Dalam automasi perindustrian moden dan kawalan mekanikal ketepatan, pengesanan kedudukan putaran yang tepat adalah penting. The Resolver keengganan , yang biasanya dirujuk sebagai resolver, adalah sensor yang sangat dipercayai yang digunakan secara meluas dalam motor servo, robotik, dan aplikasi lain yang memerlukan kedudukan yang tepat. Artikel ini secara ringkas memperkenalkan prinsip -prinsip kerja resolvers dan bagaimana mereka mencapai kedudukan putaran.
Resolver adalah sensor analog berdasarkan prinsip induksi elektromagnet, yang mampu menukar sudut mekanikal pemutar ke dalam isyarat elektrik. Tidak seperti sensor digital seperti encoder optik, resolver memberikan isyarat analog berterusan untuk maklumat kedudukan putaran, yang menawarkan keupayaan anti-interference yang unggul dan kebolehpercayaan, terutama dalam persekitaran yang keras.
Struktur teras dan prinsip kerja penyelesaian keengganan
Untuk memahami bagaimana penjajahan keengganan mencapai kedudukan putaran yang tepat, adalah penting untuk menyelidiki struktur fizikal mereka yang unik. Reka bentuk sensor ini membentuk asas prestasi tinggi mereka dan mencontohkan aplikasi praktikal prinsip induksi elektromagnet.
Reka bentuk struktur revolusioner
Struktur resolver keengganan terdiri daripada tiga komponen utama: teras teras teras , teras , dan sistem penggulungan . Inti stator dilaminasi dari lembaran keluli silikon kebolehtelapan tinggi, dengan gigi besar (kasut tiang) ditumbuk pada lilitan dalaman, masing-masing dibahagikan kepada gigi kecil yang sama rata. Susunan dan bentuk gigi kecil ini dikira dengan teliti untuk memastikan pengedaran medan magnet sinusoidal yang ideal. Rotor lebih mudah, hanya dibuat daripada laminasi keluli silikon bergigi tanpa sebarang lilitan atau komponen elektronik. Reka bentuk ini 'pasif ' adalah kunci kepada kebolehpercayaan tinggi resolver.
Sistem penggulungan sepenuhnya terletak pada stator dan termasuk penggulungan pengujaan dan dua lilitan output ortogonal (sine dan cosine wuling). Lengkung ini tertumpu dan diedarkan mengikut corak sinusoidal untuk memastikan ciri -ciri sinusoidal isyarat output. Terutama, lilitan output disusun dalam konfigurasi berselang-seli dan siri terbalik, dengan berkesan menindas gangguan harmonik dan meningkatkan kesucian isyarat.
Prinsip kedudukan berdasarkan variasi keengganan
Prinsip kerja resolver keengganan berkisar di sekitar modulasi konduktansi magnetik jurang udara . Apabila voltan AC sinusoidal (biasanya 7V pada 1-10kHz) digunakan untuk penggulungan pengujaan, medan magnet bergantian dihasilkan dalam stator. Medan magnet ini melalui jurang udara ke pemutar. Oleh kerana kehadiran gigi pemutar, keengganan magnet (kebalikan dari konduktansi magnet) litar magnet berubah secara kitaran dengan kedudukan pemutar.
Khususnya, apabila gigi pemutar sejajar dengan gigi stator, keengganan diminimumkan, dan fluks magnet dimaksimumkan. Sebaliknya, apabila slot pemutar sejajar dengan gigi stator, keengganan dimaksimumkan, dan fluks magnet diminimumkan. Untuk setiap padang gigi, pemutar bertukar, konduktansi magnetik jurang udara melengkapkan kitaran penuh variasi. Modulasi medan magnet pengujaan ini mendorong isyarat voltan dalam belitan output, amplitud yang berkaitan dengan kedudukan sudut pemutar.
Secara matematik, jika voltan pengujaan adalah e₁ = e₁msinΩt, voltan dua lilitan output boleh dinyatakan sebagai:
· Output penggulungan sinus: eₛ = eₛₘcosθsinΩt
· Output penggulungan cosine: e_c = e_cmsinθsinΩt
Di sini, θ mewakili sudut mekanikal pemutar, dan ωis kekerapan sudut isyarat pengujaan. Idealnya, Eₛₘ dan E_CM harus sama, tetapi toleransi pembuatan mungkin memperkenalkan kesilapan amplitud, yang memerlukan penentukuran atau pampasan litar.
Pasangan tiang dan ketepatan pengukuran
Pasangan tiang resolver keengganan adalah parameter kritikal yang secara langsung mempengaruhi ketepatan dan resolusi pengukurannya. Bilangan pasangan tiang sepadan dengan kiraan gigi pemutar dan menentukan sudut putaran mekanikal yang diperlukan untuk kitaran isyarat elektrik yang lengkap. Sebagai contoh, resolver dengan 4 pasang tiang akan menghasilkan 4 kitaran isyarat elektrik setiap putaran mekanikal, dengan berkesan 'menguatkan ' sudut mekanikal dengan faktor 4 untuk pengukuran.
Penyelesaian keengganan umum di pasaran berkisar antara 1 hingga 12 pasang tiang. Kutub yang lebih tinggi mengira secara teoritis membolehkan resolusi sudut yang lebih tinggi, dengan resolver 12-tiang mencapai ± 0.1 ° atau ketepatan yang lebih baik. Walau bagaimanapun, peningkatan pasangan tiang juga menimbulkan kerumitan pemprosesan isyarat, yang memerlukan perdagangan berdasarkan keperluan aplikasi.
Kaedah pengukuran sudut ini, berdasarkan variasi keengganan dan induksi elektromagnet, membolehkan resolver keengganan untuk beroperasi dengan stabil di seluruh julat suhu yang luas (-55 ° C hingga +155 ° C), dengan penilaian perlindungan sehingga IP67 atau lebih tinggi. Mereka dapat menahan getaran dan kejutan yang kuat, menjadikannya ideal untuk menuntut persekitaran seperti aplikasi automotif, aeroangkasa, dan ketenteraan.
Teknik Pemprosesan dan Pengiraan Sudut Isyarat
Isyarat analog output oleh resolver keengganan memerlukan litar pemprosesan khusus untuk mengubahnya menjadi maklumat sudut digital yang boleh digunakan. Proses ini melibatkan algoritma penyaman isyarat dan penyahkodan kompleks, yang penting untuk mencapai kedudukan ketepatan tinggi dalam sistem resolver.
Dari isyarat analog ke sudut digital
Isyarat mentah dari resolver keengganan adalah dua gelombang sinus (sinθsinΩt dan cosθsinΩt) yang dimodulasi oleh sudut pemutar. Mengekstrak maklumat sudut θ melibatkan beberapa langkah pemprosesan. Pertama, isyarat menjalani penapisan bandpass untuk menghilangkan bunyi frekuensi tinggi dan gangguan frekuensi rendah. Seterusnya, demodulasi sensitif fasa (atau demodulasi segerak) menghilangkan kekerapan pembawa (biasanya 10kHz), menghasilkan isyarat frekuensi rendah sinθ dan cosθ yang mengandungi maklumat sudut.
Sistem penyahkodan moden biasanya menggunakan pemproses isyarat digital (DSP) atau penukar resolver-ke-digital khusus (RDC) untuk pengiraan sudut. Pemproses ini menggunakan algoritma Cordic (koordinat putaran digital) atau operasi arctangent untuk menukar isyarat sinθ dan cosθ
Pampasan ralat dan peningkatan ketepatan
Dalam aplikasi praktikal, pelbagai faktor dapat memperkenalkan kesilapan pengukuran, termasuk:
· Ketidakseimbangan amplitud : amplitud yang tidak sama dari isyarat output sinus dan kosinus (eₛₘ ≠ e_cm)
· Penyimpangan fasa : Perbezaan fasa 90 ° yang tidak ideal antara kedua-dua isyarat
· Penyimpangan harmonik : Penyimpangan isyarat disebabkan oleh taburan medan magnet bukan sinusoidal
· Kesalahan ortogonal : Penyimpangan sudut yang disebabkan oleh pemasangan penggulungan yang tidak tepat
Untuk meningkatkan ketepatan sistem, litar penyahkodan lanjutan menggunakan pelbagai teknik pampasan. Contohnya, litar Kawalan Keuntungan Automatik (AGC) mengimbangi amplitud kedua -dua isyarat, penapis digital menindas gangguan harmonik, dan algoritma perisian menggabungkan terma pampasan kesilapan. Dengan reka bentuk dan penentukuran yang teliti, sistem resolver dapat mencapai kesilapan sudut dalam ± 0.1 °, memenuhi kehendak aplikasi ketepatan yang paling tinggi.
Trend dalam teknologi penyahkodan baru
Kemajuan dalam teknologi semikonduktor memacu inovasi dalam pemprosesan isyarat resolver. Litar demodulasi komponen diskret tradisional secara beransur-ansur digantikan oleh penyelesaian bersepadu . Sesetengah cip penyahkod baru mengintegrasikan penjana isyarat pengujaan, litar penyaman isyarat, dan unit pengiraan digital, dengan ketara memudahkan reka bentuk sistem.
Sementara itu, penyahkodan yang ditetapkan oleh perisian semakin popular. Pendekatan ini memanfaatkan kuasa pengiraan mikropemproses berprestasi tinggi untuk melaksanakan kebanyakan fungsi pemprosesan isyarat dalam perisian, yang menawarkan fleksibiliti dan pemrograman yang lebih besar. Sebagai contoh, parameter penapis, algoritma pampasan, atau format data output boleh diselaraskan untuk penyelesaian pengukuran sudut yang disesuaikan.
Perlu diingat bahawa sistem penyahkodan adalah penting seperti resolver itu sendiri. Litar penyahkodan yang direka dengan baik dapat menyedari potensi prestasi resolver, sementara penyelesaian penyahkodan berkualiti rendah mungkin menjadi hambatan keseluruhan sistem pengukuran. Oleh itu, apabila memilih penyelesaian resolver, keserasian antara sensor dan penyahkod mesti dipertimbangkan dengan teliti.
Kelebihan Prestasi dan Kawasan Permohonan Penyelesaian Keengganan
Terima kasih kepada prinsip kerja yang unik dan reka bentuk struktur, resolvers keengganan mengatasi sensor kedudukan tradisional dalam beberapa metrik prestasi utama. Kelebihan ini menjadikan mereka pilihan pilihan untuk pengesanan sudut dalam banyak aplikasi perindustrian yang menuntut.
Keunggulan prestasi komprehensif terhadap sensor tradisional
Berbanding dengan peranti pengesanan kedudukan tradisional seperti encoder optik dan sensor dewan, resolvers keengganan mempamerkan kelebihan prestasi di sekitar:
· Kesesuaian alam sekitar yang luar biasa : Beroperasi secara stabil dalam suhu dari -55 ° C hingga +155 ° C, dengan penilaian perlindungan sehingga IP67 atau lebih tinggi, dan dapat menahan getaran dan kejutan yang kuat (misalnya, persekitaran yang keras seperti petak enjin automotif).
· Jangka hayat tanpa sentuh : Ketiadaan belitan atau berus pada pemutar menghilangkan haus mekanikal, membolehkan jangka hayat teori puluhan ribu jam.
· Respon kelajuan tinggi : Menyokong kelajuan sehingga 60,000 rpm, jauh melebihi had kebanyakan pengekod optik.
· Pengukuran kedudukan mutlak : Menyediakan maklumat sudut mutlak tanpa memerlukan titik rujukan, menyampaikan data kedudukan dengan segera apabila kuasa.
· Keupayaan anti-interference yang kuat : Berdasarkan induksi elektromagnet, ia tidak sensitif terhadap habuk, minyak, kelembapan, dan medan magnet luaran.
Aplikasi teras dalam kenderaan tenaga baru
Dalam industri kenderaan tenaga baru, penstrukturan keengganan telah menjadi standard emas untuk pengesanan kedudukan motor. Mereka digunakan secara meluas dalam sistem kawalan motor pemacu kenderaan elektrik bateri (BEV) dan kenderaan elektrik hibrid (HEV), dengan fungsi utama termasuk:
· Pengesanan kedudukan pemutar : Menyediakan maklumat sudut pemutar yang tepat untuk kawalan vektor Motor Segerak Magnet Tetap (PMSMS).
· Pengukuran kelajuan : Mengira kelajuan motor dari kadar perubahan sudut, membolehkan kawalan kelajuan gelung tertutup.
· Pemandu kuasa elektrik (EPS) : Mengesan sudut stereng untuk memberikan bantuan stereng yang tepat.
Automasi Perindustrian dan Aplikasi Khas
Di luar sektor automotif, resolvers keengganan juga digunakan secara meluas dalam automasi perindustrian:
· Alat Mesin CNC : Pengukuran Sudut Posisi dan Feed Axis Sudut.
· Sendi robot : Kawalan tepat pergerakan lengan robot.
· Jentera Tekstil : Kawalan ketegangan benang dan pengesanan sudut penggulungan.
· Mesin pencetakan suntikan : Pemantauan dan kawalan kedudukan skru.
· Ketenteraan dan Aeroangkasa : Kedudukan antena radar, kawalan kemudi peluru berpandu, dan aplikasi-aplikasi persekitaran yang melampau.
Dalam transit kereta api dan transit kereta api berkelajuan tinggi, penstrukturan keengganan digunakan untuk pengesanan kelajuan motor daya tarikan dan pengesanan kedudukan, di mana ciri kebolehpercayaan dan ciri-ciri bebas penyelenggaraan mereka dengan ketara mengurangkan kos kitaran hayat. Persekitaran yang keras seperti jentera perlombongan (misalnya, kenderaan pengangkutan arang batu bawah tanah dan motor tali pinggang penghantar) semakin mengamalkan resolvers keengganan untuk menggantikan sensor tradisional.
Dengan kedatangan Industri 4.0 dan pembuatan pintar, penstrukturan keengganan berkembang ke arah ketepatan yang lebih tinggi, saiz yang lebih kecil, dan kecerdasan yang lebih besar. Produk generasi akan datang akan memberi tumpuan kepada keserasian dengan reka bentuk pemacu gearbox bersepadu, serta membangunkan varian tahan minyak dan tahan tinggi untuk memenuhi tuntutan sistem yang disejukkan minyak. Di samping itu, penghantaran tanpa wayar dan keupayaan diagnostik diri dijangka menjadi trend masa depan, terus memperluaskan skop aplikasi mereka.
Cabaran Teknikal dan Trend Masa Depan untuk Penyelesaian Keengganan
Walaupun prestasi dan kebolehpercayaan mereka yang luar biasa dalam pelbagai bidang, resolvers keengganan masih menghadapi cabaran teknikal dan mempamerkan arahan inovasi yang jelas.
Kesesakan dan penyelesaian teknikal yang ada
Keperluan ketepatan pembuatan yang tinggi adalah satu cabaran utama untuk penstrukturan keengganan. Ketepatan pemesinan gigi stator, keseragaman pengedaran penggulungan, dan keseimbangan dinamik pemutar secara langsung mempengaruhi ketepatan dan prestasi sensor. Untuk penstrukturan ketepatan tinggi dengan pasangan tiang berganda (misalnya, 12 pasang tiang), walaupun kesilapan pembuatan peringkat mikron boleh membawa kepada amplitud atau kesilapan fasa yang tidak dapat diterima. Penyelesaian kepada isu ini termasuk:
· Mengadopsi acuan setem ketepatan tinggi dan proses laminasi automatik untuk memastikan ketepatan slot konsistensi dan gigi di teras.
· Memperkenalkan analisis medan magnet elemen terhingga untuk mengoptimumkan reka bentuk litar magnet dan mengimbangi toleransi pembuatan.
· Membangunkan algoritma pampasan diri untuk membetulkan kesilapan sensor secara automatik semasa pemprosesan isyarat.
Satu lagi cabaran ialah kerumitan integrasi sistem . Walaupun resolver itu sendiri mempunyai struktur yang mudah, sistem pengukuran lengkap termasuk subsistem seperti bekalan kuasa pengujaan, litar penyaman isyarat, dan algoritma penyahkodan, yang boleh menjadi kesesakan jika direka dengan baik. Untuk menangani ini, industri bergerak ke arah penyelesaian bersepadu :
· Mengintegrasikan penjana pengujaan, penyaman isyarat, dan litar penyahkodan ke dalam cip tunggal untuk memudahkan reka bentuk sistem.
· Membangunkan antara muka piawai (contohnya, SPI, CAN) untuk integrasi lancar dengan pengawal utama.
· Menyediakan kit pembangunan komprehensif, termasuk reka bentuk rujukan, perpustakaan perisian, dan alat penentukuran.
Petunjuk inovasi dan trend masa depan
Inovasi bahan akan membawa penemuan prestasi kepada penstrukturan keengganan. Komposit magnet lembut baru (SMCs) dengan sifat magnet isotropik tiga dimensi dapat mengoptimumkan pengedaran medan magnet dan mengurangkan herotan harmonik. Sementara itu, bahan penebat suhu tinggi dan lapisan tahan kakisan akan mengembangkan pelbagai persekitaran operasi sensor.
Kecerdasan adalah satu lagi hala tuju kritikal untuk resolver keengganan masa depan. Dengan mengintegrasikan mikropemproses dan antara muka komunikasi, resolver dapat mencapai:
· Fungsi diagnostik diri : Pemantauan masa nyata kesihatan sensor dan ramalan jangka hayat yang tersisa.
· Pampasan Adaptif : Pelarasan automatik parameter pampasan berdasarkan perubahan alam sekitar (misalnya, suhu).
· Antara muka rangkaian : Sokongan untuk protokol komunikasi lanjutan seperti Ethernet Perindustrian, memudahkan integrasi ke dalam sistem IOT (IIoT) industri.
Dari segi pengembangan permohonan , penentu keengganan semakin meningkat dalam dua arah: ke arah aplikasi ketepatan yang lebih tinggi (misalnya, peralatan pembuatan semikonduktor, robot perubatan) yang memerlukan resolusi dan kebolehpercayaan yang lebih besar, dan ke arah aplikasi yang lebih ekonomik dan meluas (misalnya, alat isi rumah, alat kuasa) melalui reka bentuk yang mudah dan pengeluaran besar-besaran untuk mengurangkan kos.
Trend yang sangat penting ialah penerapan penstrukturan keengganan dalam kenderaan tenaga baru generasi akan datang . Apabila sistem motor berkembang ke arah kelajuan dan integrasi yang lebih tinggi, sensor kedudukan mesti memenuhi keperluan yang lebih menuntut:
· Sokongan untuk kelajuan ultra tinggi melebihi 20,000 rpm.
· Toleransi untuk suhu melebihi 150 ° C.
· Keserasian dengan reka bentuk pengedap sistem yang disejukkan minyak.
· Dimensi pemasangan yang lebih kecil dan berat ringan.
Kemajuan penyeragaman dan perindustrian
Memandangkan teknologi resolver keengganan matang, usaha standardisasi juga memajukan. China telah menubuhkan piawaian kebangsaan seperti GB/T 31996-2015 Spesifikasi Teknikal Umum untuk Resolvers untuk mengawal metrik prestasi produk dan kaedah ujian. Dari segi perindustrian, teknologi resolver keengganan Cina telah mencapai tahap maju antarabangsa.
Adalah dapat dijangka bahawa dengan kemajuan teknologi dan perindustrian, resolvers keengganan akan menggantikan sensor tradisional di lebih banyak bidang, menjadi penyelesaian arus perdana untuk pengesanan kedudukan putaran dan menyediakan sokongan teknikal kritikal untuk automasi perindustrian dan pembangunan kenderaan tenaga baru.
