W nowoczesnej automatyce przemysłowej i precyzyjnym sterowaniu mechanicznym dokładne wykrywanie położenia obrotowego ma kluczowe znaczenie. The Resolwer reluktancyjny , powszechnie nazywany resolwerem, to wysoce niezawodny czujnik szeroko stosowany w serwomotorach, robotyce i innych zastosowaniach wymagających precyzyjnego pozycjonowania. W tym artykule pokrótce przedstawiono zasadę działania rezolwerów i sposób, w jaki osiągają one pozycjonowanie obrotowe.
Resolwer to czujnik analogowy działający na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, zdolny do przetwarzania mechanicznego kąta wirnika na sygnały elektryczne. W przeciwieństwie do czujników cyfrowych, takich jak enkodery optyczne, rezolwery dostarczają ciągłe sygnały analogowe do informacji o położeniu obrotowym, oferując doskonałe możliwości przeciwzakłóceniowe i niezawodność, szczególnie w trudnych warunkach.
Struktura podstawowa i zasady działania resolwerów reluktancyjnych
Aby zrozumieć, w jaki sposób reluktanty reluktancyjne osiągają precyzyjne pozycjonowanie obrotowe, konieczne jest zagłębienie się w ich unikalną strukturę fizyczną. Pomysłowa konstrukcja tych czujników stanowi podstawę ich wysokiej wydajności i stanowi przykład praktycznego zastosowania zasad indukcji elektromagnetycznej.
Rewolucyjny projekt konstrukcyjny
Struktura reluktancji składa się z trzech głównych elementów: rdzenia stojana , , rdzenia wirnika i układu uzwojenia . Rdzeń stojana jest laminowany z arkuszy stali krzemowej o wysokiej przepuszczalności, z dużymi zębami (biegunnikami) wytłoczonymi na wewnętrznym obwodzie, każdy dodatkowo podzielony na równomiernie rozmieszczone małe zęby. Rozmieszczenie i kształt tych małych zębów są starannie obliczone, aby zapewnić idealny sinusoidalny rozkład pola magnetycznego. Wirnik jest prostszy, wykonany wyłącznie z ząbkowanych warstw stali krzemowej, bez żadnych uzwojeń i elementów elektronicznych. Ta „pasywna” konstrukcja jest kluczem do wysokiej niezawodności resolwera.
Układ uzwojeń jest w całości umieszczony na stojanie i obejmuje uzwojenie wzbudzenia oraz dwa ortogonalne uzwojenia wyjściowe (uzwojenie sinusoidalne i cosinusoidalne). Uzwojenia te są skupione i rozmieszczone według wzoru sinusoidalnego, aby zapewnić sinusoidalną charakterystykę sygnałów wyjściowych. Warto zauważyć, że uzwojenia wyjściowe są ułożone w konfiguracji naprzemiennej i odwrotnej, skutecznie tłumiąc zakłócenia harmoniczne i poprawiając czystość sygnału.
Zasada pozycjonowania oparta na zmianie reluktancji
Zasada działania reluktancji opiera się na modulacji przewodności magnetycznej w szczelinie powietrznej . Kiedy do uzwojenia wzbudzenia zostanie przyłożone sinusoidalne napięcie prądu przemiennego (zwykle 7 V przy 1–10 kHz), w stojanie generowane jest zmienne pole magnetyczne. To pole magnetyczne przechodzi przez szczelinę powietrzną do wirnika. Ze względu na obecność zębów wirnika, reluktancja magnetyczna (odwrotność przewodności magnetycznej) obwodu magnetycznego zmienia się cyklicznie wraz z położeniem wirnika.
W szczególności, gdy zęby wirnika pokrywają się z zębami stojana, reluktancja jest minimalizowana, a strumień magnetyczny maksymalizowany. I odwrotnie, gdy szczeliny wirnika są ustawione w jednej linii z zębami stojana, reluktancja jest maksymalizowana, a strumień magnetyczny minimalizowany. Dla każdej podziałki zębów, którą obraca się wirnik, przewodność magnetyczna szczeliny powietrznej wykonuje pełny cykl zmian. Ta modulacja pola magnetycznego wzbudzenia indukuje w uzwojeniach wyjściowych sygnały napięciowe, 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 cosinusowego: e_c=E_cmsinθsinωt
Tutaj θ reprezentuje kąt mechaniczny wirnika, a ω jest częstotliwością kątową sygnału wzbudzenia. W idealnym przypadku Eₛₘ i E_cm powinny być równe, ale tolerancje produkcyjne mogą powodować błędy amplitudy, wymagające kalibracji lub kompensacji obwodu.
Pary biegunów i dokładność pomiaru
Pary biegunów reluktancji są krytycznym parametrem bezpośrednio wpływającym na dokładność i rozdzielczość pomiaru. Liczba par biegunów odpowiada liczbie zębów wirnika i określa mechaniczny kąt obrotu wymagany do pełnego cyklu sygnału elektrycznego. Na przykład resolwer z 4 parami biegunów będzie wytwarzał 4 cykle sygnału elektrycznego na obrót mechaniczny, skutecznie „wzmacniając” kąt mechaniczny czterokrotnie do celów pomiaru.
Dostępne na rynku reluktancje mają od 1 do 12 par biegunów. Większa liczba biegunów teoretycznie umożliwia wyższą rozdzielczość kątową, a 12-biegunowe rezolwery zapewniają dokładność ±0,1° lub lepszą. Jednakże rosnąca liczba par biegunów zwiększa również złożoność przetwarzania sygnału, co wymaga kompromisu w zależności od wymagań aplikacji.
Ta metoda pomiaru kąta, oparta na zmianie reluktancji i indukcji elektromagnetycznej, umożliwia stabilną pracę reluktancji w szerokim zakresie temperatur (od -55°C do +155°C) ze stopniem ochrony do IP67 lub wyższym. Są odporne na silne wibracje i wstrząsy, dzięki czemu idealnie nadają się do wymagających środowisk, takich jak motoryzacja, lotnictwo i zastosowania wojskowe.
Techniki przetwarzania sygnału i obliczania kąta
Sygnały analogowe wysyłane przez reluktancje wymagają wyspecjalizowanych obwodów przetwarzających w celu przekształcenia ich w użyteczną cyfrową informację o kącie. Proces ten obejmuje złożone algorytmy kondycjonowania i dekodowania sygnału, które mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wysokiej precyzji pozycjonowania w systemach rezolwerowych.
Od sygnałów analogowych do kątów cyfrowych
Surowe sygnały z przelicznika reluktancyjnego to dwie fale sinusoidalne (sinθsinωt i cosθsinωt) modulowane przez kąt wirnika. Wyodrębnianie informacji o kącie θ obejmuje kilka etapów przetwarzania. Najpierw sygnały poddawane są filtrowaniu pasmowo-przepustowemu w celu usunięcia szumów o wysokiej częstotliwości i zakłóceń o niskiej częstotliwości. Następnie demodulacja czuła na fazę (lub demodulacja synchroniczna) usuwa częstotliwość nośną (zwykle 10 kHz), dając sygnały o niskiej częstotliwości sinθ i cosθ zawierające informację o kącie.
Nowoczesne systemy dekodowania zazwyczaj wykorzystują cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) lub dedykowane konwertery resolwera na cyfrę (RDC) do obliczania kąta. Procesory te wykorzystują algorytmy CORDIC (cyfrowy komputer obrotu współrzędnych) lub operacje arcus tangens do konwersji sygnałów sinθ i cosθ na cyfrowe wartości kąta. Na przykład mikrokontroler dsPIC30F3013 ma wbudowany moduł ADC do synchronicznego próbkowania dwóch sygnałów, a następnie algorytmy oprogramowania do obliczania dokładnego kąta.
Kompensacja błędów i zwiększenie dokładności
W zastosowaniach praktycznych różne czynniki mogą powodować błędy pomiarowe, w tym:
· Nierównowaga amplitudy:
Nierówne amplitudy sygnałów wyjściowych sinus i cosinus (Eₛₘ≠E_cm)
· Odchylenie fazowe:
Nieidealna różnica fazowa wynosząca 90° pomiędzy dwoma sygnałami
· Zniekształcenia harmoniczne:
Zniekształcenia sygnału spowodowane niesinusoidalnym rozkładem pola magnetycznego
· Błąd ortogonalny:
Odchylenie kątowe spowodowane nieprecyzyjnym montażem uzwojenia
Aby poprawić dokładność systemu, zaawansowane obwody dekodujące wykorzystują różne techniki kompensacji. Na przykład obwody automatycznej kontroli wzmocnienia (AGC) równoważą amplitudy dwóch sygnałów, filtry cyfrowe tłumią zakłócenia harmoniczne, a algorytmy oprogramowania uwzględniają warunki kompensacji błędów. Dzięki skrupulatnemu projektowi i kalibracji systemy rezolwerów mogą osiągać błędy kątowe w zakresie ± 0,1°, spełniając wymagania większości zastosowań wymagających dużej precyzji.
Trendy w nowych technologiach dekodowania
Postępy w technologii półprzewodników napędzają innowacje w przetwarzaniu sygnałów w rezolwerach. Tradycyjne układy demodulacji składające się z elementów dyskretnych są stopniowo zastępowane rozwiązaniami zintegrowanymi . Niektóre nowe chipy dekodera integrują generatory sygnału wzbudzenia, obwody kondycjonowania sygnału i cyfrowe jednostki obliczeniowe, znacznie upraszczając projektowanie systemu.
Tymczasem dekodowanie programowe zyskuje na popularności. Podejście to wykorzystuje moc obliczeniową wysokowydajnych mikroprocesorów do implementowania większości funkcji przetwarzania sygnałów w oprogramowaniu, oferując większą elastyczność i programowalność. Na przykład parametry filtrów, algorytmy kompensacji, a nawet formaty danych wyjściowych można dostosować w celu uzyskania niestandardowych rozwiązań pomiaru kąta.
Warto zauważyć, że system dekodowania jest równie istotny jak sam resolwer. Dobrze zaprojektowany obwód dekodujący może w pełni wykorzystać potencjał wydajności resolwera, natomiast rozwiązanie dekodujące niskiej jakości może stać się wąskim gardłem całego systemu pomiarowego. Dlatego przy wyborze rozwiązania resolwera należy dokładnie rozważyć kompatybilność czujnika i dekodera.
Zalety wydajności i obszary zastosowań reluktancji
Dzięki unikalnym zasadom działania i konstrukcji strukturalnej resolwery reluktancyjne przewyższają tradycyjne czujniki położenia pod kilkoma kluczowymi wskaźnikami wydajności. Te zalety sprawiają, że są one preferowanym wyborem do wykrywania kąta w wielu wymagających zastosowaniach przemysłowych.
Wszechstronna przewaga wydajności nad tradycyjnymi czujnikami
W porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami do wykrywania położenia, takimi jak enkodery optyczne i czujniki Halla, resolwery reluktancyjne wykazują wszechstronne zalety w zakresie wydajności:
· Wyjątkowa zdolność adaptacji do środowiska:
Działa stabilnie w temperaturach od -55°C do +155°C, ze stopniem ochrony do IP67 lub wyższym i może wytrzymać silne wibracje i wstrząsy (np. trudne warunki, takie jak komory silnika samochodowego).
· Bezdotykowa długa żywotność:
Brak uzwojeń i szczotek na wirniku eliminuje zużycie mechaniczne, zapewniając teoretyczną żywotność wynoszącą dziesiątki tysięcy godzin.
· Ultraszybka reakcja:
Obsługuje prędkości do 60 000 obr./min, co znacznie przekracza ograniczenia większości enkoderów optycznych.
· Pomiar położenia bezwzględnego:
dostarcza informacji o kącie bezwzględnym bez konieczności stosowania punktu odniesienia, dostarczając dane o położeniu natychmiast po włączeniu zasilania.
· Silne właściwości przeciwzakłóceniowe:
Opierając się na indukcji elektromagnetycznej, jest niewrażliwy na kurz, olej, wilgoć i zewnętrzne pola magnetyczne.
Podstawowe zastosowania w pojazdach nowej energii
W branży pojazdów wykorzystujących nową energię resolwenty reluktancyjne stały się złotym standardem w wykrywaniu położenia silnika. Są one szeroko stosowane w układach sterowania silnikiem napędowym pojazdów elektrycznych akumulatorowych (BEV) i hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV), a ich kluczowe funkcje obejmują:
· Wykrywanie położenia wirnika:
Dostarcza precyzyjnych informacji o kącie wirnika do sterowania wektorowego silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM).
· Pomiar prędkości:
Oblicza prędkość silnika na podstawie szybkości zmiany kąta, umożliwiając kontrolę prędkości w zamkniętej pętli.
· Elektryczne wspomaganie kierownicy (EPS):
wykrywa kąt skrętu kierownicy, aby zapewnić dokładne wspomaganie kierowania.
Automatyka przemysłowa i zastosowania specjalne
Poza sektorem motoryzacyjnym reluktancje są również szeroko stosowane w automatyce przemysłowej:
· Obrabiarki CNC:
Pozycjonowanie wrzeciona i pomiar kąta osi posuwu.
· Przeguby robota:
Precyzyjna kontrola ruchów ramion robota.
· Maszyny włókiennicze:
kontrola naprężenia przędzy i wykrywanie kąta nawoju.
· Wtryskarki:
Monitorowanie i kontrola położenia ślimaka.
· Wojsko i lotnictwo:
pozycjonowanie anten radarowych, sterowanie sterem rakietowym i inne zastosowania w ekstremalnych warunkach.
W kolei dużych prędkości i transporcie kolejowym resolwery reluktancyjne są stosowane do wykrywania prędkości i położenia silników trakcyjnych, gdzie ich wysoka niezawodność i bezobsługowość znacznie zmniejszają koszty cyklu życia. W trudnych warunkach, takich jak maszyny górnicze (np. pojazdy do podziemnego transportu węgla i silniki przenośników taśmowych), coraz częściej w miejsce tradycyjnych czujników stosuje się reluktanty.
Wraz z pojawieniem się Przemysłu 4.0 i inteligentnej produkcji, rozwiązania reluktancyjne ewoluują w kierunku większej precyzji, mniejszych rozmiarów i większej inteligencji. Produkty nowej generacji skupią się na kompatybilności ze zintegrowanymi konstrukcjami napędu silnik-przekładnia, a także na opracowaniu wariantów odpornych na olej i wysoką temperaturę, aby sprostać wymaganiom układów chłodzonych olejem. Ponadto oczekuje się, że transmisja bezprzewodowa i możliwości autodiagnostyki staną się przyszłymi trendami, co jeszcze bardziej rozszerzy zakres ich zastosowań.
Wyzwania techniczne i przyszłe trendy dla osób reluktancyjnych
Pomimo swojej wyjątkowej wydajności i niezawodności w różnych dziedzinach, reluktancje nadal stoją przed wyzwaniami technicznymi i wykazują jasne kierunki innowacji.
Istniejące wąskie gardła i rozwiązania techniczne
Wysokie wymagania dotyczące precyzji produkcji są głównym wyzwaniem dla firm zajmujących się reluktancją. Dokładność obróbki zębów stojana, równomierność rozkładu uzwojeń i równowaga dynamiczna wirnika bezpośrednio wpływają na dokładność i wydajność czujnika. W przypadku precyzyjnych resolwerów z wieloma parami biegunów (np. 12 par biegunów) nawet błędy produkcyjne na poziomie mikrona mogą prowadzić do niedopuszczalnych błędów amplitudy lub fazy. Rozwiązania tego problemu obejmują:
· Zastosowanie precyzyjnych form do tłoczenia i zautomatyzowanych procesów laminowania w celu zapewnienia spójności i dokładności szczelin zębów w rdzeniu.
· Wprowadzenie analizy pola magnetycznego metodą elementów skończonych w celu optymalizacji projektu obwodu magnetycznego i kompensacji tolerancji produkcyjnych.
· Opracowanie algorytmów samokompensacji w celu automatycznego korygowania nieodłącznych błędów czujnika podczas przetwarzania sygnału.
Kolejnym wyzwaniem jest złożoność integracji systemu . Chociaż sam resolwer ma prostą strukturę, kompletny system pomiarowy obejmuje podsystemy, takie jak zasilacze wzbudzenia, obwody kondycjonowania sygnału i algorytmy dekodowania, które, jeśli są źle zaprojektowane, mogą stać się wąskimi gardłami. Aby rozwiązać ten problem, branża zmierza w kierunku zintegrowanych rozwiązań :
· Integracja generatorów wzbudzenia, obwodów kondycjonowania sygnału i dekodowania w jednym chipie w celu uproszczenia projektowania systemu.
· Opracowanie standardowych interfejsów (np. SPI, CAN) w celu bezproblemowej integracji z głównymi sterownikami.
· Udostępnianie kompleksowych zestawów programistycznych, w tym projektów referencyjnych, bibliotek oprogramowania i narzędzi kalibracyjnych.
Kierunki innowacji i przyszłe trendy
Innowacje materiałowe przyniosą przełomowe rezultaty w leczeniu niechęci. Nowe miękkie kompozyty magnetyczne (SMC) o trójwymiarowych izotropowych właściwościach magnetycznych mogą zoptymalizować rozkład pola magnetycznego i zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne. Tymczasem materiały izolacyjne odporne na wysokie temperatury i powłoki odporne na korozję poszerzą zakres środowiska operacyjnego czujnika.
Inteligencja to kolejny kluczowy kierunek dla przyszłych osób rozwiązujących niechęć. Integrując mikroprocesory i interfejsy komunikacyjne, rezolwery mogą osiągnąć:
· Funkcje autodiagnostyki:
Monitorowanie stanu czujnika w czasie rzeczywistym i przewidywanie pozostałej żywotności.
· Kompensacja adaptacyjna:
Automatyczna regulacja parametrów kompensacji w oparciu o zmiany środowiskowe (np. temperaturę).
·Interfejsy sieciowe:
obsługa zaawansowanych protokołów komunikacyjnych, takich jak Industrial Ethernet, ułatwiająca integrację z systemami Industrial IoT (IIoT).
Jeśli chodzi o rozszerzenie zastosowań , resolwery reluktancyjne rozwijają się w dwóch kierunkach: w kierunku zastosowań precyzyjnych wyższej klasy (np. sprzęt do produkcji półprzewodników, roboty medyczne) wymagających większej rozdzielczości i niezawodności oraz w kierunku bardziej ekonomicznych i powszechnych zastosowań (np. sprzęt gospodarstwa domowego, elektronarzędzia) poprzez uproszczone projekty i masową produkcję w celu zmniejszenia kosztów.
Szczególnie godnym uwagi trendem jest zastosowanie reluktancji w pojazdach nowej generacji nowej generacji . W miarę ewolucji systemów silnikowych w kierunku wyższych prędkości i integracji czujniki położenia muszą spełniać coraz bardziej rygorystyczne wymagania:
· Obsługa ultrawysokich prędkości przekraczających 20 000 obr./min.
· Tolerancja dla temperatur powyżej 150°C.
· Zgodność z konstrukcjami uszczelnień układów chłodzonych olejem.
· Mniejsze wymiary montażowe i mniejsza waga.
Postęp standaryzacji i industrializacji
W miarę dojrzewania technologii reluktancji, wysiłki normalizacyjne . postępują także W Chinach ustanowiono normy krajowe, takie jak Ogólne specyfikacje techniczne GB/T 31996-2015 dla resolwerów, w celu uregulowania wskaźników wydajności produktu i metod testowania. Pod względem industrializacji chińska technologia rozwiązywania niechęci osiągnęła zaawansowany międzynarodowy poziom.
Można przewidzieć, że wraz z postępem technologicznym i uprzemysłowieniem resolwery reluktancyjne zastąpią tradycyjne czujniki w większej liczbie dziedzin, stając się głównym rozwiązaniem do wykrywania pozycji obrotowej i zapewniając krytyczne wsparcie techniczne dla automatyki przemysłowej i rozwoju nowych pojazdów energetycznych.
