We współczesnej automatyzacji przemysłowej i precyzyjnej kontroli mechanicznej dokładne wykrywanie pozycji obrotowej jest kluczowe. . Rezolubność niechęci , powszechnie określana jako rozdzielczy, jest wysoce niezawodny czujnik powszechnie stosowany w silnikach serwo, robotyce i innych aplikacjach wymagających precyzyjnego pozycjonowania. W tym artykule krótko wprowadza zasady działające rozdzielczych i sposób, w jaki osiągają pozycjonowanie rotacyjne.
Resistver jest czujnikiem analogowym opartym na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, zdolnej do przekształcenia kąta mechanicznego wirnika w sygnały elektryczne. W przeciwieństwie do czujników cyfrowych, takich jak enkodery optyczne, Resicvers zapewniają ciągłe sygnały analogowe do informacji o pozycji obrotowej, oferując doskonałe możliwości i niezawodność anty-interferencyjne, szczególnie w trudnych środowiskach.
Podstawowa struktura i zasady robocze niechęci
Aby zrozumieć, w jaki sposób rozstrzyganie niechęci osiągają precyzyjne pozycjonowanie rotacyjne, konieczne jest zagłębienie się w ich unikalną strukturę fizyczną. Genialna konstrukcja tych czujników stanowi podstawę ich wysokiej wydajności i jest przykładem praktycznego zastosowania zasad indukcji elektromagnetycznej.
Rewolucyjny projekt konstrukcyjny
Struktura niechęci składa się z trzech głównych komponentów: stojana , rdzenia wirnika rdzenia i systemu uzwojenia . Rdzeń stojana jest laminowany z wysokiej jakości krzemowych arkuszy stalowych, z dużymi zębami (buty biegunowe) uderzonymi na wewnętrzny obwód, z których każdy podzielony jest na równomiernie rozmieszczone małe zęby. Układ i kształt tych małych zębów są starannie obliczane, aby zapewnić idealny rozkład pola magnetycznego sinusoidalnego. Rotor jest prostszy, wykonany tylko z laminowania stali zębatej bez uzwojeń lub elementów elektronicznych. Ten projekt „pasywny ” jest kluczem do wysokiej niezawodności Resolvera.
System uzwojenia znajduje się całkowicie na stojanie i obejmuje uzwojenie wzbudzenia i dwa ortogonalne uzwojenia wyjściowe (uzwojenia sinusoidalne i cosinus). Uzwojenia te są skoncentrowane i rozmieszczone według sinusoidalnego wzoru, aby zapewnić sinusoidalne charakterystykę sygnałów wyjściowych. W szczególności uzwojenia wyjściowe są ułożone w konfiguracji naprzemiennej i wstecznej, skutecznie tłumiąc interferencję harmoniczną i poprawiając czystość sygnału.
Zasada pozycjonowania w oparciu o zmienność niechęci
Zasada pracy niechęci rozdzielcza się wokół modulacji przewodności magnetycznej szczeliny powietrznej . Gdy sinusoidalne napięcie prądu przemiennego (zwykle 7 V przy 1-10 kHz) jest przyłożone do uzwojenia wzbudzenia, w stojanie generuje naprzemienne pole magnetyczne. To pole magnetyczne przechodzi przez szczelinę powietrza do wirnika. Ze względu na obecność zębów wirnika niechęć magnetyczna (odwrotność przewodnictwa magnetycznego) obwodu magnetycznego zmienia się cyklicznie wraz z położeniem wirnika.
W szczególności, gdy zęby wirnika są wyrównane z zębami stojana, niechęć jest zminimalizowana, a strumień magnetyczny jest zmaksymalizowany. I odwrotnie, gdy szczeliny wirnika są zgodne z zębami stojana, niechęć jest zmaksymalizowana, a strumień magnetyczny jest minimalizowany. Dla każdego skoku zęba obraca się wirnik, przewodnictwo magnetyczne szczeliny powietrznej wypełnia pełny cykl zmiany. Ta modulacja pola magnetycznego wzbudzenia indukuje sygnały napięcia w uzwojeniach wyjściowych, których amplitudy korelują z położeniem kątowym wirnika.
Matematycznie, jeśli napięcie wzbudzenia wynosi e₁ = e₁msinωt, napięcia dwóch uzwojeń wyjściowych można wyrazić jako:
· Wyjście uzwojenia sinusoidalnego: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Wyjście uzwojenia cosinusa: e_c = e_cmsinθsinωt
Tutaj θ reprezentuje kąt mechaniczny wirnika, a ωis częstotliwość kątowa sygnału wzbudzenia. Idealnie, Eₛₘ i E_CM powinny być równe, ale tolerancje produkcyjne mogą wprowadzać błędy amplitudy, wymagające kalibracji lub kompensacji obwodu.
Pary bieguna i dokładność pomiaru
Pary biegunowe niechęci są kluczowym parametrem bezpośrednio wpływającym na jego dokładność pomiaru i rozdzielczość. Liczba par biegunowych odpowiada liczbie zębów wirnika i określa mechaniczny kąt obrotu wymagany do pełnego cyklu sygnału elektrycznego. Na przykład rozdzielcz z 4 par biegunowy wytworzy 4 elektryczne cykle sygnału na obrót mechaniczny, skutecznie „wzmacniając ” kąt mechaniczny o współczynnik 4 do pomiaru.
Wspólne niechęć na rynku waha się od 1 do 12 pary biegunów. Wyższe zliczenia bieguna teoretycznie umożliwiają wyższą rozdzielczość kątową, a 12-biegunowe rozdzielcze osiągają ± 0,1 ° lub lepszą dokładność. Jednak rosnące pary biegunowe podnosi również złożoność przetwarzania sygnału, co wymaga kompromisu opartego na wymaganiach dotyczących aplikacji.
Ta metoda pomiaru kąta, oparta na zmienności niechęci i indukcji elektromagnetycznej, pozwala niechęć do stabilnego działania w szerokim zakresie temperatur (-55 ° C do +155 ° C), z ocenami ochrony do IP67 lub wyższej. Mogą wytrzymać silne wibracje i wstrząsy, dzięki czemu są idealne do wymagających środowisk, takich jak zastosowania motoryzacyjne, lotnicze i wojskowe.
Techniki przetwarzania sygnału i kąt
Wyjście sygnałów analogowych według rozdzielczości niechęci wymagają wyspecjalizowanych obwodów przetwarzania, aby przekonwertować je na użyteczne informacje o kącie cyfrowym. Proces ten obejmuje złożone algorytmy kondycjonowania sygnałów i dekodowanie, które mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia pozycjonowania precyzyjnego w systemach rozdzielczych.
Od sygnałów analogowych po kąty cyfrowe
Szybkowate sygnały z rozdzielczości niechęci są dwiema falami sinusoidalnymi (sinθsinωt i cosθsinωt) modulowanymi przez kąt wirnika. Wyodrębnienie informacji o kącie θ obejmuje kilka etapów przetwarzania. Po pierwsze, sygnały podlegają filtrowaniu pasmowego , aby usunąć szum o wysokiej częstotliwości i zakłócenia niskiej częstotliwości. Następnie demodulacja wrażliwa na fazę (lub demodulacja synchroniczna) usuwa częstotliwość nośnika (zwykle 10 kHz), dając sygnały o niskiej częstotliwości sinθ i cosθ zawierające informacje o kącie.
Nowoczesne systemy dekodowania zwykle wykorzystują cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) lub dedykowane konwertera rozdzielcze-cyfr (RDC) do obliczeń kąta. Procesory te wykorzystują algorytmy Cordic (koordynowanie komputera cyfrowego) lub operacje arkstancyjne, aby przekonwertować sygnały sinθ i cosθ na wartości kąta cyfrowego. Na przykład mikrokontroler DSPIC30F3013 ma wbudowany moduł ADC do synchronicznego pobierania próbek dwóch sygnałów, a następnie algorytmów oprogramowania do obliczania precyzyjnego kąta.
Kompensacja błędów i poprawa dokładności
W praktycznych zastosowaniach różne czynniki mogą wprowadzać błędy pomiarowe, w tym:
· Nierównowaga amplitudy : nierówne amplitudy sygnałów wyjściowych sinusoidalnych i cosinus (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Odchylenie fazowe : różnica fazowa nieidealna 90 ° między dwoma sygnałami
· Odkształcenie harmoniczne : zniekształcenie sygnału z powodu nie-sinusoidalnego rozkładu pola magnetycznego
· Błąd ortogonalny : odchylenie kątowe spowodowane nieprecyzyjną instalacją uzwojenia
Aby poprawić dokładność systemu, zaawansowane obwody dekodowania stosują różne techniki kompensacyjne. Na przykład obwody automatycznego kontroli wzmocnienia (AGC) równoważą amplitudy dwóch sygnałów, filtrów cyfrowych tłumią zakłócenia harmoniczne, a algorytmy oprogramowania zawierają warunki kompensacji błędów. Dzięki skrupulatnej projektowaniu i kalibracji systemy Resolver mogą osiągnąć błędy kąta w granicach ± 0,1 °, spełniając wymagania większości precyzyjnych zastosowań.
Trendy w nowych technologiach dekodowania
Postępy w technologii półprzewodników zwiększają innowacje w przetwarzaniu sygnału Resister. Tradycyjne obwody demodulacji dyskretnych składników są stopniowo zastępowane przez zintegrowane rozwiązania . Niektóre nowe układy dekoderowe integrują generatory sygnałów wzbudzenia, obwody warunkowania sygnałów i cyfrowe jednostki obliczeniowe, co znacznie upraszcza projekt systemu.
Tymczasem dekodowanie zdefiniowane przez oprogramowanie zyskuje na popularności. Podejście to wykorzystuje moc obliczeniową wysokowydajnych mikroprocesorów do wdrożenia większości funkcji przetwarzania sygnału w oprogramowaniu, oferując większą elastyczność i programowalność. Na przykład parametry filtra, algorytmy kompensacji, a nawet formaty danych wyjściowych można regulować do dostosowanych rozwiązań pomiarowych kąta.
Warto zauważyć, że system dekodowania jest tak samo kluczowy jak sam rozdzielczy. Dobrze zaprojektowany obwód dekodowania może w pełni zrealizować potencjał wydajności Resistver, podczas gdy roztwór dekodowania niskiej jakości może stać się wąskim gardłem całego systemu pomiarowego. Dlatego przy wyborze rozwiązania rozdzielczego należy dokładnie rozważyć kompatybilność między czujnikiem a dekoderem.
Zalety wydajności i obszary zastosowania niechęci
Dzięki ich unikalnym zasadom roboczym i projektowaniu strukturalnym niechęć przewyższają tradycyjne czujniki pozycji w kilku kluczowych wskaźnikach wydajności. Te zalety sprawiają, że są preferowanym wyborem do wykrywania kąta w wielu wymagających zastosowaniach przemysłowych.
Kompleksowa wyższość wydajności w stosunku do tradycyjnych czujników
W porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami do wykrywania pozycji, takimi jak enkodery optyczne i czujniki hali, niechęć do rozdzielczości wykazują wszechstronne zalety wydajności:
· Wyjątkowa zdolność adaptacji środowiskowej : stabilnie działa w temperaturach od -55 ° C do +155 ° C, z ocenami ochrony do IP67 lub wyższej, i może wytrzymać silne wibracje i wstrząsy (np. Surowe środowiska, takie jak przedziały silnika motoryzacyjnego).
· Długa długą żywotność : brak uzwojeń lub szczotek na wirnik eliminuje zużycie mechaniczne, umożliwiając teoretyczną żywotność dziesiątek tysięcy godzin.
· Reakcja ultra-wysokiej prędkości : Obsługuje prędkości do 60 000 obr / min, znacznie przekraczając granice większości enkoderów optycznych.
· Bezwzględny pomiar pozycji : dostarcza informacji o bezwzględnym kącie bez wymagania punktu odniesienia, dostarczanie danych pozycji natychmiast po włączeniu.
· Silna zdolność przeciw interferencji : Na podstawie indukcji elektromagnetycznej jest niewrażliwa na kurz, olej, wilgotność i zewnętrzne pola magnetyczne.
Podstawowe zastosowania w nowych pojazdach energetycznych
W nowej branży pojazdów energetycznych niechęć stały się złotym standardem wykrywania pozycji silnika. Są one szeroko stosowane w systemach sterowania silnikiem napędowym pojazdów elektrycznych akumulatorowych (Bevs) i hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEVS), z kluczowymi funkcjami, w tym:
· Detekcja położenia wirnika : Zapewnia precyzyjne informacje o kącie wirnika do kontroli wektora silników synchronicznych magnesu stałego (PMSM).
· Pomiar prędkości : Oblicza prędkość silnika od szybkości zmiany kąta, umożliwiając kontrolę prędkości pętli zamkniętej.
· Elektryczne wspomaganie kierownicy (EPS) : Wykrywa kąt kierownicy, aby zapewnić dokładną pomoc kierowniczą.
Automatyzacja przemysłowa i specjalne zastosowania
Oprócz sektora motoryzacyjnego rozwiązywanie niechęci są również szeroko stosowane w automatyzacji przemysłowej:
· Narzędzia maszynowe CNC : Pozycjonowanie wrzeciona i pomiar kąta osi zasilający.
· Połączenia robota : precyzyjna kontrola robotycznych ruchów ramienia.
· Maszyna tekstylna : Kontrola napięcia przędzy i wykrywanie kąta uzwojenia.
· Maszyny do formowania wtrysku : Monitorowanie pozycji śruby.
· Wojskowe i lotnicze : pozycjonowanie anteny radarowej, kontrola steru rakietowego i inne zastosowania ekstremalnego środowiska.
W szybkim tranzycie kolejowym i kolejowym rozdzielczości niechęci są używane do prędkości silnika i wykrywania pozycji, gdzie ich wysoka niezawodność i bezobsługowe cechy znacznie obniżają koszty cyklu życia. Trudne środowiska, takie jak maszyny wydobywcze (np. Podziemne pojazdy transportu węgla i przenośniki pasów pasów) coraz częściej przyjmują niechęć do zastąpienia tradycyjnych czujników.
Wraz z nadejściem przemysłu 4.0 i inteligentnej produkcji niechęci ewoluują w kierunku wyższej precyzji, mniejszej wielkości i większej inteligencji. Produkty nowej generacji będą koncentrować się na kompatybilności ze zintegrowanymi projektami napędu silnikowego, a także na rozwijających się wariantach odpornych na olej i opornych na olej, aby zaspokoić wymagania systemów chłodzonych olejami. Ponadto oczekuje się, że możliwości bezprzewodowej i zdolności autodiagnostyczne staną się przyszłymi trendami, co dodatkowo rozszerzy ich zakres aplikacji.
Wyzwania techniczne i przyszłe trendy dla niechęci
Pomimo wybitnej wydajności i niezawodności w różnych dziedzinach, niechęć do rozwiązywania wyzwań technicznych i wykazują wyraźne kierunki innowacji.
Istniejące techniczne wąskie gardła i rozwiązania
Wysokie wymagania precyzyjne produkcyjne są głównym wyzwaniem dla niechęci. Dokładność obróbki zębów stojana, jednorodność rozkładu uzwojenia i równowaga dynamiczna wirnika bezpośrednio wpływają na dokładność i wydajność czujnika. W przypadku rozdzielczości z wieloma parami biegunowymi (np. 12 par biegunowych) nawet błędy produkcyjne na poziomie mikronów mogą prowadzić do niedopuszczalnych błędów amplitudy lub fazowych. Rozwiązania tego problemu obejmują:
· Przyjmowanie bardzo precyzyjnych pleśni stemplowania i zautomatyzowanych procesów laminowania w celu zapewnienia konsystencji i dokładności szczeliny zębów w rdzeniu.
· Wprowadzenie analizy pola magnetycznego elementu skończonego w celu optymalizacji projektowania obwodu magnetycznego i zrekompensowania tolerancji produkcyjnych.
· Opracowanie algorytmów samokompensacji w celu automatycznego korygowania nieodłącznych błędów czujników podczas przetwarzania sygnału.
Kolejnym wyzwaniem jest złożoność integracji systemu . Chociaż sam rozdzielczy ma prostą strukturę, kompletny system pomiarowy obejmuje podsystemy, takie jak zasilacze wzbudzenia, obwody kondycjonowania sygnałów i algorytmy dekodowania, które mogą stać się wąskie gardła, jeśli są źle zaprojektowane. Aby to zaradzić, branża zmierza w kierunku zintegrowanych rozwiązań :
· Integracja generatorów wzbudzenia, kondycjonowanie sygnałów i dekodowanie obwodów z pojedynczym układem w celu uproszczenia projektowania systemu.
· Opracowywanie znormalizowanych interfejsów (np. SPI, can) dla bezproblemowej integracji z głównymi kontrolerami.
· Dostarczanie kompleksowych zestawów programistycznych, w tym projekty referencyjne, biblioteki oprogramowania i narzędzia kalibracyjne.
Kierunki innowacji i przyszłe trendy
Innowacja materialna przyniesie przełom wydajności do niechęci. Nowe miękkie kompozyty magnetyczne (SMC) z trójwymiarowymi izotropowymi właściwościami magnetycznymi mogą zoptymalizować rozkład pola magnetycznego i zmniejszyć zniekształcenie harmoniczne. Tymczasem materiały izolacyjne stabilne w wysokiej temperaturze i powłoki oporne na korozję rozszerzy zasięg środowiska operacyjnego czujnika.
Inteligencja jest kolejnym kluczowym kierunkiem dla przyszłych niechęci. Dzięki zintegrowaniu mikroprocesorów i interfejsów komunikacyjnych Resistvers może osiągnąć:
· Funkcje autodiagnostyczne : Monitorowanie zdrowia czujników i pozostałej prognozy życia w czasie rzeczywistym.
· Rekompensata adaptacyjna : automatyczna regulacja parametrów kompensacyjnych opartych na zmianach środowiskowych (np. Temperatura).
· Interfejsy sieciowe : Obsługa zaawansowanych protokołów komunikacyjnych, takich jak Industrial Ethernet, ułatwiając integrację z systemami IoT Industrial (IIOT).
Pod względem ekspansji aplikacji , nie redukujący rozwiązywanie w dwóch kierunkach: w kierunku precyzyjnych zastosowań o wyższej klasy (np. Sprzęt do produkcji półprzewodników, roboty medyczne) wymagające większej rozdzielczości i niezawodności oraz w kierunku bardziej ekonomicznych i powszechnych zastosowań (np. Urządzenia gospodarstwa domowego, elektrowni) poprzez uproszczone projekty i masowe produkcja w celu obniżenia kosztów.
Szczególnie godnym uwagi trendem jest zastosowanie niechęci do nowej generacji pojazdów energetycznych . Gdy systemy motoryczne ewoluują w kierunku wyższych prędkości i integracji, czujniki pozycji muszą spełniać bardziej wymagające wymagania:
· Wsparcie dla bardzo wysokich prędkości przekraczających 20 000 obr./min.
· Tolerancja dla temperatur powyżej 150 ° C.
· Kompatybilność z chłodzonymi olejami projektami uszczelniania systemu.
· Mniejsze wymiary instalacji i jaśniejsza waga.
Postęp standaryzacji i uprzemysłowienia
W miarę dojrzewania technologii rozdzielczości niechęci do standaryzacji wysiłki standaryzacji . postępują również Chiny ustanowiły krajowe standardy, takie jak GB/T 31996-2015 Ogólne specyfikacje techniczne dla postanowców w celu regulacji wskaźników wydajności produktu i metod testowania. Jeśli chodzi o uprzemysłowienie, technologia rozdzielczości niechęci chińskiej osiągnęła międzynarodowe zaawansowane poziomy.
Można przewidzieć, że w przypadku postępu technologicznego i uprzemysłowienia rozwiązywanie niechęci zastąpi tradycyjne czujniki w większej liczbie dziedzin, stając się głównym nurtem rozwiązania wykrywania pozycji rotacyjnej i zapewniając krytyczne wsparcie techniczne dla automatyzacji przemysłowej i rozwoju nowego pojazdu energetycznego.
