Na moderna automação industrial e controle mecânico de precisão, a detecção precisa da posição de rotação é crucial. O O resolvedor de relutância , comumente referido como resolvedor, é um sensor altamente confiável amplamente utilizado em servo motores, robótica e outros aplicativos que requerem posicionamento preciso. Este artigo apresenta brevemente os princípios de trabalho dos resolvedores e como eles alcançam o posicionamento rotacional.
Um resolvedor é um sensor analógico baseado no princípio da indução eletromagnética, capaz de converter o ângulo mecânico de um rotor em sinais elétricos. Diferentemente dos sensores digitais, como codificadores ópticos, os resolvedores fornecem sinais analógicos contínuos para obter informações de posição rotacional, oferecendo recursos e confiabilidade superior anti-interferência, especialmente em ambientes severos.
Estrutura central e princípios de trabalho dos resolvedores de relutância
Para entender como os resolvedores de relutância alcançam o posicionamento rotacional preciso, é essencial mergulhar em sua estrutura física única. O design engenhoso desses sensores forma a base de seu alto desempenho e exemplifica a aplicação prática dos princípios de indução eletromagnética.
Projeto estrutural revolucionário
A estrutura de um resolvedor de relutância consiste em três componentes principais: o do núcleo do estator , núcleo do rotor e o sistema de enrolamento . O núcleo do estator é laminado a partir de folhas de aço de alta permeabilidade, com dentes grandes (sapatos de vara) perfurados na circunferência interna, cada um dividido em pequenos dentes pequenos espaçados uniformes. O arranjo e a forma desses dentes pequenos são meticulosamente calculados para garantir uma distribuição ideal do campo magnético sinusoidal. O rotor é mais simples, feito apenas de laminações de aço de silício dentadas sem enrolamentos ou componentes eletrônicos. Este design 'passivo ' é essencial para a alta confiabilidade do resolvedor.
O sistema de enrolamento está totalmente localizado no estator e inclui um enrolamento de excitação e dois enrolamentos de saída ortogonais (enrolamentos senoidal e cosseno). Esses enrolamentos são concentrados e distribuídos de acordo com um padrão sinusoidal para garantir as características sinusoidais dos sinais de saída. Notavelmente, os enrolamentos de saída são organizados em uma configuração alternada e reversa, suprimindo efetivamente a interferência harmônica e melhorando a pureza do sinal.
Princípio de posicionamento com base na variação de relutância
O princípio de trabalho de um resolvedor de relutância gira em torno da modulação de condutância magnética do Air Gap . Quando uma tensão CA sinusoidal (normalmente 7V a 1-10kHz) é aplicada ao enrolamento da excitação, um campo magnético alternado é gerado no estator. Este campo magnético passa através da lacuna de ar para o rotor. Devido à presença de dentes do rotor, a relutância magnética (o inverso da condutância magnética) do circuito magnético muda ciclicamente com a posição do rotor.
Especificamente, quando os dentes do rotor se alinham com os dentes do estator, a relutância é minimizada e o fluxo magnético é maximizado. Por outro lado, quando os slots do rotor se alinham com os dentes do estator, a relutância é maximizada e o fluxo magnético é minimizado. Para cada inclinação do dente, o rotor gira, a condutância magnética do espaço de ar completa um ciclo completo de variação. Essa modulação do campo magnético de excitação induz sinais de tensão nos enrolamentos de saída, cujas amplitudes se correlacionam com a posição angular do rotor.
Matematicamente, se a tensão de excitação for E₁ = e₁msinωt, as tensões dos dois enrolamentos de saída podem ser expressas como:
· Saída de enrolamento seno
· Saída de enrolamento cosseno: e_c = e_cmsinθsinωt
Aqui, θ representa o ângulo mecânico do rotor e é a frequência angular do sinal de excitação. Idealmente, Eₛₘ e E_CM devem ser iguais, mas as tolerâncias de fabricação podem introduzir erros de amplitude, exigindo compensação de calibração ou circuito.
Pares de postes e precisão de medição
Os pares de polos de um resolvedor de relutância são um parâmetro crítico que afeta diretamente sua precisão e resolução de medição. O número de pares de polos corresponde à contagem de dentes do rotor e determina o ângulo de rotação mecânico necessário para um ciclo de sinal elétrico completo. Por exemplo, um resolvedor com 4 pares de pólo produzirá 4 ciclos de sinal elétrico por rotação mecânica, efetivamente 'amplificando ' o ângulo mecânico por um fator de 4 para medição.
Os resolvedores comuns de relutância no mercado variam de 1 a 12 pares de polos. Teoricamente, a maior contagem de póis permite uma resolução angular mais alta, com resolvedores de 12 polos atingindo ± 0,1 ° ou melhor precisão. No entanto, o aumento dos pares de pole também aumenta a complexidade do processamento de sinais, necessitando de um trade-off com base nos requisitos de aplicativos.
Esse método de medição do ângulo, com base na variação de relutância e indução eletromagnética, permite que os resolvedores de relutância operem estável em uma ampla faixa de temperatura (-55 ° C a +155 ° C), com classificações de proteção até IP67 ou mais. Eles podem suportar vibrações e choques fortes, tornando -os ideais para ambientes exigentes, como aplicações automotivas, aeroespaciais e militares.
Técnicas de processamento de sinal e cálculo de ângulo
A saída de sinais analógicos por resolvedores de relutância exigem circuitos de processamento especializados para convertê -los em informações utilizáveis do ângulo digital. Esse processo envolve algoritmos complexos de condicionamento e decodificação de sinal, que são críticos para alcançar o posicionamento de alta precisão nos sistemas de resolver.
De sinais analógicos a ângulos digitais
Os sinais brutos de um resolvedor de relutância são duas ondas senoidais (sinθsinωt e cosθsinωt) moduladas pelo ângulo do rotor. Extrair as informações do ângulo θ envolve várias etapas de processamento. Primeiro, os sinais passam por filtragem de passa-banda para remover ruído de alta frequência e interferência de baixa frequência. Em seguida, a desmodulação sensível à fase (ou desmodulação síncrona) remove a frequência da transportadora (normalmente 10kHz), produzindo sinais de baixa frequência sinθ e cosθ contendo as informações do ângulo.
Os sistemas de decodificação modernos geralmente usam processadores de sinal digital (DSPs) ou conversores de resolver-to-digital dedicados (RDC) para cálculo de ângulo. Esses processadores empregam algoritmos Cordic (Rotation Rotation Digital Computer) ou operações de arctangent para converter os sinais Sinθ e Cosθ em valores de ângulo digital. Por exemplo, o microcontrolador DSPIC30F3013 possui um módulo ADC integrado para amostragem síncrona dos dois sinais, seguida de algoritmos de software para calcular o ângulo preciso.
Compensação de erro e aprimoramento da precisão
Em aplicações práticas, vários fatores podem introduzir erros de medição, incluindo:
· Desequilíbrio de amplitude : amplitudes desiguais de sinais de saída seno e cosseno (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Desvio de fase : diferença de fase de 90 ° não ideal entre os dois sinais
· Distorção harmônica : distorção do sinal devido à distribuição do campo magnético não sinusóidal
· Erro ortogonal : desvio angular causado por instalação imprecisa de enrolamento
Para melhorar a precisão do sistema, os circuitos avançados de decodificação empregam várias técnicas de compensação. Por exemplo, os circuitos de controle automático de ganho (AGC) equilibram as amplitudes dos dois sinais, filtros digitais suprimem interferência harmônica e algoritmos de software incorporam termos de compensação de erro. Com design e calibração meticulosos, os sistemas de resolver podem atingir erros de ângulo em ± 0,1 °, atendendo aos requisitos da maioria dos aplicativos de alta precisão.
Tendências em novas tecnologias de decodificação
Os avanços na tecnologia de semicondutores estão impulsionando a inovação no processamento de sinais de resolver. Os circuitos tradicionais de desmodulação de componentes discretos estão gradualmente sendo substituídos por soluções integradas . Alguns novos chips decodificadores integram geradores de sinal de excitação, circuitos de condicionamento de sinal e unidades de cálculo digital, simplificando significativamente o design do sistema.
Enquanto isso, a decodificação definida por software está ganhando popularidade. Essa abordagem aproveita o poder computacional dos microprocessadores de alto desempenho para implementar a maioria das funções de processamento de sinais no software, oferecendo maior flexibilidade e programabilidade. Por exemplo, parâmetros de filtro, algoritmos de compensação ou até formatos de dados de saída podem ser ajustados para soluções de medição de ângulo personalizado.
Vale a pena notar que o sistema de decodificação é tão crucial quanto o próprio resolvedor. Um circuito de decodificação bem projetado pode perceber completamente o potencial de desempenho do resolvedor, enquanto uma solução de decodificação de baixa qualidade pode se tornar o gargalo de todo o sistema de medição. Portanto, ao selecionar uma solução de resolvedor, a compatibilidade entre o sensor e o decodificador deve ser cuidadosamente considerada.
Vantagens de desempenho e áreas de aplicação de resolvedores de relutância
Graças aos seus princípios de trabalho exclusivos e ao design estrutural, os resolvedores de relutância superam os sensores de posição tradicionais em várias métricas importantes de desempenho. Essas vantagens os tornam a escolha preferida para a detecção de ângulos em muitas aplicações industriais exigentes.
Superioridade abrangente de desempenho em relação aos sensores tradicionais
Comparado aos dispositivos tradicionais de detecção de posição, como codificadores ópticos e sensores de salão, os resolvedores de relutância exibem vantagens de desempenho geral:
· Adaptabilidade ambiental excepcional : opera de forma estável em temperaturas que variam de -55 ° C a +155 ° C, com classificações de proteção até IP67 ou mais, e podem suportar vibrações e choques fortes (por exemplo, ambientes severos como compartimentos de motor automotivo).
· Vida longa sem contato : A ausência de enrolamentos ou escovas no rotor elimina o desgaste mecânico, permitindo uma vida útil teórica de dezenas de milhares de horas.
· Resposta de alta velocidade : suporta velocidades de até 60.000 rpm, excedendo em muito os limites da maioria dos codificadores ópticos.
· Medição absoluta de posição : fornece informações de ângulo absoluto sem exigir um ponto de referência, fornecendo dados de posição imediatamente após a energia.
· Forte capacidade anti-interferência : com base na indução eletromagnética, é insensível ao pó, óleo, umidade e campos magnéticos externos.
Aplicações principais em novos veículos energéticos
Na nova indústria de veículos energéticos, os resolvedores de relutância se tornaram o padrão -ouro para a detecção de posição do motor. Eles são amplamente utilizados nos sistemas de controle de motor de unidade de veículos elétricos de bateria (BEVs) e veículos elétricos híbridos (HEVs), com funções -chave, incluindo:
· Detecção da posição do rotor : fornece informações precisas do ângulo do rotor para controle vetorial de motores síncronos de ímã permanente (PMSMS).
· Medição de velocidade : calcula a velocidade do motor a partir da taxa de alteração do ângulo, permitindo o controle de velocidade de circuito fechado.
· Direção elétrica (EPS) : detecta o ângulo do volante para fornecer assistência precisa da direção.
Automação industrial e aplicações especiais
Além do setor automotivo, os resolvedores de relutância também são amplamente utilizados na automação industrial:
· Machine Tools CNC : Medição de posicionamento do eixo e eixo de alimentação.
· Juntas do robô : controle preciso dos movimentos robóticos do braço.
· Máquinas têxteis : controle de tensão do fio e detecção de ângulo de enrolamento.
· Máquinas de moldagem por injeção : Monitoramento e controle da posição do parafuso.
· Militar e aeroespacial : posicionamento da antena de radar, controle de leme de mísseis e outras aplicações de extrema ambiente.
No trânsito ferroviário e ferroviário de alta velocidade, os resolvedores de relutância são usados para velocidade do motor e detecção de posição do motor, onde seus recursos de alta confiabilidade e sem manutenção reduzem significativamente os custos do ciclo de vida. Ambientes severos como máquinas de mineração (por exemplo, veículos subterrâneos de transporte de carvão e motores de correia transportadora) estão adotando cada vez mais resolvedores de relutância para substituir os sensores tradicionais.
Com o advento da indústria 4.0 e a fabricação inteligente, os resolvedores de relutância estão evoluindo para maior precisão, tamanho menor e maior inteligência. Os produtos de próxima geração se concentrarão na compatibilidade com projetos integrados de tração-motor, além de desenvolver variantes resistentes a petróleo e de alta temperatura resistentes a atender às demandas dos sistemas refrigerados por petróleo. Além disso, espera-se que a transmissão sem fio e os recursos autodiagnósticos se tornem tendências futuras, expandindo ainda mais seu escopo de aplicação.
Desafios técnicos e tendências futuras para resolvedores de relutância
Apesar de seu excelente desempenho e confiabilidade em vários campos, os resolvedores de relutância ainda enfrentam desafios técnicos e exibem instruções claras de inovação.
Gargalos e soluções técnicas existentes
Os requisitos de alta precisão de fabricação são um grande desafio para resolvedores de relutância. A precisão da usinagem dos dentes do estator, a uniformidade da distribuição de enrolamento e o equilíbrio dinâmico do rotor afetam diretamente a precisão e o desempenho do sensor. Para resolvedores de alta precisão com vários pares de pólos (por exemplo, 12 pares de pólo), mesmo erros de fabricação no nível de mícrons podem levar a erros inaceitáveis de amplitude ou fase. As soluções para esta questão incluem:
· Adotar moldes de estampagem de alta precisão e processos de laminação automatizada para garantir a consistência e a precisão do slot dentário no núcleo.
· Introdução à análise de campo magnético do elemento finito para otimizar o projeto do circuito magnético e compensar as tolerâncias de fabricação.
· Desenvolvimento de algoritmos de autocompensação para corrigir automaticamente os erros inerentes ao sensor durante o processamento do sinal.
Outro desafio é a complexidade da integração do sistema . Embora o resolvedor tenha uma estrutura simples, um sistema de medição completo inclui subsistemas como fontes de alimentação de excitação, circuitos de condicionamento de sinalização e algoritmos de decodificação, que podem se tornar gargalos se forem mal projetados. Para abordar isso, a indústria está se movendo em direção a soluções integradas :
· Integrar geradores de excitação, condicionamento de sinal e circuitos de decodificação em um único chip para simplificar o design do sistema.
· Desenvolvimento de interfaces padronizadas (por exemplo, SPI, CAN) para integração perfeita com os principais controladores.
· Fornecer kits de desenvolvimento abrangentes, incluindo projetos de referência, bibliotecas de software e ferramentas de calibração.
Direções de inovação e tendências futuras
A inovação material trará avanços no desempenho para os resolvedores de relutância. Novos compósitos magnéticos moles (SMCs) com propriedades magnéticas isotrópicas tridimensionais podem otimizar a distribuição de campo magnético e reduzir a distorção harmônica. Enquanto isso, materiais isolantes estáveis em alta temperatura e revestimentos resistentes à corrosão expandirão a faixa de ambiente operacional do sensor.
A inteligência é outra direção crítica para futuros resolvedores de relutância. Ao integrar microprocessadores e interfaces de comunicação, os resolvedores podem alcançar:
· Funções autodiagnósticas : monitoramento em tempo real da saúde do sensor e previsão restante da vida útil.
· Compensação adaptativa : ajuste automático de parâmetros de compensação com base em mudanças ambientais (por exemplo, temperatura).
· Interfaces em rede : Suporte para protocolos de comunicação avançada como Ethernet industrial, facilitando a integração nos sistemas IoT industrial (IIOT).
Em termos de expansão de aplicativos , os resolvedores de relutância estão avançando em duas direções: em direção a aplicações de precisão de ponta (por exemplo, equipamentos de fabricação de semicondutores, robôs médicos) que requerem maior resolução e confiabilidade e, em direção a aplicações mais econômicas e generalizadas (por exemplo, eletrodomésticos, ferramentas elétricas) por meio de designs simplificados e de produção em massa para reduzir custos.
Uma tendência particularmente notável é a aplicação de resolvedores de relutância nos novos veículos de energia da próxima geração . À medida que os sistemas motores evoluem para velocidades e integração mais altas, os sensores de posição devem atender aos requisitos mais exigentes:
· Suporte para velocidades ultra-altas superiores a 20.000 rpm.
· Tolerância para temperaturas acima de 150 ° C.
· Compatibilidade com projetos de vedação de sistema refrigerado por óleo.
· Dimensões de instalação menores e peso mais leve.
Padronização e progresso da industrialização
À medida que a tecnologia do resolver de relutância amadurece, os esforços de padronização também estão avançando. A China estabeleceu padrões nacionais como GB/T 31996-2015 Especificações técnicas gerais para os resolvedores regularem métricas de desempenho do produto e métodos de teste. Em termos de industrialização, a tecnologia de resolver de relutância chinesa atingiu níveis avançados internacionais.
É previsível que, com o progresso e industrialização tecnológica, os resolvedores de relutância substituam os sensores tradicionais em mais campos, tornando -se a solução convencional para a detecção de posição rotacional e fornecendo suporte técnico crítico para automação industrial e desenvolvimento de veículos energéticos.
