I risolutri di riluttanza, come sensori angolari ad alta precisione, svolgono un ruolo indispensabile in campi come l'automazione industriale, i nuovi veicoli energetici e i robot umanoidi. Di fronte a una serie abbagliante di modelli di prodotti sul mercato, la selezione della giusta risoluzione della riluttanza è diventata un'abilità necessaria per gli ingegneri. Questo articolo fornirà un'analisi approfondita dei punti di selezione chiave per i risolutori di riluttanza, concentrandosi sui due parametri critici della dimensione e del conteggio delle coppie di pole , aiutandoti a comprendere il loro impatto sulle prestazioni e su come fare la scelta migliore in base allo scenario dell'applicazione. Dai design ultrasoliti alle configurazioni ad alto contenuto di coppie pole, dall'adattabilità alla temperatura alla resistenza agli shock, introdurremo sistematicamente vari fattori da considerare durante il processo di selezione e forniremo casi di applicazione tipici per aiutarti a trovare la soluzione più adatta tra la complessa array di modelli di prodotto.
Panoramica e principio di lavoro dei risolutori di riluttanza
Un resolver di riluttanza è un sensore angolo non contatto basato sull'effetto magneto-resistivo. Converte gli angoli di rotazione meccanica in uscite del segnale elettrico attraverso il principio dell'accoppiamento elettromagnetico. Rispetto ai tradizionali risolutori delle ferite, i risolutri di riluttanza sono sempre più favoriti nelle moderne applicazioni industriali a causa della loro semplice struttura , elevata affidabilità e vantaggi in termini di costi . Questi sensori possono funzionare stabilmente in un ampio intervallo di temperatura da -55 ° C a +155 ° C, presentano elevati valutazioni di protezione, resistere a vibrazioni e shock, ottenere velocità massime fino a 60.000 giri / min e offrire un'affidabilità estremamente elevata a causa della mancanza di avvolgimenti del loro rotore.
Il principio di lavoro di base di un risolutore di riluttanza comporta l'uso della rotazione relativa tra il rotore e lo statore per cambiare la riluttanza magnetica del circuito magnetico, inducendo così segnali di tensione relativi all'angolo di rotazione negli avvolgimenti secondari. Quando una corrente di eccitazione CA (in genere 7V, 10kHz) viene applicata all'avvolgimento primario, viene stabilito un campo magnetico alternato nel gap d'aria. La struttura del polo saliente del rotore ruota con l'albero, causando cambiamenti periodici nella riluttanza magnetica, che a sua volta genera due segnali sinusoidali e coseno con una differenza di fase di 90 ° negli avvolgimenti secondari. Decodificando il rapporto di ampiezza o la relazione di fase di questi due segnali, la posizione angolare assoluta del rotore può essere determinata con precisione.
I vantaggi fondamentali dei risolutori di riluttanza si trovano nelle loro caratteristiche di rilevamento senza contatto , che elimina i problemi di usura del pennello ed estende in modo significativo la durata di servizio; Allo stesso tempo, forniscono un rilevamento assoluto di posizione , eliminando la necessità di rialzo dopo la perdita di potenza; Inoltre, la loro elevata capacità di risposta dinamica (fino a 10kHz o più) li rende 非常适合 (molto adatti - ideali) per scenari di controllo del movimento ad alta velocità. Queste caratteristiche rendono i risolutri di riluttanza una scelta ideale per applicazioni come servi sistemi, giunti di robot e motori di trazione elettrica per veicoli.
Fattori chiave nella selezione delle dimensioni
La selezione delle dimensioni per i risolutori di riluttanza è la considerazione principale nel processo di selezione, che influenza direttamente il layout spaziale dell'apparecchiatura e la compatibilità meccanica . La domanda di miniaturizzazione del sensore nelle moderne applicazioni industriali è in crescita, specialmente in scenari limitati dallo spazio come giunti robot e motori per veicoli elettrici, dove i design compatti ultrasottili spesso diventano una necessità.
Dimensioni e metodi di montaggio
I parametri di dimensione dei risolutori di riluttanza includono principalmente il diametro esterno, il diametro del foro interno e la lunghezza assiale. Le serie comuni sul mercato, come la serie 52, la serie 132 e la serie 215, rappresentano specifiche di dimensioni diverse . I seguenti fattori richiedono una considerazione completa durante la selezione:
· Spazio di montaggio : misurare le dimensioni tridimensionali dello spazio disponibile per garantire che il risolutore possa essere installato senza intoppi senza interferire con altri componenti. Applicazioni come i giunti robot richiedono spesso risolutori ultra-piccoli con diametri inferiori a 60 mm.
· Abbinamento del diametro dell'albero : il diametro del foro interno del resolver deve abbinare con precisione l'albero del motore o dell'attrezzatura. Il foro troppo grande provoca un montaggio instabile, mentre troppo piccolo impedisce l'assemblaggio. I prodotti standard di solito offrono più opzioni di fori e possono anche supportare la personalizzazione.
· Lunghezza assiale : nelle applicazioni con restrizioni di altezza (ad es. Motori piatti), devono essere scelti modelli con lunghezze assiali brevi. Alcuni risolutori progettati ultra-sottili possono avere un'altezza assiale controllata entro 15 mm.
· Interfaccia di montaggio : conferma se il tipo di flangia di montaggio del risolutore (ad es. Pianificazione pilota, fissaggio del foro filettato) è compatibile con la macchina host. Le interfacce incompatibili portano alla necessità di adattatori aggiuntivi, aumentando la complessità e i costi del sistema.
Considerazioni per l'adattabilità ambientale
La selezione delle dimensioni deve anche essere valutata in modo completo insieme ai requisiti speciali dell'ambiente di lavoro. Diversi scenari di applicazione hanno standard diversi per l'adattabilità ambientale del resolver:
· Intervallo di temperatura : i risolutri di riluttanza standard supportano in genere un intervallo di temperatura operativo da -55 ° C a +155 ° C, sufficiente per la stragrande maggioranza delle applicazioni industriali. Tuttavia, in ambienti estremi (ad es. Attrezzature aerospaziali o profonde), possono essere richiesti materiali o design speciali.
· Valutazione della protezione (IP) : scegliere una valutazione IP appropriata in base ai livelli di polvere e umidità nell'ambiente di applicazione. Gli ambienti polverosi come i macchinari tessili richiedono spesso IP54 o superiore, mentre le applicazioni automobilistiche possono richiedere IP67.
· Resistenza alle vibrazioni : per occasioni con vibrazioni forti, come macchinari di costruzione o aerospaziale, devono essere selezionati modelli con strutture rinforzate.
· Capacità di velocità : la velocità massima tipica per i risolutori di riluttanza è di 60.000 giri / min, ma l'impatto della forza centrifuga sulla struttura deve essere considerato in applicazioni pratiche. I modelli che hanno subito un bilanciamento dinamico devono essere selezionati per scenari ad alta velocità.
Considerazioni su dimensioni per scenari di applicazione speciali
Alcune applicazioni speciali hanno requisiti unici per le dimensioni del risolutore, che richiedono particolare attenzione:
· Applicazioni di montaggio interne : quando il risolutore deve essere costruito all'interno del motore, lo spazio disponibile deve essere misurato con precisione e l'impatto della dissipazione del calore considerato. Le strutture interne utilizzano spesso design senza cornice per ridurre al minimo le dimensioni assiali.
· Le articolazioni dei robot umanoidi : le articolazioni dei robot umanoidi hanno spazio estremamente limitato e richiedono un controllo ad alta precisione. I fornitori come il rilevamento di Huaxuan hanno sviluppato specificamente risolutori di piccole dimensioni adattati per giunti robot, riducendo significativamente il volume mantenendo le prestazioni.
· Sistemi di trasmissione elettronica automobilistica : i risolutori del motore di trazione per nuovi veicoli energetici devono resistere a temperature elevate e ambienti ad alte vibrazioni, soddisfacendo gli standard di affidabilità di livello automobilistico. Tali applicazioni richiedono spesso progetti compatti personalizzati.
Selezione di coppie di palo e impatto sulle prestazioni
Il conteggio delle coppie pole è uno dei parametri fondamentali di un risolutore di riluttanza, che influenza direttamente l' della risoluzione angolare del sensore , accuratezza e le caratteristiche elettriche . Il conteggio delle coppie di palo si riferisce al numero di coppie di pole magnetiche sul rotore del resolver, determinando il numero di cicli elettrici che uscivano per rivoluzione. Le configurazioni di coppia di poti comuni per i risolutori di riluttanza sul mercato includono coppia a 2 poli, coppia a 3 poli, coppia a 4 poli e coppia a 12 poli, ecc.
Relazione tra coppie di pole e risoluzione angolare
Esiste una correlazione diretta tra il conteggio delle coppie pole e la risoluzione angolare del resolver. Teoricamente, un risolutore di coppia di n-poli può ingrandire l'angolo meccanico di un fattore di N per la misurazione, migliorando così la risoluzione angolare elettrica. La relazione specifica è:
· Angolo elettrico = angolo meccanico × Conteggio delle coppie pole
· Fattore di miglioramento della risoluzione angolare = conteggio delle coppie pola
Ad esempio, un risolutore di coppie a 4 poli ingrandisce l'angolo meccanico di 4 volte, il che significa che lo stesso sistema di misurazione elettrica può ottenere una risoluzione efficace maggiore . Per le applicazioni che richiedono un rilevamento della posizione ad alta precisione, come macchine utensili a CNC o giunti di robot di precisione, la scelta di un resolver con un numero di coppie pole più elevato può migliorare significativamente l'accuratezza del controllo del sistema.
Tuttavia, l'aumento del conteggio delle coppie pole porta anche alcune sfide tecniche :
· Aumento della complessità di elaborazione del segnale, che richiede circuiti di decodifica ad alte prestazioni.
· Segnali di frequenza più elevati sono più suscettibili alle interferenze del rumore.
· Requisiti di precisione di lavorazione meccanica più elevati, aumento dei costi di produzione.
· La velocità massima può essere limitata (a causa dell'aumento delle perdite di ferro).
Scenari di applicazione tipici per diverse coppie di palo
La scelta del conteggio delle coppie pole varia in modo significativo in base alle diverse esigenze di precisione e velocità:
· Risolvi di coppia a 2 poli : adatto per applicazioni che non richiedono un'alta risoluzione ma richiedono un'alta velocità , come alcune pompe o ventole industriali. Questi risolutori hanno una struttura semplice, un costo inferiore e possono raggiungere una velocità massima di 60.000 giri / min.
· Risolvi di coppia a 4 poli : una scelta per lo scopo generale, bilanciamento e requisiti di velocità, ampiamente utilizzati in macchinari tessili, camme elettroniche, macchine per stampaggio a iniezione e macchine utensili a CNC.
· Risolvi di coppia a 12 poli : fornire una risoluzione angolare più elevata , adatta a sistemi di servo di precisione, attrezzature militari e attrezzature di automazione industriale di fascia alta. La variazione del segnale elettrico per angolo meccanico è più significativa per questi risolutori, il che aiuta a migliorare l'accuratezza del controllo.
· Risolvi di coppia polare ultra-alta : alcune applicazioni speciali (ad es. Strumenti astronomici, apparecchiature di misurazione di precisione) possono richiedere configurazioni di 16 coppie di pole o anche più alte, di solito che necessitano di progettazione personalizzata per bilanciare la risoluzione e l'integrità del segnale.
Considerazione collaborativa delle coppie di pole con altri parametri
La selezione del conteggio delle coppie di pole non può essere eseguita in modo isolato; Deve essere valutato in modo collaborativo con altri parametri del risolutore:
· Frequenza di eccitazione : la frequenza di eccitazione nominale per la maggior parte dei risolutori di riluttanza è di 10kHz. Quando il conteggio delle coppie di poti aumenta, la frequenza del segnale di uscita aumenta proporzionalmente (frequenza di uscita = coppie di polo × rpm). Deve essere assicurato che ciò non supera la capacità di elaborazione del convertitore (RDC) del risolutore (RDC).
· Indicatori di accuratezza : i risolutori con conteggi di polo più elevati hanno spesso una maggiore precisione nominale (ad es. ± 30 minuti arc-mini contro ± 60 minuti arc-minuti).
· Shipasso di fase : le caratteristiche di sfasamento differiscono per i risolutori con diverse coppie di pole, il che può influire sulla strategia di compensazione del sistema di controllo.
· Impedenza di input : la modifica del conteggio delle coppie di poti influisce sui parametri elettrici degli avvolgimenti.
Campo di automazione industriale
Nelle attrezzature di automazione industriale, i risolutori di riluttanza intraprendono principalmente le funzioni di feedback e rilevamento della velocità , fungendo da componenti di base dei sistemi servi:
· Machine Tool CNC : la lavorazione ad alta precisione richiede risolutori con una risoluzione angolare elevata e accuratezza di posizionamento ripetibile. Vengono in genere scelti modelli con 4 coppie di pole o più. Le considerazioni dimensionali comportano l'integrazione con il servo motore, in cui sono spesso preferiti i progetti ultrasottili.
· Machine di stampaggio a iniezione : queste applicazioni comportano alte temperature e vibrazioni ambiente, che richiedono risolutori con una buona resistenza alla temperatura e resistenza alle vibrazioni . I modelli con coppie di pole medi (2-4) colpiscono un equilibrio tra accuratezza e costo e di solito sono richiesti un punteggio di protezione di IP54 o superiore.
· CAM elettroniche : i sistemi a camme elettroniche, che sostituiscono le camme meccaniche, si basano sull'elevato rilevamento della posizione di risposta dinamica. La caratteristica senza ritardi dei risolutori di riluttanza li rende una scelta ideale, in genere utilizzando una configurazione di coppia a 4 poli per una buona capacità di controllo della curva di movimento. Le dimensioni devono essere personalizzate in base ai vincoli spaziali del meccanismo CAM.
Nuovo campo di veicoli energetici
I sistemi di azionamento elettrico dei veicoli elettrici e ibridi pongono rigorose richieste sui risolutori, guidando il rapido sviluppo della tecnologia del risolutore di riluttanza:
· Motori di trazione : come sensori di base nei veicoli elettrici, i risolutori del motore di trazione devono resistere a temperature elevate e ambienti ad alte vibrazioni, soddisfacendo gli standard di affidabilità di livello automobilistico. La serie 132 (coppia a 4 poli) e 52 sono ampiamente utilizzate dai nuovi produttori di veicoli energetici domestici. Il loro intervallo di temperatura operativa da -55 ° C a +155 ° C e capacità di velocità di 60.000 giri / min soddisfa completamente i requisiti di azionamento automobilistico.
· Motors servosterzo (EPS) : i sistemi di sterzo hanno requisiti di sicurezza estremamente elevati. Il design a doppia ridondanza fornisce una soluzione ideale per tali applicazioni. Questo design consente la passaggio automatico a un avvolgimento di backup se l'avvolgimento primario fallisce, garantendo il funzionamento continuo del sistema. I design compatti sono in genere utilizzati per adattarsi allo spazio di installazione limitato.
· Pompe di raffreddamento a batteria : questi sistemi ausiliari sono sensibili ai costi ma hanno requisiti di precisione relativamente bassi. I risolutori di riluttanza di coppia a 2 poli sono una scelta comune grazie alla loro elevata efficacia in termini di costi e la loro semplice struttura migliora anche l'affidabilità negli ambienti fluidi.
Robot umanoidi e applicazioni speciali
Negli ultimi anni, con scoperte nella tecnologia robot bionica , i risolutori di riluttanza hanno trovato importanti scenari di applicazione in questo campo emergente:
· Rilevamento della posizione articolare : le articolazioni dei robot umanoidi richiedono una precisione di posizione estremamente elevata e una risposta dinamica. I fornitori stanno migrando la tecnologia del risolutore automobilistico nel campo della robotica, sviluppando modelli specializzati di coppie ad alto polo ad alto contenuto di dimensioni. Questi risolutori possono fornire un feedback angolare in tempo reale e accurato quando i robot eseguono movimenti impegnativi come il salto o il rotolamento.
· Controllo della forza e monitoraggio della sicurezza : nei robot collaborativi (COBOT), i risolutori non solo forniscono informazioni sulla posizione, ma lavorano anche con sensori di forza per ottenere il controllo della sicurezza . Monitorando le variazioni della posizione articolare in tempo reale, il sistema può identificare rapidamente carichi o collisioni anormali e innescare un meccanismo di arresto della sicurezza. Tali applicazioni in genere richiedono configurazioni al di sopra di 4 coppie di pole per una sensibilità sufficiente.
· Spazio e robot speciali : i robot in ambienti estremi, come manipolatori di veicoli spaziali o attrezzature per esplorazione in acque profonde, richiedono risolutori appositamente progettati. Oltre alle considerazioni 常规 (convenzionale - standard) di dimensioni e coppia di pole, è necessario prestare attenzione a proprietà dei materiali come la resistenza alle radiazioni e la resistenza alla pressione. Queste applicazioni richiedono spesso soluzioni completamente personalizzate.
Processo di selezione e idee sbagliate comuni
La selezione di una risoluzione di riluttanza è un compito tecnico che richiede un pensiero sistematico e una valutazione completa . Un processo di selezione ragionevole può evitare molti problemi nelle applicazioni successive. Allo stesso tempo, la comprensione di idee sbagliate comuni aiuta gli ingegneri a evitare insidie e fare più scelte scientifiche. Dalla definizione dei requisiti ai test di verifica, ogni passaggio richiede una rigorosa attenzione per garantire che il risolutore selezionato raggiunga il saldo ottimale tra prestazioni, affidabilità e costo.
Processo di selezione sistematica
Un processo di selezione del risolutore di riluttanza completa include in genere i seguenti passaggi chiave:
1. Analisi dei requisiti dell'applicazione
Definire le condizioni di montaggio meccanico (spazio, diametro dell'albero, interfaccia)
Determinare i parametri di movimento (intervallo di velocità, accelerazione)
Valuta le condizioni ambientali (temperatura, umidità, vibrazione, EMI)
Definire i requisiti di accuratezza (risoluzione, linearità, ripetibilità)
Prendi in considerazione le esigenze di sicurezza e ridondanza (ad es. Per applicazioni automobilistiche e aerospaziali)
2. Screening dei parametri preliminari
Determinare l'intervallo di dimensioni in base ai vincoli di spazio (diametro esterno, lunghezza)
Seleziona il conteggio delle coppie di pole in base ai requisiti di velocità e precisione
Considera la compatibilità dell'interfaccia elettrica (tensione di eccitazione, tipo di segnale)
Valutare la valutazione della protezione e i requisiti del materiale
3. Valutazione del fornitore e della soluzione tecnica
Confronta i parametri del prodotto standard e le capacità di personalizzazione dei diversi produttori
Esamina la completezza della documentazione tecnica (disegni, specifiche, certificazioni)
Verifica la stabilità della catena di approvvigionamento e i tempi di consegna
Valuta il costo e il rapporto costo-efficacia
4. Test e verifica del campione
Controllo della compatibilità meccanica (dimensioni, montaggio)
Test delle prestazioni elettriche (qualità del segnale, precisione)
Verifica di adattabilità ambientale (temperatura, umidità, vibrazione)
Valutazione della vita e dell'affidabilità
5. Decisione finale e approvvigionamento di volume
Determina il modello finale in base ai risultati completi dei test
Conferma le misure per la coerenza della qualità dell'offerta batch
Stabilire canali di supporto tecnico a lungo termine
Idee sbagliate comuni nella selezione delle dimensioni
Durante il processo di selezione delle dimensioni per i risolutori di riluttanza, gli ingegneri possono facilmente cadere nelle seguenti idee sbagliate:
· Ignorare tolleranze di montaggio : considerando solo la corrispondenza delle dimensioni teoriche ignorando le tolleranze di lavorazione effettive, portando a difficoltà di installazione. Si consiglia di riservare un'adeguata autorizzazione dell'assemblaggio e considerare gli effetti dell'espansione termica.
· Eccessivamente-pursuuito della miniaturizzazione : mentre i disegni ultrasottili risparmiano spazio, possono sacrificare la resistenza strutturale e le prestazioni di dissipazione del calore . Il costo della riduzione delle dimensioni deve essere accuratamente valutato in applicazioni ad alta velocità o ad alta temperatura.
· Trascurare la manutenzione futura : la scelta di metodi di montaggio eccessivamente compatto può aumentare la difficoltà nella successiva manutenzione. La comodità dell'installazione iniziale dovrebbe essere valutata rispetto al costo totale di manutenzione del ciclo di vita.
· Standardizzazione dell'interfaccia insufficiente : l'uso di interfacce non standard aumenta la complessità del sistema e la difficoltà di gestione dei pezzi di ricambio. Prova a scegliere interfacce standard del settore o almeno standardizza all'interno dell'Enterprise.
Idee sbagliate comuni nella selezione delle coppie di pole
Esistono anche idee sbagliate tipiche nella selezione di coppie pole, che richiedono particolare attenzione:
· Inseguimento cieco di coppie ad alto polo : credere che le coppie di pole più elevate siano sempre migliori. In realtà, le coppie ad alto polo aumentano la difficoltà di elaborazione del segnale e i costi, con conseguenti rifiuti in applicazioni che non richiedono una precisione estremamente elevata.
· Ignorare i limiti di velocità : l'aumento delle coppie di pole aumenta la frequenza del segnale di uscita, che può superare la capacità di elaborazione del convertitore resolver-digitale. Assicurarsi che l'elettronica del sistema possa supportare la frequenza del segnale alla velocità massima per il conteggio delle coppie pole selezionato.
· Effetti di temperatura trascurati : le caratteristiche di temperatura dei risolutori con diverse coppie di poti possono differire; L'attenuazione del segnale nei modelli ad alto contenuto di pole potrebbe essere più pronunciata in ambienti ad alta temperatura. La coerenza delle prestazioni nell'intervallo di temperatura intera necessita di verifica.
· Ignorevole compatibilità del sistema : la modifica del conteggio delle coppie di pole può richiedere le regolazioni per controllare i parametri del sistema (ad es. Impostazioni del filtro, algoritmi di compensazione); Altrimenti, potrebbe portare a degradazione delle prestazioni o addirittura instabilità.
Altre considerazioni globali
Oltre ai due parametri fondamentali della dimensione e del conteggio delle coppie di pole, la selezione del risolutore di riluttanza deve anche considerare in modo completo i seguenti fattori:
· Matching dei parametri elettrici : tensione di eccitazione (in genere 7 V CA), frequenza (comunemente 10kHz), impedenza di ingresso, ecc., Devono essere compatibili con il sistema esistente. I disallineamenti possono portare a una qualità del segnale degradata o alla necessità di circuiti di interfaccia aggiuntivi.
· Adattabilità ambientale : scegli i gradi di temperatura appropriati (industriale -20 ~ 85 ° C, automobilistico -40 ~ 125 ° C, militari -55 ~ 155 ° C), valutazioni di protezione (IP54, IP67, ecc.) E materiali (ad es., Rivestimento resistente alla corrosione) basati sull'ambiente dell'applicazione.
· Standard e certificazioni : diverse industrie hanno requisiti di certificazione specifici (ad es. AEC-Q200 per la marcatura automobilistica, CE per le attrezzature industriali). La mancanza di certificazioni necessarie può impedire al prodotto di entrare nel mercato target.
· Supporto tecnico dei fornitori : un buon fornitore può non solo fornire prodotti, ma anche servizi a valore aggiunto come del supporto di selezione , i servizi di personalizzazione e analisi dei fallimenti.
Strumenti di supporto alle decisioni di selezione
Per aiutare le decisioni di selezione, gli ingegneri possono utilizzare i seguenti strumenti e metodi:
· Tabella di confronto dei parametri : elencare e confrontare i parametri chiave (dimensioni, coppie di pole, accuratezza, intervallo di temperatura, ecc.) Di modelli candidati, utilizzando il punteggio ponderato.
· Verifica della simulazione : utilizzare strumenti come MATLAB/SIMULINK per simulare le prestazioni del resolver nel sistema target e prevedere potenziali problemi.
· Modello di analisi dei costi : considerare non solo i costi di approvvigionamento, ma anche i costi totali del ciclo di vita tra cui installazione, manutenzione, pezzi di ricambio e potenziali perdite di tempo libero.
· Piattaforma di test prototipo : impostare un ambiente di test rappresentativo per convalidare i modelli candidati in condizioni operative effettive, raccogliendo dati sulle prestazioni per supportare la decisione finale.
Con i progressi tecnologici, i processi di progettazione e produzione dei risolutori di riluttanza continuano a innovare. Non esiste una scelta migliore 'unica per tutti ', solo la soluzione più adatta per l'applicazione specifica. Seguendo un processo di selezione sistematica, evitando idee sbagliate comuni e considerando in modo completo. Fattori tecnici, di costo e della catena di approvvigionamento, è possibile selezionare il risolutore di riluttanza più appropriato per il tuo progetto.
