I. Основные принципы работы резольверов с переменным сопротивлением
Во-первых, чтобы понять конструкцию, необходимо понять ее принципиальные отличия от традиционных резольверов с фазным ротором:
· Традиционный резольвер:
И статор, и ротор имеют обмотки. Сигнал возбуждения и выходной сигнал электромагнитно индуцируются через воздушный зазор.
· Резольвер с переменным сопротивлением (VR):
Обмотки есть только у статора . Ротор представляет собой
необмотанный ферромагнитный компонент, состоящий из явнополюсных или зубчатых элементов. Принцип его работы основан на
изменении сопротивления..
o Обмотки статора:
обычно включают одну обмотку возбуждения (первичную) и две выходные обмотки (синусоидальную и косинусоидальную, вторичную), которые пространственно ортогональны (на расстоянии 90 электрических градусов).
o Вращение ротора:
когда ротор с явно выраженными полюсами вращается, изменяется длина воздушного зазора и сопротивление магнитной цепи.
o Модуляция сигнала:
изменение сопротивления воздушного зазора модулирует (амплитудная модуляция) амплитуду напряжения, индуцируемого в выходных обмотках магнитным полем возбуждения. Огибающие амплитуды двух выходных обмоток являются синусоидальной и косинусоидальной функциями угла ротора соответственно.
Его преимуществами являются: простая конструкция, прочный и долговечный (бесщеточный), низкая стоимость, высокая надежность, способность выдерживать высокоскоростные и высокотемпературные среды . Недостатком является то, что точность и линейность обычно немного ниже, чем у высокоточных резольверов с фазным ротором.
II. Процесс проектирования и ключевые соображения
Процесс проектирования является итеративным и обычно состоит из следующих шагов:
1. Определите проектные характеристики
Это отправная точка для всех проектов, и ее необходимо сначала уточнить:
· Число пар полюсов (P):
определяет соотношение между электрическим и механическим углами (θ_электрический = P * θ_механический). Обычными конфигурациями являются 1 пара полюсов (униполярная) и 2 пары полюсов (биполярная). Количество пар полюсов влияет на точность и максимальную скорость.
· Требования к точности:
Обычно выражаются в угловых минутах (′) или миллирадианах (мрад). Высокоточные конструкции требуют чрезвычайно высоких требований к изготовлению, материалам и подавлению гармоник магнитного поля.
· Входной сигнал возбуждения:
амплитуда напряжения возбуждения, частота (обычно 4 кГц, 10 кГц и т. д.), форма волны (обычно синусоидальная).
· Коэффициент трансформации (TR):
Отношение выходного напряжения к входному напряжению (в положении максимальной связи).
· Электрическая ошибка:
включает функциональную ошибку, ошибку нулевого напряжения, ошибку фазы и т. д.
· Условия эксплуатации:
Диапазон температур, вибрация, удары, влажность, степень защиты (IP).
· Ограничения по размеру:
внешний диаметр, внутреннее отверстие, толщина (длина).
· Параметры импеданса:
входное/выходное сопротивление, влияющее на согласование с последующей схемой.
2. Электромагнитная конструкция — основная часть
· Конструкция ламинирования статора/ротора:
o Выбор материала:
обычно используются листы кремнистой стали с высокой проницаемостью и низкими потерями в железе (например, DW540, 50JN400).
o Комбинация опоры и паза:
это душа дизайна. Необходимо определить количество пазов статора (Zs) и явных полюсов ротора (Zr). Наиболее распространенная комбинация
Zr = 2P (количество полюсов ротора равно удвоенному числу пар полюсов), а Zs кратно Zr. Например, униполярный резольвер (P=1) часто использует
Zs=4, Zr=2 ; биполярный резольвер (P=2) часто использует
Zs=8, Zr=4 или
Zs=12, Zr=6..
o Форма паза/полюса:
Форма зубцов (параллельная, коническая) влияет на распределение магнитного поля и содержание гармоник. Такие размеры, как ширина зуба, ширина отверстия паза и толщина ярма, требуют оптимизации, чтобы максимизировать фундаментальную магнитодвижущую силу (МДС) и минимизировать гармоники паза.
o Воздушный зазор:
Размер воздушного зазора является критическим компромиссом. Небольшой воздушный зазор увеличивает коэффициент трансформации и мощность сигнала, но увеличивает сложность изготовления, чувствительность к эксцентриситету и пульсациям крутящего момента. Большой воздушный зазор имеет противоположный эффект. Обычно рассчитан на толщину 0,05–0,25 мм.
· Конструкция обмотки:
o Тип:
Обычно используются распределенные обмотки или сосредоточенные (зубчатые) обмотки. Распределенные обмотки (одна катушка, охватывающая несколько пазов) создают более синусоидальное магнитное поле, но их сложнее изготовить; сосредоточенные обмотки проще, но имеют более высокие гармоники.
o Расчет витков:
на основе заданного коэффициента трансформации, напряжения возбуждения и частоты определите количество витков для обмотки возбуждения и синусоидальных/косинусных обмоток посредством электромагнитного расчета. Число витков у двух выходных обмоток должно быть строго одинаковым.
o Способ подключения:
убедитесь, что синусоидальная и косинусоидальная обмотки расположены строго на расстоянии 90 электрических градусов друг от друга.
3. Моделирование и оптимизация магнитного поля (FEA Simulation) — важный инструмент современного проектирования.
Чисто аналитические расчеты очень сложны и недостаточно точны. Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (FEA) (например, JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) имеет важное значение.
· Моделирование статического поля:
расчет распределения магнитного поля, матрицы индуктивности и выходного потенциала при различных углах ротора.
· Моделирование переходного поля:
применяйте фактическое напряжение возбуждения для моделирования формы сигнала выходного напряжения, более точно отражающего рабочие характеристики.
· Параметрическая оптимизация.
Выполняйте параметрические проверки и оптимизацию ключевых размеров, таких как форма зуба, воздушный зазор и отверстие паза, чтобы минимизировать ошибку (например, THD) и максимизировать коэффициент преобразования.
· Анализ ошибок:
расчет электрической ошибки посредством моделирования и анализ источников ошибок (например, гармоник, эффекта зацепления, эффекта насыщения).
4. Проектирование механической конструкции
· Корпус и подшипники:
спроектируйте опорную конструкцию и выберите подходящие подшипники, чтобы обеспечить соосность между ротором и статором и минимальное изменение воздушного зазора, одновременно выдерживая заданную вибрацию и удары.
· Соединение вала:
спроектируйте шпоночные пазы, гладкое отверстие или сервоинтерфейс, чтобы обеспечить надежное соединение и беззазорную передачу с валом двигателя.
· Управление температурным режимом.
Учитывайте выделение тепла в обмотках и потери в железе, чтобы предотвратить перегрев в условиях высоких температур. Иногда необходимо проектирование теплового пути.
· Электромагнитное экранирование:
при необходимости добавьте экран для предотвращения помех от внешних магнитных полей.
5. Особенности схемы обработки сигналов.
Хотя это не является частью конструкции корпуса резольвера, его следует рассматривать синергетически:
· RDC (резольвер-цифровой преобразователь):
выберите микросхему RDC (например, AD2S1205, AU6802), которая соответствует импедансу и частоте возбуждения резольвера. Согласование входного импеданса требуется во время проектирования.
· Схема управления возбуждением:
Требуется схема мощного операционного усилителя, способная обеспечить чистую, стабильную синусоидальную волну.
· Схема фильтра:
фильтрация выходных сигналов для подавления высокочастотного шума и гармоник.
III. Проблемы проектирования и ключевые технологии
1. Подавление гармоник.
Из-за нелинейности изменения сопротивления выходное напряжение резольвера VR содержит большое количество гармоник, которые являются основной причиной ошибок. Такие методы, как
оптимизация комбинации полюсов и пазов, перекос (пазы или полюса) и добавление вспомогательных пазов на зубьях статора, могут эффективно подавлять гармоники.
2. Баланс между точностью и стоимостью.
Высокая точность подразумевает более точную обработку (меньший воздушный зазор, более высокая концентричность), более качественные материалы (кремнистой стали более высокого качества), более сложные конструкции (например, больше пар полюсов, дробные пазы) и более строгие процессы, что приводит к резкому увеличению затрат.
3. Температурный дрейф.
Сопротивление обмоток и свойства кремнистой стали изменяются с температурой, вызывая дрейф амплитуды и фазы. Требуется компенсация в схеме или программном обеспечении, или при электромагнитном проектировании следует выбирать материалы с хорошей температурной стабильностью.
Краткое содержание
Рекомендации по проектированию:
1. Начните со спецификаций.
Во-первых, тщательно поймите конкретные требования вашего сценария приложения в отношении точности, размера и окружающей среды.
2. Используйте проверенные решения.
Начните с классических комбинаций полюсов и пазов (например, 4-2, 8-4), поскольку они являются проверенной и надежной отправной точкой.
3. Проектирование, основанное на моделировании.
Не останавливайтесь на теоретических расчетах; немедленно используйте программное обеспечение FEM для создания параметрической модели для моделирования и оптимизации. Это ключ к повышению показателей успешности проектирования и сокращению циклов разработки.
4. Итерация и тестирование.
После создания прототипа проведите комплексные тесты производительности (ошибки, повышение температуры, вибрация и т. д.), сравните с результатами моделирования, проанализируйте причины различий и приступайте к следующей итерации проектирования.
5. Думайте на уровне системы.
Рассмотрите и отладьте резольверный датчик и схему RDC ниже по потоку как единую систему.
Проектирование резольверов с переменным сопротивлением — это очень практичная технология, требующая повторных циклов теории, моделирования и экспериментов.
