В современной промышленной автоматизации и точке механического контроля точное обнаружение положения вращения имеет решающее значение. А Резолювер нежелания , обычно называемая резольвером, является очень надежным датчиком, широко используемым в сервоприводах, робототехнике и других приложениях, требующих точного позиционирования. В этой статье кратко представлены принципы работы резоклеров и то, как они достигают вращательного позиционирования.
Резольвер является аналоговым датчиком, основанным на принципе электромагнитной индукции, способный преобразовать механический угол ротора в электрические сигналы. В отличие от цифровых датчиков, таких как оптические энкодеры, резолюры предоставляют непрерывные аналоговые сигналы для информации о положении вращения, предлагая превосходные противоположные возможности и надежность, особенно в суровых условиях.
Основная структура и принципы работы резольваров нежелания
Чтобы понять, как резолюры нежелания достигают точного позиционирования вращения, важно углубиться в их уникальную физическую структуру. Гениальный дизайн этих датчиков составляет основу их высокой производительности и иллюстрирует практическое применение принципов электромагнитной индукции.
Революционный структурный дизайн
Структура резольвера нежелания состоит из трех основных компонентов: и , сердечника ядра системы обмотки . Ядро статора ламинируется от высокопроизводительных кремниевых стальных листов, с большими зубами (ботинки шеста), пробитыми по внутренней окружности, каждый из которых еще больше разделен на равномерно распределенные маленькие зубы. Расположение и форма этих маленьких зубов тщательно рассчитаны, чтобы обеспечить идеальное распределение синусоидального магнитного поля. Ротор проще, изготовлен только из зубчатых силиконовых стальных ламинаций без каких -либо обмоток или электронных компонентов. Этот дизайн 'Passive ' является ключом к высокой надежности Resolver.
Система обмотки полностью расположена на статоре и включает в себя обмотку возбуждения и две ортогональные выходные обмотки (синусные и косинусные обмотки). Эти обмотки концентрируются и распределяются в соответствии с синусоидальной картиной, чтобы обеспечить синусоидальные характеристики выходных сигналов. Примечательно, что выходные обмотки расположены в конфигурации чередующейся и обратной серии, эффективно подавляя гармонические помехи и улучшая чистоту сигнала.
Принцип позиционирования на основе вариации нежелания
Принцип работы резольвера нежелания вращается вокруг модуляции магнитной проводимости воздуха . Когда синусоидальное напряжение переменного тока (обычно 7 В при 1-10 кГц) применяется к обмотке возбуждения, в статоре генерируется чередующее магнитное поле. Это магнитное поле проходит через воздушный зазор к ротору. Из -за присутствия зубов ротора магнитное нежелание (обратное магнитную проводимость) магнитной цепи изменяется циклически с положением ротора.
В частности, когда зубы ротора выравниваются с зубами статора, смятение сводит к минимуму, а магнитный поток максимизируется. И наоборот, когда слоты ротора выровняются с зубами статора, максимальное нежелание, а магнитный поток сводится к минимуму. Для каждого шага зубов поворачивается ротор, магнитная проводимость воздушного зазора завершает полный цикл вариации. Эта модуляция магнитного поля возбуждения индуцирует сигналы напряжения в выходных обмотках, амплитуды которых коррелируют с угловым положением ротора.
Математически, если напряжение возбуждения равно e₁ = e₁msinωt, напряжения двух выходных обмотков могут быть выражены как:
· Sine Velling вывод: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Вывод обмотки косинуса: e_c = e_cmsinθsinωt
Здесь θ представляет механический угол ротора и ωis угловой частоты сигнала возбуждения. В идеале Eₛₘ и E_CM должны быть равны, но допуски из производства могут вводить ошибки амплитуды, требующие калибровки или компенсации схемы.
Пары полюсов и точность измерения
Пары полюсов нежелательного разрешения являются критическим параметром, непосредственно влияющим на его точность и разрешение измерения. Количество пар полюсов соответствует количеству зубов ротора и определяет угол механического поворота, необходимый для полного электрического сигнального цикла. Например, резолювер с 4 парами полюсов будет производить 4 электрических сигнала в соответствии с механическим вращением, эффективно 'усиливающее ' механический угол в 4 раза для измерения.
Обычные нежелательные резолюры на рынке варьируются от 1 до 12 пар полюсов. Более высокое количество полюсов теоретически обеспечивает более высокое угловое разрешение, причем 12-полюсные резолюры достигают ± 0,1 ° или лучшей точности. Тем не менее, увеличение пары полюсов также повышает сложность обработки сигналов, что требует компромисса на основе требований применения.
Этот метод измерения угла, основываясь на изменении приостановления и электромагнитной индукции, позволяет резокриверам нежелания стабильно работать в широком диапазоне температур (от -55 ° C до +155 ° C) с оценками защиты до IP67 или выше. Они могут противостоять сильным вибрациям и шокам, делая их идеальными для требования, таких как автомобильная, аэрокосмическая и военная применения.
Методы обработки сигналов и угла
Аналоговые сигналы, выводимые с помощью резоклеров, требуют специализированных цепей обработки для преобразования их в полезную информацию о цифровом угле. Этот процесс включает в себя сложные алгоритмы кондиционирования и декодирования сигнала, которые имеют решающее значение для достижения высокого определения позиционирования в системах разрешения.
От аналоговых сигналов до цифровых углов
Необработанными сигналами из резольвера нежелания представляют собой две синусоидальные волны (sinθsinωt и cosθsinωt), модулированные по углу ротора. Извлечение информации о угле θ включает в себя несколько этапов обработки. Во-первых, сигналы подвергаются фильтрации полосовой пропускной жизни , чтобы удалить высокочастотный шум и низкочастотные помехи. Затем, чувствительная к фазе демодуляция (или синхронная демодуляция) удаляет частоту носителя (обычно 10 кГц), давая низкочастотные сигналы SINθ и COSθ, содержащий информацию о угле.
Современные системы декодирования обычно используют процессоры цифровых сигналов (DSP) или выделенные преобразователи с резолюру в цифровые цифры (RDC) для расчета угла. В этих процессорах используются алгоритмы Cordic (координатный вращение цифрового компьютера) или арктангентные операции для преобразования сигналов SINθ и COSθ в значения цифрового угла. Например, микроконтроллер DSPIC30F3013 оснащен встроенным модулем ADC для синхронной выборки двух сигналов, за которыми следуют программные алгоритмы для вычисления точного угла.
Компенсация ошибок и повышение точности
В практических приложениях различные факторы могут вводить ошибки измерения, включая:
· Амплитудный дисбаланс : неравные амплитуды выходных сигналов синуса и косинуса (eₛₘ ↓ e_cm)
· Фазовое отклонение : нереальная разность фазы на 90 ° между двумя сигналами
· Гармоническое искажение : искажение сигнала из-за не-синусоидального распределения магнитного поля
· Ортогональная ошибка : угловое отклонение, вызванное неточной обмоткой
Чтобы повысить точность системы, передовые цепи декодирования используют различные методы компенсации. Например, автоматическое управление усилением (AGC) сбалансируют амплитуды двух сигналов, цифровые фильтры подавляют гармонические помехи, а алгоритмы программного обеспечения включают термины компенсации ошибок. При тщательной конструкции и калибровке системы разрешения могут достигать угловых ошибок в пределах ± 0,1 °, что отвечает требованиям большинства применений в области высокого уровня.
Тенденции в новых технологиях декодирования
Достижения в области полупроводниковых технологий способствуют инновациям в обработке сигналов Resolver. Традиционные схемы демодуляции дискретной компоненты постепенно заменяются интегрированными решениями . Некоторые новые чипы декодера интегрируют генераторы сигналов возбуждения, цепью кондиционирования сигналов и цифровые расчеты, значительно упрощая проектирование системы.
Между тем, программное декодирование приобретает популярность. Этот подход использует вычислительную мощь высокопроизводительных микропроцессоров для реализации большинства функций обработки сигналов в программном обеспечении, предлагая большую гибкость и программируемость. Например, параметры фильтра, алгоритмы компенсации или даже форматы выходных данных могут быть скорректированы для настраиваемых решений измерения угла.
Стоит отметить, что система декодирования так же важна, как и сам резолювер. Хорошо разработанная цепь декодирования может полностью реализовать потенциал производительности Resolver, в то время как решение для декодирования низкого качества может стать узким местом всей системы измерения. Следовательно, при выборе раствора резолюции необходимо тщательно рассмотреть совместимость между датчиком и декодером.
Преимущества производительности и области применения нежелательных резолюров
Благодаря их уникальным принципам работы и конструктивному дизайну, резольваторы нежелания превосходят традиционные датчики положения в нескольких ключевых показателях производительности. Эти преимущества делают их предпочтительным выбором для обнаружения угла во многих требовательных промышленных приложениях.
Комплексное превосходство производительности по сравнению с традиционными датчиками
По сравнению с традиционными устройствами обнаружения положения, таким как оптические кодеры и датчики зала, резолюры нежелания демонстрируют всесторонние преимущества производительности:
· Исключительная адаптивность окружающей среды : стабильно работает при температурах в диапазоне от -55 ° C до +155 ° C, с оценками защиты до IP67 или выше, и может выдерживать сильные вибрации и шоки (например, суровые среды, такие как компартменты автомобильных двигателей).
· Бесконтактный длительный срок службы : отсутствие обмоток или кистей на роторе устраняет механический износ, что позволяет теоретическому сроку службы десятков тысяч часов.
· Ультра-скоростная реакция : поддерживает скорость до 60 000 об / мин, что намного превышает пределы большинства оптических кодеров.
· Измерение абсолютного положения : предоставляет информацию об абсолютном угле без требуния контрольной точки, предоставляя данные положения сразу после питания.
· Сильная противоположная способность : на основе электромагнитной индукции она нечувствительна к пыли, маслу, влажности и внешних магнитных полям.
Основные приложения в новых энергетических транспортных средствах
В новой индустрии энергетических транспортных средств нежелательные резолюры стали золотым стандартом для обнаружения моторных положений. Они широко используются в системах управления двигателями приводного двигателя электронных транспортных средств (BEV) и гибридных электромобилей (HEV), с ключевыми функциями, включая:
· Обнаружение положения ротора : предоставляет точную информацию о угле ротора для управления вектором синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM).
· Измерение скорости : вычисляет скорость двигателя по скорости изменения угла, что позволяет управлять скоростью замкнутой петли.
· Электрическое рулевое управление (EPS) : обнаруживает угол рулевого колеса для обеспечения точной помощи рулевого управления.
Промышленная автоматизация и специальные применения
Помимо автомобильного сектора, резолюры нежелания также широко используются в промышленной автоматизации:
· Станки с ЧПУ : позиционирование веретена и измерение угла оси подачи.
· Робот -суставы : точный контроль движений роботизированных рук.
· Текстильный механизм : управление натяжением пряжи и обнаружение угла обмотки.
· Инъекционные формовочные машины : мониторинг и контроль положения винта.
· Военные и аэрокосмические : позиционирование радиолокационной антенны, контроль ракеты руля и другие применения в экстремальной среде.
В высокоскоростном железнодорожном и железнодорожном транспорте резокриверы нежелания используются для скорости и обнаружения положения тяги, где их высокая надежность и без обслуживания функции значительно снижают затраты на жизненный цикл. Беспокойные среды, такие как горнодобывающая механизм (например, подземные транспортные средства для перевозки угля и двигатели конвейерных ленты), все чаще используют нежелательные резолюры, чтобы заменить традиционные датчики.
С появлением Industry 4.0 и Smart Manufacturing резокрители нежелания развиваются в направлении более высокой точности, меньшего размера и большего интеллекта. Продукты следующего поколения будут сосредоточены на совместимости с интегрированными моторными конструкциями привода, а также на разработке нефтяных и высокотемпературных вариантов для удовлетворения потребностей систем с нефтью. Кроме того, ожидается, что беспроводная передача и самодиагностическая способность станут будущими тенденциями, что еще больше расширяет их применение.
Технические проблемы и будущие тенденции для резолюров нежелания
Несмотря на их выдающуюся эффективность и надежность в различных областях, резолюры нежелания все еще сталкиваются с техническими проблемами и демонстрируют четкие инновационные направления.
Существующие технические узкие места и решения
Высокие требования к точным производства являются серьезной проблемой для разрешения нежелания. Точность обработки зубов статора, единообразие распределения обмотки и динамический баланс ротора напрямую влияет на точность и производительность датчика. Для резоклеров с высокой степенью с несколькими парами полюсов (например, 12 пары полюсов), даже производственные ошибки на уровне микрон могут привести к неприемлемым амплитуде или ошибкам фазы. Решения по этому вопросу включают:
· Принятие высокопроизводительных форм штата и автоматизированных процессов ламинирования, чтобы обеспечить консистенцию и точность зубного слота в сердечнике.
· Внедрение анализа конечных элементов магнитного поля для оптимизации конструкции магнитной схемы и компенсации допусков производства.
· Разработка алгоритмов самосхвасания для автоматического исправления ошибок неотъемлемых датчиков при обработке сигнала.
Другая проблема - сложность интеграции системы . Несмотря на то, что сам резолювер имеет простую структуру, полная система измерения включает в себя подсистемы, такие как поставки мощности возбуждения, цепи кондиционирования сигнала и алгоритмы декодирования, которые могут стать узкими местами, если они плохо спроектированы. Чтобы решить это, отрасль движется к интегрированным решениям :
· Интеграция генераторов возбуждения, кондиционирования сигнала и декодирования цепей в один чип для упрощения проектирования системы.
· Разработка стандартизированных интерфейсов (например, SPI, CAN) для бесшовной интеграции с основными контроллерами.
· Предоставление комплексных наборов разработки, включая справочные проекты, программные библиотеки и инструменты калибровки.
Инновационные направления и будущие тенденции
Материальные инновации принесут прорывы производительности в решатели нежелания. Новые мягкие магнитные композиты (SMC) с трехмерными изотропными магнитными свойствами могут оптимизировать распределение магнитного поля и уменьшить гармонические искажения. Между тем, высокотемпературные изоляционные материалы и устойчивые к коррозии покрытия будут расширять диапазон эксплуатационной среды датчика.
Интеллект является еще одним критическим направлением для будущих резолюров нежелания. Интегрируя микропроцессоры и интерфейсы связи, резольверы могут достичь:
· Функции самодиагностики : мониторинг здоровья датчиков в реальном времени и оставшийся прогноз продолжительности жизни.
· Адаптивная компенсация : автоматическая корректировка параметров компенсации на основе изменений окружающей среды (например, температура).
· Сетевые интерфейсы : поддержка передовых протоколов связи, таких как Industrial Ethernet, способствуя интеграции в промышленные системы IoT (IIOT).
С точки зрения расширения приложений , резолюры нежелания продвигаются в двух направлениях: к более высоким приложениям точности (например, полупроводниковолокопродажного производственного оборудования, медицинских роботов), требующих большего разрешения и надежности, а также к более экономичным и широко распространенным приложениям (например, бытовые приборы, электроинструменты) посредством упрощенных проектов и массового производства для сокращения затрат.
Особенно примечательной тенденцией является применение нежелательных резолюров в новых энергетических транспортных средствах следующего поколения . Поскольку двигательные системы развиваются в сторону более высоких скоростей и интеграции, датчики положения должны соответствовать более требовательным требованиям:
· Поддержка сверхвысоких скоростей, превышающих 20 000 об / мин.
· Допуск на температуру выше 150 ° C.
· Совместимость с конструкциями герметизации системы с масляным охлаждением.
· Меньшие размеры установки и более легкий вес.
Стандартизация и прогресс индустриализации
По мере того, как технология нежелания созревает, усилия по стандартизации также продвигаются. Китай установил национальные стандарты, такие как GB/T 31996-2015 Общие технические спецификации для резолюров для регулирования показателей эффективности продукта и методов тестирования. Что касается индустриализации, китайская технология резолюра в китайском выступлении достигла международного продвинутого уровня.
Обнадеживается, что при технологическом прогрессе и индустриализации резолюры нежелания заменят традиционные датчики в большем количестве областей, становясь основным решением для обнаружения вращательного положения и обеспечивая критическую техническую поддержку для промышленной автоматизации и разработки новых энергетических транспортных средств.
