Questi vantaggi li rendono la scelta preferita per il rilevamento degli angoli in molte applicazioni industriali impegnative.
Superiorità completa delle prestazioni rispetto ai sensori tradizionali
Rispetto ai tradizionali dispositivi di rilevamento della posizione come encoder ottici e sensori di hall, i risolutri di riluttanza presentano vantaggi per le prestazioni a tutto tondo:
· Adattabilità ambientale eccezionale : opera stabilmente a temperature che vanno da -55 ° C a +155 ° C, con valutazioni di protezione fino a IP67 o superiore e può resistere a forti vibrazioni e shock (ad es. Ambienti duri come compartimenti di motori automobilistici).
· Lunga durata senza contatto : l'assenza di avvolgimenti o spazzole sul rotore elimina l'usura meccanica, consentendo una durata teorica di decine di migliaia di ore.
· Risposta ad altissima velocità : supporta velocità fino a 60.000 giri / min, superando di gran lunga i limiti della maggior parte degli encoder ottici.
· Misurazione della posizione assoluta : fornisce informazioni sull'angolo assoluto senza richiedere un punto di riferimento, fornendo dati di posizione immediatamente al momento dell'alimentazione.
· Forte capacità anti-interferenza : basato sull'induzione elettromagnetica, è insensibile a polvere, olio, umidità e campi magnetici esterni.
Applicazioni di base in nuovi veicoli energetici
Nel nuovo settore dei veicoli energetici, i risolutori di riluttanza sono diventati il gold standard per il rilevamento della posizione del motore. Sono ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo del motore di trasmissione dei veicoli elettrici a batteria (BEV) e dei veicoli elettrici ibridi (HEV), con funzioni chiave tra cui:
· Rilevamento della posizione del rotore : fornisce informazioni precise dell'angolo del rotore per il controllo vettoriale dei motori sincroni a magnete permanente (PMSMS).
· Misurazione della velocità : calcola la velocità del motore dalla velocità di variazione dell'angolo, consentendo il controllo della velocità a circuito chiuso.
· Sterzo elettrico (EPS) : rileva l'angolo del volante per fornire assistenza di sterzo accurata.
Automazione industriale e applicazioni speciali
Oltre al settore automobilistico, anche i risolutori di riluttanza sono ampiamente utilizzati nell'automazione industriale:
· Machine Tool CNC : posizionamento del mandrino e misurazione dell'angolo dell'asse di alimentazione.
· Giunti robot : controllo preciso dei movimenti del braccio robotico.
· Macchinari tessili : controllo della tensione del filo e rilevamento dell'angolo di avvolgimento.
· Machine di stampaggio a iniezione : monitoraggio e controllo della posizione della vite.
· Military e aerospaziale : posizionamento dell'antenna radar, controllo del timone missilistico e altre applicazioni estreme-ambiente.
Nel trasporto ferroviario e ferroviario ad alta velocità, i risolutri di riluttanza vengono utilizzati per la velocità del motore di trazione e il rilevamento della posizione, in cui le loro elevamente affidabilità e le caratteristiche esenti da manutenzione riducono significativamente i costi del ciclo di vita. Gli ambienti duri come i macchinari minerari (ad es. Veicoli di trasporto del carbone sotterraneo e motori a cinghia del trasporto) stanno adottando sempre più risolutori di riluttanza per sostituire i sensori tradizionali.
Con l'avvento del settore 4.0 e della produzione intelligente, i risolutori di riluttanza si stanno evolvendo verso una maggiore precisione, dimensioni minori e una maggiore intelligenza. I prodotti di prossima generazione si concentreranno sulla compatibilità con i progetti integrati di guida a trazione motori-dollari, nonché sullo sviluppo di varianti resistenti al petrolio e ad alta temperatura per soddisfare le esigenze dei sistemi raffreddati al petrolio. Inoltre, si prevede che la trasmissione wireless e le capacità di autodiagnostica diventeranno tendenze future, espandendo ulteriormente la loro portata dell'applicazione.
Sfide tecniche e tendenze future per i risolutori di riluttanza
Nonostante le loro eccezionali prestazioni e affidabilità in vari settori, i risolutori di riluttanza affrontano ancora sfide tecniche e presentano chiare direzioni di innovazione.
Colli di bottiglia tecnici esistenti
I requisiti di precisione di produzione elevati sono una grande sfida per i risolutori di riluttanza. L'accuratezza della lavorazione dei denti dello statore, l'uniformità della distribuzione dell'avvolgimento e l'equilibrio dinamico del rotore influenzano direttamente l'accuratezza e le prestazioni del sensore. Per i risolutori ad alta precisione con più coppie di pole (ad es. 12 coppie di pole), anche gli errori di produzione a livello di micron possono portare a errori inaccettabili di ampiezza o fase. Le soluzioni a questo problema includono:
· Adozione di stampi di stampaggio ad alta precisione e processi di laminazione automatizzati per garantire la consistenza e l'accuratezza dello slot dei denti nel nucleo.
· Introduzione di analisi del campo magnetico a elementi finiti per ottimizzare la progettazione di circuiti magnetici e compensare le tolleranze di produzione.
· Sviluppare algoritmi di auto-compensazione per correggere automaticamente errori di sensore intrinseco durante l'elaborazione del segnale.
Un'altra sfida è la complessità dell'integrazione del sistema . Sebbene il resolver stesso abbia una struttura semplice, un sistema di misurazione completo include sottosistemi come alimentatori di eccitazione, circuiti di condizionamento del segnale e algoritmi di decodifica, che possono diventare strozzati se progettati male. Per affrontare questo, l'industria si sta muovendo verso soluzioni integrate :
· Integrazione di generatori di eccitazione, condizionamento del segnale e circuiti di decodifica in un singolo chip per semplificare la progettazione del sistema.
· Sviluppare interfacce standardizzate (ad es. SPI, CAN) per l'integrazione senza soluzione di continuità con i controller principali.
· Fornire kit di sviluppo completi, inclusi progetti di riferimento, librerie software e strumenti di calibrazione.
Direzioni di innovazione e tendenze future
L'innovazione materiale porterà le scoperte per le prestazioni ai risolutori di riluttanza. Nuovi compositi magnetici morbidi (SMC) con proprietà magnetiche isotropiche tridimensionali possono ottimizzare la distribuzione del campo magnetico e ridurre la distorsione armonica. Nel frattempo, i materiali isolanti stabili ad alta temperatura e i rivestimenti resistenti alla corrosione amplieranno la gamma di ambiente operativo del sensore.
L'intelligenza è un'altra direzione critica per i futuri risolutori di riluttanza. Integrando i microprocessori e le interfacce di comunicazione, i risolutori possono ottenere:
· Funzioni autodiagnostiche : monitoraggio in tempo reale della salute dei sensori e previsione rimanente della vita.
· Compensazione adattiva : regolazione automatica dei parametri di compensazione basati su cambiamenti ambientali (ad es. Temperatura).
· Interfacce in rete : supporto per protocolli di comunicazione avanzati come Ethernet industriale, facilitando l'integrazione nei sistemi IoT (IIoT) industriali.
In termini di espansione dell'applicazione , i risolutori di riluttanza stanno avanzando in due direzioni: verso applicazioni di precisione di fascia alta (ad esempio, apparecchiature di produzione di semiconduttori, robot medici) che richiedono una maggiore risoluzione e affidabilità e verso applicazioni più economiche e diffuse (ad esempio, elettrodomestici, utensili elettrici) attraverso progetti semplificati e produzione di massa per ridurre i costi.
Una tendenza particolarmente degna di nota è l'applicazione di risolutori di riluttanza nei nuovi veicoli energetici di prossima generazione . Man mano che i sistemi motori si evolvono verso velocità e integrazione più elevate, i sensori di posizione devono soddisfare requisiti più impegnativi:
· Supporto per velocità ultra-alte superiori a 20.000 giri / min.
· Tolleranza per temperature superiori a 150 ° C.
· Compatibilità con progetti di tenuta del sistema raffreddati a olio.
· Dimensioni di installazione più piccole e peso più leggero.
Standardizzazione e progresso dell'industrializzazione
Man mano che la tecnologia del risolutore di riluttanza matura, anche gli sforzi di standardizzazione stanno avanzando. La Cina ha stabilito standard nazionali come GB/T 31996-2015 Specifiche tecniche generali per i risolutori per regolare le metriche delle prestazioni del prodotto e i metodi di test. In termini di industrializzazione, la tecnologia Resolver della riluttanza cinese ha raggiunto livelli avanzati internazionali.
È prevedibile che, con il progresso tecnologico e l'industrializzazione, i risolutori di riluttanza sostituiranno i sensori tradizionali in più campi, diventando la soluzione tradizionale per il rilevamento della posizione di rotazione e fornendo supporto tecnico critico per l'automazione industriale e lo sviluppo di nuovi veicoli energetici.
