현대 산업 자동화 및 정밀 기계 제어에서는 정확한 회전 위치 감지가 매우 중요합니다. 그만큼 릴럭턴스 리졸버는 서보 모터, 로봇 공학 및 정밀한 위치 결정이 필요한 기타 응용 분야에 널리 사용되는 신뢰성이 높은 센서입니다. 일반적으로 리졸버라고 불리는 이 기사에서는 리졸버의 작동 원리와 회전 위치 지정을 달성하는 방법을 간략하게 소개합니다.
리졸버는 전자기 유도 원리를 기반으로 하는 아날로그 센서로 회전자의 기계적 각도를 전기 신호로 변환할 수 있습니다. 광학 인코더와 같은 디지털 센서와 달리 리졸버는 회전 위치 정보에 대한 지속적인 아날로그 신호를 제공하여 특히 열악한 환경에서 뛰어난 간섭 방지 기능과 신뢰성을 제공합니다.
릴럭턴스 리졸버의 핵심 구조 및 작동 원리
릴럭턴스 리졸버가 어떻게 정확한 회전 포지셔닝을 달성하는지 이해하려면 고유한 물리적 구조를 조사하는 것이 필수적입니다. 이러한 센서의 독창적인 디자인은 고성능의 기초를 형성하고 전자기 유도 원리의 실제 적용을 보여줍니다.
혁신적인 구조 설계
릴럭턴스 리졸버의 구조는 고정자 코어 , , 로터 코어 , 권선 시스템 의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다 . 고정자 코어는 고투자율 실리콘 강판으로 적층되어 있으며, 내부 둘레에 큰 치형(폴슈)이 펀칭되어 있으며, 각각은 균일한 간격의 작은 치형으로 나누어져 있습니다. 이 작은 톱니의 배열과 모양은 이상적인 정현파 자기장 분포를 보장하기 위해 꼼꼼하게 계산되었습니다. 로터는 더 간단하며 권선이나 전자 부품 없이 톱니형 실리콘 강철 적층으로만 만들어졌습니다. 이 '수동' 설계는 리졸버의 높은 신뢰성의 핵심입니다.
권선 시스템은 전체적으로 고정자에 위치하며 여자 권선 과 두 개의 직교 출력 권선 (사인 권선 및 코사인 권선)을 포함합니다. 이러한 권선은 출력 신호의 정현파 특성을 보장하기 위해 정현파 패턴에 따라 집중 및 분포됩니다. 특히, 출력 권선은 교대 및 역직렬 구성으로 배열되어 고조파 간섭을 효과적으로 억제하고 신호 순도를 향상시킵니다.
릴럭턴스 변화에 따른 포지셔닝 원리
릴럭턴스 리졸버의 작동 원리는 에어 갭 자기 전도도 변조를 중심으로 진행됩니다 . 정현파 AC 전압(일반적으로 1~10kHz에서 7V)이 여자 권선에 적용되면 고정자에 교류 자기장이 생성됩니다. 이 자기장은 에어 갭을 통해 로터로 전달됩니다. 회전자 톱니의 존재로 인해 자기 회로의 자기 저항(자기 전도도의 역수)은 회전자의 위치에 따라 주기적으로 변합니다.
구체적으로, 회전자 톱니가 고정자 톱니와 정렬되면 저항이 최소화되고 자속이 최대화됩니다. 반대로, 회전자 슬롯이 고정자 톱니와 정렬되면 자기저항은 최대화되고 자속은 최소화됩니다. 각 톱니 피치에 대해 로터가 회전하고 에어 갭 자기 전도도가 전체 변화 주기를 완료합니다. 여기 자기장의 이러한 변조는 출력 권선에 전압 신호를 유도하며, 그 진폭은 회전자의 각도 위치와 상관됩니다.
수학적으로 여자 전압이 e₁=E₁msinΩt인 경우 두 출력 권선의 전압은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
· 사인 권선 출력: eₛ=EₛₘcosθsinΩt
· 코사인 권선 출력: e_c=E_cmsinθsinΩt
여기서 θ는 회전자의 기계적 각도를 나타내고, Ω는 여자신호의 각주파수를 나타낸다. 이상적으로 Eₛₘ 및 E_cm은 동일해야 하지만 제조 공차로 인해 진폭 오류가 발생할 수 있으며 교정 또는 회로 보상이 필요합니다.
극 쌍 및 측정 정확도
릴럭턴스 리졸버의 극쌍 은 측정 정확도와 분해능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다. 극 쌍의 수는 회전자 톱니 수에 해당하며 완전한 전기 신호 사이클에 필요한 기계적 회전 각도를 결정합니다. 예를 들어, 4극 쌍이 있는 리졸버는 기계 회전당 4개의 전기 신호 사이클을 생성하여 측정을 위해 기계 각도를 4배로 효과적으로 '증폭'합니다.
시중에 나와 있는 일반적인 릴럭턴스 리졸버의 범위는 1~12극 쌍입니다. 극 수가 많을수록 이론적으로 더 높은 각도 분해능이 가능하며 12극 리졸버는 ±0.1° 이상의 정확도를 달성합니다. 그러나 극 쌍을 늘리면 신호 처리 복잡성도 증가하므로 애플리케이션 요구 사항에 따라 절충이 필요합니다.
자기저항 변화와 전자기 유도를 기반으로 하는 이 각도 측정 방법을 사용하면 자기저항 리졸버가 최대 IP67 이상의 보호 등급으로 넓은 온도 범위(-55°C ~ +155°C)에서 안정적으로 작동할 수 있습니다. 강한 진동과 충격을 견딜 수 있어 자동차, 항공우주, 군사 응용 분야와 같은 까다로운 환경에 이상적입니다.
신호 처리 및 각도 계산 기술
릴럭턴스 리졸버에서 출력되는 아날로그 신호를 사용 가능한 디지털 각도 정보로 변환하려면 특수 처리 회로가 필요합니다. 이 프로세스에는 리졸버 시스템에서 고정밀 포지셔닝을 달성하는 데 중요한 복잡한 신호 조절 및 디코딩 알고리즘이 포함됩니다.
아날로그 신호에서 디지털 각도로
릴럭턴스 리졸버의 원시 신호는 회전자 각도에 따라 변조된 두 개의 사인파(sinθsinΩt 및 cosθsinΩt)입니다. 각도 정보 θ를 추출하는 데는 여러 처리 단계가 포함됩니다. 첫째, 신호는 대역통과 필터링을 거쳐 고주파 잡음과 저주파 간섭을 제거합니다. 다음으로, 위상 감지 복조 (또는 동기식 복조)를 통해 반송파 주파수(일반적으로 10kHz)를 제거하여 각도 정보가 포함된 저주파 신호 sinθ 및 cosθ를 생성합니다.
최신 디코딩 시스템은 일반적으로 각도 계산을 위해 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 전용 리졸버-디지털 변환기(RDC)를 사용합니다. 이러한 프로세서는 CORDIC(좌표 회전 디지털 컴퓨터) 알고리즘 또는 아크탄젠트 연산을 사용하여 sinθ 및 cosθ 신호를 디지털 각도 값으로 변환합니다. 예를 들어, dsPIC30F3013 마이크로컨트롤러에는 두 신호의 동기식 샘플링을 위한 내장형 ADC 모듈과 정확한 각도를 계산하는 소프트웨어 알고리즘이 있습니다.
오류 보상 및 정확도 향상
실제 응용 분야에서는 다음을 포함한 다양한 요인으로 인해 측정 오류가 발생할 수 있습니다.
· 진폭 불균형:
사인 및 코사인 출력 신호의 진폭이 동일하지 않음(Eₛₘ≠E_cm)
· 위상 편차:
두 신호 간의 비이상적인 90° 위상차
· 고조파 왜곡:
비정현파 자기장 분포로 인한 신호 왜곡
· 직교오차 :
권선의 부정확한 설치로 인한 각도편차
시스템 정확도를 향상시키기 위해 고급 디코딩 회로는 다양한 보상 기술을 사용합니다. 예를 들어 자동 이득 제어(AGC) 회로는 두 신호의 진폭 균형을 맞추고, 디지털 필터는 고조파 간섭을 억제하며, 소프트웨어 알고리즘은 오류 보상 조건을 통합합니다. 세심한 설계와 보정을 통해 리졸버 시스템은 ±0.1° 이내의 각도 오류를 달성할 수 있어 대부분의 고정밀 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다.
새로운 디코딩 기술의 동향
반도체 기술의 발전은 리졸버 신호 처리 분야의 혁신을 주도하고 있습니다. 기존의 개별 부품 복조 회로는 점차 통합 솔루션 으로 대체되고 있습니다 . 일부 새로운 디코더 칩에는 여기 신호 발생기, 신호 조정 회로 및 디지털 계산 장치가 통합되어 시스템 설계가 크게 단순화됩니다.
한편, 소프트웨어 정의 디코딩 이 인기를 얻고 있습니다. 이 접근 방식은 고성능 마이크로프로세서의 계산 능력을 활용하여 대부분의 신호 처리 기능을 소프트웨어로 구현함으로써 더 뛰어난 유연성과 프로그래밍 가능성을 제공합니다. 예를 들어 필터 매개변수, 보상 알고리즘 또는 출력 데이터 형식까지 맞춤형 각도 측정 솔루션에 맞게 조정할 수 있습니다.
디코딩 시스템이 리졸버 자체만큼 중요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 잘 설계된 디코딩 회로는 리졸버의 성능 잠재력을 완전히 실현할 수 있는 반면, 품질이 낮은 디코딩 솔루션은 전체 측정 시스템의 병목 현상이 될 수 있습니다. 따라서 리졸버 솔루션을 선택할 때 센서와 디코더 간의 호환성을 신중하게 고려해야 합니다.
릴럭턴스 리졸버의 성능 이점 및 응용 분야
고유한 작동 원리와 구조 설계 덕분에 릴럭턴스 리졸버는 여러 주요 성능 지표에서 기존 위치 센서보다 성능이 뛰어납니다. 이러한 장점으로 인해 많은 까다로운 산업 응용 분야에서 각도 감지를 위해 선호되는 선택이 되었습니다.
기존 센서에 비해 포괄적인 성능 우수성
광학 인코더 및 홀 센서와 같은 기존 위치 감지 장치에 비해 릴럭턴스 리졸버는 전반적인 성능 이점을 제공합니다.
· 탁월한 환경 적응성:
최대 IP67 이상의 보호 등급으로 -55°C ~ +155°C 범위의 온도에서 안정적으로 작동하며 강한 진동과 충격(예: 자동차 엔진실과 같은 가혹한 환경)을 견딜 수 있습니다.
· 비접촉식 긴 수명:
로터에 권선이나 브러시가 없기 때문에 기계적 마모가 없어 이론상 수만 시간의 수명이 가능합니다.
· 초고속 응답:
대부분의 광학 인코더의 한계를 훨씬 뛰어넘는 최대 60,000RPM의 속도를 지원합니다.
· 절대 위치 측정:
기준점 없이 절대 각도 정보를 제공하며 전원을 켜는 즉시 위치 데이터를 제공합니다.
· 강력한 간섭 방지 기능:
전자기 유도를 기반으로 먼지, 기름, 습기 및 외부 자기장에 민감하지 않습니다.
신에너지 차량의 핵심 애플리케이션
신에너지 자동차 산업에서 릴럭턴스 리졸버는 되었습니다 . 표준이 모터 위치 감지의 이 제품은 배터리 전기 자동차(BEV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 구동 모터 제어 시스템에 널리 사용되며 다음과 같은 주요 기능을 제공합니다.
· 회전자 위치 감지:
PMSM(영구자석 동기 모터)의 벡터 제어를 위한 정확한 회전자 각도 정보를 제공합니다.
· 속도 측정:
각도 변화율로부터 모터 속도를 계산하여 폐쇄 루프 속도 제어를 가능하게 합니다.
· 전자식 파워 스티어링(EPS):
스티어링 휠 각도를 감지하여 정확한 조향 지원을 제공합니다.
산업 자동화 및 특수 애플리케이션
자동차 부문 외에도 릴럭턴스 리졸버는 산업 자동화에도 널리 사용됩니다.
· CNC 공작 기계:
스핀들 위치 지정 및 피드 축 각도 측정.
· 로봇 관절:
로봇 팔 움직임을 정밀하게 제어합니다.
· 섬유 기계:
원사 장력 제어 및 감기 각도 감지.
· 사출 성형 기계:
나사 위치 모니터링 및 제어.
· 군사 및 항공우주:
레이더 안테나 포지셔닝, 미사일 방향타 제어 및 기타 극한 환경 응용 분야.
고속철도 및 철도 운송에서 릴럭턴스 리졸버는 트랙션 모터 속도 및 위치 감지에 사용되며, 높은 신뢰성과 유지 관리가 필요 없는 기능으로 수명주기 비용을 크게 절감합니다. 광산 기계(예: 지하 석탄 운송 차량 및 컨베이어 벨트 모터)와 같은 혹독한 환경에서는 기존 센서를 대체하기 위해 릴럭턴스 리졸버를 채택하는 경우가 점점 늘어나고 있습니다.
인더스트리 4.0과 스마트 제조의 출현으로 릴럭턴스 리졸버는 더 높은 정밀도, 더 작은 크기, 더 뛰어난 지능을 향해 진화하고 있습니다. 차세대 제품은 통합 모터-기어박스-구동 설계와의 호환성뿐만 아니라 오일 냉각 시스템의 요구 사항을 충족하기 위한 내유성 및 고온 내성 변형 개발에 중점을 둘 것입니다. 또한, 무선 전송 및 자가 진단 기능이 향후 트렌드로 자리잡아 활용 범위가 더욱 확대될 것으로 예상됩니다.
릴럭턴스 리졸버의 기술적 과제와 향후 동향
다양한 분야에서 뛰어난 성능과 신뢰성을 갖고 있음에도 불구하고 릴럭턴스 리졸버는 여전히 기술적 과제에 직면해 있으며 명확한 혁신 방향을 제시하고 있습니다.
기존 기술 병목 현상 및 솔루션
높은 제조 정밀도 요구 사항 은 릴럭턴스 리졸버의 주요 과제입니다. 고정자 톱니의 가공 정확도, 권선 분포 균일성, 회전자 동적 균형은 센서 정확도와 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 다중 극 쌍(예: 12개 극 쌍)이 있는 고정밀 리졸버의 경우 미크론 수준의 제조 오류라도 허용할 수 없는 진폭 또는 위상 오류로 이어질 수 있습니다. 이 문제에 대한 해결 방법은 다음과 같습니다.
· 고정밀 스탬핑 금형 과 자동화된 라미네이션 공정을 채택하여 코어의 일관성과 톱니 슬롯 정확성을 보장합니다.
· 유한 요소 자기장 분석을 도입하여 자기 회로 설계를 최적화하고 제조 공차를 보상합니다.
· 신호 처리 중 고유한 센서 오류를 자동으로 수정하는 자체 보상 알고리즘을 개발합니다 .
또 다른 과제는 입니다 시스템 통합의 복잡성 . 리졸버 자체는 구조가 간단하지만 전체 측정 시스템에는 여기 전원 공급 장치, 신호 조절 회로, 디코딩 알고리즘과 같은 하위 시스템이 포함되어 있어 잘못 설계하면 병목 현상이 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 업계는 통합 솔루션을 향해 나아가고 있습니다 .
· 여기 발생기, 신호 조절 및 디코딩 회로를 단일 칩에 통합하여 시스템 설계를 단순화합니다.
· 메인 컨트롤러와의 원활한 통합을 위해 표준화된 인터페이스(예: SPI, CAN)를 개발합니다.
· 참조 설계, 소프트웨어 라이브러리 및 교정 도구를 포함한 포괄적인 개발 키트를 제공합니다.
혁신 방향과 미래 동향
재료 혁신은 릴럭턴스 리졸버에 성능 혁신을 가져올 것입니다. 3차원 등방성 자기 특성을 갖춘 새로운 연자성 복합재(SMC)는 자기장 분포를 최적화하고 고조파 왜곡을 줄일 수 있습니다. 한편, 고온 안정성 절연 재료와 부식 방지 코팅은 센서의 작동 환경 범위를 확장합니다.
지능은 미래의 릴럭턴스 해결자를 위한 또 다른 중요한 방향입니다. 마이크로프로세서와 통신 인터페이스를 통합함으로써 리졸버는 다음을 달성할 수 있습니다.
· 자가진단 기능 :
센서 상태 실시간 모니터링 및 남은 수명 예측.
· 적응형 보상:
환경 변화(예: 온도)에 따라 보상 매개변수를 자동으로 조정합니다.
·네트워크 인터페이스:
산업용 이더넷과 같은 고급 통신 프로토콜을 지원하여 산업용 IoT(IIoT) 시스템으로의 통합을 촉진합니다.
측면에서 응용 확대 릴럭턴스 리졸버는 더 높은 분해능과 신뢰성이 요구되는 고급 정밀 응용 분야 (예: 반도체 제조 장비, 의료 로봇)와 비용 절감을 위한 단순화된 설계 및 대량 생산을 통해 보다 경제적이고 광범위한 응용 분야 (예: 가전제품, 전동 공구)로 두 가지 방향으로 발전하고 있습니다.
특히 주목할 만한 추세는 차세대 신에너지 차량 에 릴럭턴스 리졸버를 적용하는 것입니다 . 모터 시스템이 더 빠른 속도와 통합을 향해 발전함에 따라 위치 센서는 더욱 까다로운 요구 사항을 충족해야 합니다.
· 20,000RPM을 초과하는 초고속을 지원합니다.
· 150°C 이상의 온도에 대한 내성.
· 오일 냉각 시스템 씰링 설계와 호환됩니다.
· 설치 크기가 작아지고 무게가 가벼워졌습니다.
표준화 및 산업화 진행
릴럭턴스 리졸버 기술이 성숙해짐에 따라 표준화 노력 도 진행되고 있습니다. 중국은 제품 성능 지표 및 테스트 방법을 규제하기 위해 같은 국가 표준을 제정했습니다 GB/T 31996-2015 리졸버 일반 기술 사양과 . 산업화 측면에서 중국의 릴럭턴스 리졸버 기술은 국제적인 선진 수준에 도달했습니다.
기술 진보와 산업화에 따라 릴럭턴스 리졸버는 더 많은 분야에서 기존 센서를 대체하여 회전 위치 감지를 위한 주류 솔루션이 되고 산업 자동화 및 신에너지 차량 개발을 위한 중요한 기술 지원을 제공할 것으로 예상됩니다.
