I. Podstawowe zasady dotyczące resolwerów o zmiennej niechęci
Po pierwsze, aby zrozumieć projekt, należy zrozumieć jego podstawowe różnice w stosunku do tradycyjnych rezolwerów z uzwojonym wirnikiem:
· Tradycyjny resolwer:
Zarówno stojan, jak i wirnik mają uzwojenia. Sygnał wzbudzenia i sygnał wyjściowy są indukowane elektromagnetycznie w szczelinie powietrznej.
· Resolwer zmiennej reluktancji (VR):
Tylko stojan ma uzwojenia . Wirnik jest
nienawiniętym elementem ferromagnetycznym wykonanym z wystających biegunów lub struktury zębatej. Zasada jego działania opiera się na
zmienności reluktancji.
o Uzwojenia stojana:
Zwykle zawierają jedno uzwojenie wzbudzenia (pierwotne) i dwa uzwojenia wyjściowe (uzwojenia sinusoidalne i cosinusowe, wtórne), które są przestrzennie ortogonalne (od siebie o 90 stopni elektrycznych).
o Obrót wirnika:
Kiedy obraca się wirnik z wystającymi biegunami, zmienia się długość szczeliny powietrznej i reluktancja obwodu magnetycznego.
o Modulacja sygnału:
Zmiana reluktancji szczeliny powietrznej moduluje (modulacja amplitudy) amplitudę napięcia indukowanego w uzwojeniach wyjściowych przez wzbudzające pole magnetyczne. Obwiednie amplitudy dwóch uzwojeń wyjściowych są odpowiednio funkcjami sinusoidalnymi i cosinusowymi kąta wirnika.
Jego zalety to: prosta konstrukcja, wytrzymała i trwała (bezszczotkowa), niski koszt, wysoka niezawodność, zdolność wytrzymywania środowisk o dużej prędkości i wysokiej temperaturze . Wadą jest to, że dokładność i liniowość są zwykle nieco niższe niż w przypadku precyzyjnych rezolwerów z uzwojonym wirnikiem.
II. Proces projektowania i kluczowe kwestie
Proces projektowania jest iteracyjny i zazwyczaj składa się z następujących kroków:
1. Zdefiniuj specyfikacje projektu
Jest to punkt wyjścia dla wszystkich projektów i należy go najpierw wyjaśnić:
· Liczba par biegunów (P):
Określa zależność pomiędzy kątami elektrycznymi i mechanicznymi (θ_elektryczny = P * θ_mechaniczny). Typowe konfiguracje to 1 para biegunów (unipolarna) i 2 pary biegunów (bipolarna). Liczba par biegunów wpływa na dokładność i maksymalną prędkość.
· Wymagania dotyczące dokładności:
Zwykle wyrażane w minutach łuku (′) lub miliradianach (mrad). Projekty o wysokiej precyzji wymagają niezwykle wysokich wymagań dotyczących produkcji, materiałów i tłumienia harmonicznych pola magnetycznego.
· Wejściowy sygnał wzbudzenia:
amplituda napięcia wzbudzenia, częstotliwość (najczęściej spotykane to 4 kHz, 10 kHz itd.), kształt fali (zwykle sinusoidalny).
· Współczynnik transformacji (TR):
Stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego (w pozycji maksymalnego sprzężenia).
· Błąd elektryczny:
obejmuje błąd funkcji, błąd napięcia zerowego, błąd fazy itp.
· Środowisko pracy:
zakres temperatur, wibracje, wstrząsy, wilgotność, stopień ochrony (IP).
· Ograniczenia dotyczące rozmiaru:
średnica zewnętrzna, otwór wewnętrzny, grubość (długość).
· Parametry impedancji:
Impedancja wejściowa/wyjściowa wpływająca na dopasowanie z kolejnymi obwodami.
2. Projekt elektromagnetyczny – część rdzenia
· Konstrukcja laminowania stojana/wirnika:
o Wybór materiału:
Zwykle wykorzystuje się blachy ze stali krzemowej o wysokiej przepuszczalności i niskiej utracie żelaza (np. DW540, 50JN400).
o Kombinacja bieguna i szczeliny:
to jest dusza tego projektu. Należy określić liczbę żłobków stojana (Zs) i biegunów wystających wirnika (Zr). Najpopularniejszą kombinacją jest
Zr = 2P (liczba biegunów wirnika jest równa dwukrotności liczby par biegunów), a Zs jest wielokrotnością Zr. Na przykład, rezolwer jednobiegunowy (P=1) często wykorzystuje
Zs=4, Zr=2 ; rezolwer bipolarny (P=2) często wykorzystuje
Zs=8, Zr=4 lub
Zs=12, Zr=6.
o Kształt szczeliny/bieguna:
Kształt zębów (równoległy, stożkowy) wpływa na rozkład pola magnetycznego i zawartość harmonicznych. Wymiary takie jak szerokość zęba, szerokość otworu szczeliny i grubość jarzma wymagają optymalizacji, aby zmaksymalizować podstawową siłę magnetomotoryczną (MMF) i zminimalizować harmoniczne szczeliny.
o Szczelina powietrzna:
Rozmiar szczeliny powietrznej jest krytycznym kompromisem. Mała szczelina powietrzna zwiększa współczynnik transformacji i siłę sygnału, ale zwiększa trudności produkcyjne, wrażliwość na mimośrodowość i tętnienie momentu obrotowego. Duża szczelina powietrzna ma odwrotny skutek. Zwykle projektowane w przedziale od 0,05 mm do 0,25 mm.
· Uzwojenie:
o Typ:
Zwykle stosowane są uzwojenia rozproszone lub uzwojenia skupione (zębowe). Rozproszone uzwojenia (jedna cewka obejmująca wiele szczelin) wytwarzają bardziej sinusoidalne pole magnetyczne, ale są bardziej skomplikowane w produkcji; skoncentrowane uzwojenia są prostsze, ale mają wyższe harmoniczne.
o Obliczanie zwojów:
W oparciu o docelowy współczynnik transformacji, napięcie wzbudzenia i częstotliwość, określ liczbę zwojów uzwojenia wzbudzenia oraz uzwojeń sinus/cosinus za pomocą obliczeń elektromagnetycznych. Liczba zwojów obu uzwojeń wyjściowych musi być dokładnie taka sama.
o Metoda połączenia:
Upewnij się, że uzwojenia sinus i cosinus są przestrzennie oddalone od siebie o dokładnie 90 stopni elektrycznych.
3. Symulacja i optymalizacja pola magnetycznego (symulacja MES) – niezbędne narzędzie nowoczesnego projektowania
Obliczenia czysto analityczne są bardzo złożone i niewystarczająco dokładne. Niezbędne jest oprogramowanie do analizy elementów skończonych (FEA) (np. JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet).
· Symulacja pola statycznego:
Oblicz rozkład pola magnetycznego, macierz indukcyjności i potencjał wyjściowy przy różnych kątach wirnika.
· Symulacja pola przejściowego:
Zastosuj rzeczywiste napięcie wzbudzenia, aby zasymulować kształt fali napięcia wyjściowego, dokładniej odzwierciedlając wydajność.
· Optymalizacja parametryczna:
Wykonuj parametryczne przemiatanie i optymalizację kluczowych wymiarów, takich jak kształt zęba, szczelina powietrzna i otwarcie szczeliny, aby zminimalizować błąd (np. THD) i zmaksymalizować współczynnik transformacji.
· Analiza błędów:
Oblicz błąd elektryczny poprzez symulację i analizuj źródła błędów (np. harmoniczne, efekt zazębienia, efekt nasycenia).
4. Projekt konstrukcji mechanicznej
· Obudowa i łożyska:
Zaprojektuj konstrukcję nośną i wybierz odpowiednie łożyska, aby zapewnić koncentryczność pomiędzy wirnikiem a stojanem oraz minimalne zmiany szczeliny powietrznej, jednocześnie wytrzymując określone wibracje i wstrząsy.
· Połączenie wału:
Zaprojektuj rowki wpustowe, gładki otwór lub interfejs serwa, aby zapewnić niezawodne połączenie i bezluzową transmisję z wałem silnika.
· Zarządzanie ciepłem:
Należy wziąć pod uwagę wytwarzanie ciepła przez uzwojenia i straty żelaza, aby zapobiec przegrzaniu w środowiskach o wysokiej temperaturze. Czasami konieczne jest zaprojektowanie ścieżki termicznej.
· Ekranowanie elektromagnetyczne:
Jeśli to konieczne, dodaj ekran, aby zapobiec zakłóceniom powodowanym przez zewnętrzne pola magnetyczne.
5. Rozważania dotyczące obwodu przetwarzania sygnału
Chociaż nie jest to część konstrukcji korpusu rezolwera, należy to rozpatrywać synergistycznie:
· RDC (przetwornik resolwera na cyfrę):
Wybierz układ RDC (np. AD2S1205, AU6802), który pasuje do impedancji i częstotliwości wzbudzenia resolwera. Podczas projektowania wymagane jest dopasowanie impedancji wejściowej.
· Obwód napędu wzbudzenia:
Wymaga obwodu wzmacniacza operacyjnego zdolnego zapewnić czystą, stabilną falę sinusoidalną.
· Obwód filtra:
Filtruje sygnały wyjściowe w celu tłumienia szumów i harmonicznych o wysokiej częstotliwości.
III. Wyzwania projektowe i kluczowe technologie
1. Tłumienie harmonicznych:
Ze względu na nieliniowość zmian reluktancji napięcie wyjściowe rezolwera VR zawiera bogate harmoniczne, które są główną przyczyną błędów. Metody takie jak
optymalizacja kombinacji biegunów i szczelin, pochylanie (żłobków lub biegunów) i dodawanie pomocniczych szczelin na zębach stojana mogą skutecznie tłumić harmoniczne.
2. Równowaga pomiędzy dokładnością i kosztem:
Wysoka dokładność oznacza bardziej precyzyjną obróbkę (mniejsza szczelina powietrzna, większa koncentryczność), wyższą jakość materiałów (wyższej jakości stal krzemowa), bardziej złożone projekty (np. więcej par biegunów, ułamkowe szczeliny) i bardziej rygorystyczne procesy, co prowadzi do gwałtownego wzrostu kosztów.
3. Dryft temperaturowy:
Rezystancja uzwojeń i właściwości stali krzemowej zmieniają się wraz z temperaturą, powodując dryft amplitudy i fazy. Konieczna jest kompensacja w obwodzie lub oprogramowaniu, albo podczas projektowania elektromagnetycznego należy wybrać materiały o dobrej stabilności temperaturowej.
Streszczenie
Zalecenia projektowe:
1. Zacznij od specyfikacji:
Po pierwsze, dokładnie poznaj specyficzne wymagania scenariusza aplikacji dotyczące dokładności, rozmiaru i środowiska.
2. Wykorzystaj sprawdzone rozwiązania:
Zacznij od klasycznych kombinacji tyczek i szczelin (np. 4-2, 8-4), ponieważ stanowią one sprawdzony i niezawodny punkt wyjścia.
3. Projektowanie oparte na symulacji:
nie poprzestawaj na obliczeniach teoretycznych; natychmiast użyj oprogramowania FEM, aby utworzyć model parametryczny do symulacji i optymalizacji. Ma to kluczowe znaczenie dla poprawy wskaźników powodzenia projektów i skrócenia cykli rozwoju.
4. Iteruj i testuj:
Po zbudowaniu prototypu przeprowadź kompleksowe testy wydajności (błąd, wzrost temperatury, wibracje itp.), porównaj z wynikami symulacji, przeanalizuj przyczyny różnic i przejdź do kolejnej iteracji projektowej.
5. Myśl na poziomie systemu:
Rozważ i debuguj czujnik resolwera i znajdujący się za nim obwód RDC jako system zintegrowany.
Projektowanie resolwerów o zmiennej reluktancji jest technologią wysoce praktyczną, wymagającą powtarzalnych cyklów teorii, symulacji i eksperymentów.
