Na automação industrial moderna e no controle mecânico de precisão, a detecção precisa da posição rotacional é crucial. O O resolvedor de relutância , comumente referido como resolvedor, é um sensor altamente confiável amplamente utilizado em servomotores, robótica e outras aplicações que exigem posicionamento preciso. Este artigo apresenta brevemente os princípios de funcionamento dos resolvedores e como eles alcançam o posicionamento rotacional.
Um resolver é um sensor analógico baseado no princípio da indução eletromagnética, capaz de converter o ângulo mecânico de um rotor em sinais elétricos. Ao contrário dos sensores digitais, como os codificadores ópticos, os resolvedores fornecem sinais analógicos contínuos para informações de posição rotacional, oferecendo recursos anti-interferência e confiabilidade superiores, especialmente em ambientes adversos.
Estrutura Central e Princípios de Trabalho dos Resolvedores de Relutância
Para entender como os resolvedores de relutância alcançam um posicionamento rotacional preciso, é essencial aprofundar-se em sua estrutura física única. O design engenhoso destes sensores constitui a base do seu alto desempenho e exemplifica a aplicação prática dos princípios de indução eletromagnética.
Projeto Estrutural Revolucionário
A estrutura de um resolver de relutância consiste em três componentes principais: o núcleo do estator , , o núcleo do rotor e o sistema de enrolamento . O núcleo do estator é laminado a partir de chapas de aço silício de alta permeabilidade, com dentes grandes (sapatas polares) perfurados na circunferência interna, cada um dividido em pequenos dentes uniformemente espaçados. A disposição e a forma destes pequenos dentes são meticulosamente calculadas para garantir uma distribuição sinusoidal ideal do campo magnético. O rotor é mais simples, feito apenas de lâminas dentadas de aço silício, sem enrolamentos ou componentes eletrônicos. Este design “passivo” é fundamental para a alta confiabilidade do resolvedor.
O sistema de enrolamento está inteiramente localizado no estator e inclui um enrolamento de excitação e dois ortogonais enrolamentos de saída (enrolamentos seno e cosseno). Esses enrolamentos são concentrados e distribuídos de acordo com um padrão senoidal para garantir as características senoidais dos sinais de saída. Notavelmente, os enrolamentos de saída são dispostos em uma configuração de série alternada e reversa, suprimindo efetivamente a interferência harmônica e melhorando a pureza do sinal.
Princípio de Posicionamento Baseado na Variação da Relutância
O princípio de funcionamento de um resolvedor de relutância gira em torno da modulação da condutância magnética do entreferro . Quando uma tensão CA senoidal (normalmente 7V a 1-10kHz) é aplicada ao enrolamento de excitação, um campo magnético alternado é gerado no estator. Este campo magnético passa através do entreferro até o rotor. Devido à presença dos 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 as ranhuras do rotor se alinham com os dentes do estator, a relutância é maximizada e o fluxo magnético é minimizado. Para cada passo do dente que o rotor gira, a condutância magnética do entreferro completa um ciclo completo de variação. Esta 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 do enrolamento senoidal: eₛ=Eₛₘcosθsinωt
· Saída do enrolamento cosseno: e_c=E_cmsinθsinωt
Aqui, θ representa o ângulo mecânico do rotor e ω 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 calibração ou compensação do circuito.
Pares de pólos e precisão de medição
Os pares de pólos de um resolvedor de relutância são um parâmetro crítico que afeta diretamente sua precisão e resolução de medição. O número de pares de pólos corresponde à contagem de dentes do rotor e determina o ângulo de rotação mecânica necessário para um ciclo completo do sinal elétrico. Por exemplo, um resolver com 4 pares de pólos produzirá 4 ciclos de sinais elétricos por rotação mecânica, efetivamente “amplificando” o ângulo mecânico por um fator de 4 para medição.
Os resolvedores de relutância comuns no mercado variam de 1 a 12 pares de pólos. Teoricamente, contagens de pólos mais altas permitem maior resolução angular, com resolvedores de 12 pólos alcançando ±0,1° ou melhor precisão. No entanto, o aumento dos pares de pólos também aumenta a complexidade do processamento do sinal, necessitando de uma compensação baseada nos requisitos da aplicação.
Este método de medição de ângulo, baseado na variação de relutância e na indução eletromagnética, permite que os resolvers de relutância operem de forma estável em uma ampla faixa de temperatura (-55°C a +155°C), com classificações de proteção de até IP67 ou superiores. Eles podem suportar fortes vibrações e choques, tornando-os ideais para ambientes exigentes, como aplicações automotivas, aeroespaciais e militares.
Técnicas de Processamento de Sinais e Cálculo de Ângulos
Os sinais analógicos emitidos pelos resolvedores de relutância requerem circuitos de processamento especializados para convertê-los em informações de ângulo digital utilizáveis. Este processo envolve algoritmos complexos de condicionamento e decodificação de sinais, que são essenciais para obter posicionamento de alta precisão em sistemas resolver.
Dos sinais analógicos aos ângulos digitais
Os sinais brutos de um resolvedor de relutância são duas ondas senoidais (sinθsinωt e cosθsinωt) moduladas pelo ângulo do rotor. A extração da informação do ângulo θ envolve várias etapas de processamento. Primeiro, os sinais passam por filtragem passa-banda para remover ruídos de alta frequência e interferências de baixa frequência. Em seguida, a demodulação sensível à fase (ou demodulação síncrona) remove a frequência da portadora (normalmente 10kHz), produzindo sinais de baixa frequência sinθ e cosθ contendo as informações do ângulo.
Os sistemas de decodificação modernos normalmente usam processadores de sinal digital (DSPs) ou conversores resolver-to-digital (RDC) dedicados para cálculo de ângulo. Esses processadores empregam algoritmos CORDIC (Computador Digital de Rotação Coordenada) ou operações de arco tangente para converter os sinais senθ e cosθ em valores de ângulo digital. Por exemplo, o microcontrolador dsPIC30F3013 possui um módulo ADC integrado para amostragem síncrona dos dois sinais, seguido por algoritmos de software para calcular o ângulo preciso.
Compensação de erros e aprimoramento de precisão
Em aplicações práticas, vários fatores podem introduzir erros de medição, incluindo:
· Desequilíbrio de amplitude:
Amplitudes desiguais dos sinais de saída seno e cosseno (Eₛₘ≠E_cm)
· Desvio de fase:
diferença de fase não ideal de 90° entre os dois sinais
· Distorção harmônica:
Distorção do sinal devido à distribuição do campo magnético não sinusoidal
· Erro ortogonal:
Desvio angular causado por instalação imprecisa do enrolamento
Para melhorar a precisão do sistema, os circuitos de decodificação avançados empregam diversas técnicas de compensação. Por exemplo, os circuitos de controle automático de ganho (AGC) equilibram as amplitudes dos dois sinais, os filtros digitais suprimem a interferência harmônica e os algoritmos de software incorporam termos de compensação de erros. Com projeto e calibração meticulosos, os sistemas resolver podem atingir erros de ângulo dentro de ±0,1°, atendendo aos requisitos da maioria das aplicações 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 demodulação de componentes discretos estão sendo gradualmente substituídos por soluções integradas . Alguns novos chips decodificadores integram geradores de sinais de excitação, circuitos de condicionamento de sinais e unidades de cálculo digital, simplificando significativamente o projeto do sistema.
Enquanto isso, a decodificação definida por software está ganhando popularidade. Esta abordagem aproveita o poder computacional de microprocessadores de alto desempenho para implementar a maioria das funções de processamento de sinais em software, oferecendo maior flexibilidade e programabilidade. Por exemplo, parâmetros de filtro, algoritmos de compensação ou até mesmo formatos de dados de saída podem ser ajustados para soluções personalizadas de medição de ângulos.
Vale a pena notar que o sistema de decodificação é tão crucial quanto o próprio resolvedor. Um circuito de decodificação bem projetado pode realizar plenamente 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 resolução, 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 funcionamento exclusivos e design estrutural, os resolvedores de relutância superam os sensores de posição tradicionais em diversas métricas importantes de desempenho. Estas vantagens os tornam a escolha preferida para detecção de ângulo em muitas aplicações industriais exigentes.
Superioridade abrangente de desempenho em relação aos sensores tradicionais
Em comparação com dispositivos tradicionais de detecção de posição, como codificadores ópticos e sensores Hall, os resolvedores de relutância apresentam vantagens gerais de desempenho:
· Adaptabilidade ambiental excepcional:
Opera de forma estável em temperaturas que variam de -55°C a +155°C, com classificações de proteção de até IP67 ou superior, e pode suportar fortes vibrações e choques (por exemplo, ambientes agressivos como compartimentos de motores automotivos).
· Longa vida útil 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 em velocidade ultra-alta:
Suporta velocidades de até 60.000 RPM, excedendo em muito os limites da maioria dos codificadores ópticos.
· Medição de posição absoluta:
Fornece informações de ângulo absoluto sem a necessidade de um ponto de referência, fornecendo dados de posição imediatamente após a inicialização.
· Forte capacidade anti-interferência:
Baseado na indução eletromagnética, é insensível a poeira, óleo, umidade e campos magnéticos externos.
Principais aplicações em veículos de novas energias
Na indústria de veículos de nova energia, os resolvedores de relutância tornaram-se o padrão ouro para detecção de posição de motor. Eles são amplamente utilizados nos sistemas de controle de motores de veículos elétricos a bateria (BEVs) e veículos elétricos híbridos (HEVs), com funções principais incluindo:
· Detecção da posição do rotor:
Fornece informações precisas sobre o 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 mudança de ângulo, permitindo o controle de velocidade em malha fechada.
· Direção assistida elétrica (EPS):
detecta o ângulo do volante para fornecer assistência de direção precisa.
Automação Industrial e Aplicações Especiais
Além do setor automotivo, os resolvedores de relutância também são amplamente utilizados na automação industrial:
· Máquinas-ferramentas CNC:
Posicionamento do fuso e medição do ângulo do eixo de alimentação.
· Articulações robóticas:
Controle preciso dos movimentos do braço robótico.
· Máquinas têxteis:
Controle de tensão do fio e detecção do ângulo de enrolamento.
· Máquinas injetoras:
Monitoramento e controle da posição dos parafusos.
· Militar e aeroespacial:
posicionamento de antenas de radar, controle de lemes de mísseis e outras aplicações em ambientes extremos.
No transporte ferroviário e ferroviário de alta velocidade, os resolvedores de relutância são usados para detecção de velocidade e posição do motor de tração, onde sua alta confiabilidade e recursos livres de manutenção reduzem significativamente os custos do ciclo de vida. Ambientes adversos, 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 sensores tradicionais.
Com o advento da Indústria 4.0 e da fabricação inteligente, os resolvedores de relutância estão evoluindo em direção a maior precisão, menor tamanho e maior inteligência. Os produtos da próxima geração se concentrarão na compatibilidade com projetos integrados de motor-caixa de engrenagens, bem como no desenvolvimento de variantes resistentes a óleo e resistentes a altas temperaturas para atender às demandas de sistemas refrigerados a óleo. Além disso, espera-se que a transmissão sem fio e as capacidades de autodiagnóstico se tornem tendências futuras, expandindo ainda mais o seu escopo de aplicação.
Desafios técnicos e tendências futuras para solucionadores de relutância
Apesar de seu excelente desempenho e confiabilidade em vários campos, os resolvedores de relutância ainda enfrentam desafios técnicos e apresentam direções claras de inovação.
Gargalos e soluções técnicas existentes
Os requisitos de alta precisão de fabricação são um grande desafio para os resolvedores de relutância. A precisão da usinagem dos dentes do estator, a uniformidade da distribuição do enrolamento e o equilíbrio dinâmico do rotor afetam diretamente a precisão e o desempenho do sensor. Para resolvers de alta precisão com múltiplos pares de pólos (por exemplo, 12 pares de pólos), mesmo erros de fabricação em nível de mícron podem levar a erros inaceitáveis de amplitude ou fase. As soluções para esse problema incluem:
· Adotando moldes de estampagem de alta precisão e processos de laminação automatizados para garantir consistência e precisão do slot do dente no núcleo.
· Introdução da análise de campo magnético de elementos finitos para otimizar o projeto do circuito magnético e compensar as tolerâncias de fabricação.
· Desenvolvimento de algoritmos de autocompensação para corrigir automaticamente erros inerentes ao sensor durante o processamento de sinais.
Outro desafio é a complexidade da integração do sistema . Embora o resolvedor em si tenha uma estrutura simples, um sistema de medição completo inclui subsistemas como fontes de alimentação de excitação, circuitos de condicionamento de sinal e algoritmos de decodificação, que podem se tornar gargalos se forem mal projetados. Para resolver isso, a indústria está migrando para soluções integradas :
· Integração de geradores de excitação, condicionamento de sinal e circuitos de decodificação em um único chip para simplificar o projeto 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 de materiais trará avanços de desempenho para resolvedores de relutância. Novos compósitos magnéticos moles (SMCs) com propriedades magnéticas isotrópicas tridimensionais podem otimizar a distribuição do campo magnético e reduzir a distorção harmônica. Enquanto isso, materiais isolantes estáveis em altas temperaturas 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 de autodiagnóstico:
Monitoramento em tempo real da integridade do sensor e previsão da vida útil restante.
· Compensação adaptativa:
Ajuste automático de parâmetros de compensação com base em mudanças ambientais (por exemplo, temperatura).
·Interfaces em rede:
Suporte para protocolos de comunicação avançados como Ethernet Industrial, facilitando a integração em sistemas IoT Industriais (IIoT).
Em termos de expansão de aplicações , 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 exigem maior resolução e confiabilidade, e em direção a aplicações mais econômicas e generalizadas (por exemplo, eletrodomésticos, ferramentas elétricas) através de projetos simplificados e produção em massa para reduzir custos.
Uma tendência particularmente digna de nota é a aplicação de resolvedores de relutância em veículos de nova geração de energia . À medida que os sistemas motores evoluem em direção a velocidades e integração mais altas, os sensores de posição devem atender a 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 sistemas resfriados a óleo.
· Dimensões de instalação menores e peso mais leve.
Progresso da Padronização e Industrialização
À medida que a tecnologia de resolução de relutância amadurece, os esforços de padronização também avançam. A China estabeleceu padrões nacionais como GB/T 31996-2015 Especificações Técnicas Gerais para Resolvedores para regular métricas de desempenho de produtos e métodos de teste. Em termos de industrialização, a tecnologia chinesa de resolução de relutância atingiu níveis avançados internacionais.
É previsível que, com o progresso tecnológico e a industrialização, os resolvedores de relutância substituam os sensores tradicionais em mais campos, tornando-se a solução principal para a detecção de posição rotacional e fornecendo suporte técnico crítico para a automação industrial e o desenvolvimento de veículos com novas energias.
