V modernej priemyselnej automatizácii a mechanickom riadení presnosti je presná detekcia rotačnej polohy rozhodujúca. Ten Resolver neochoty , ktorý sa bežne označuje ako rozlíšiteľ, je vysoko spoľahlivý senzor široko používaný v servo motoroch, robotikách a ďalších aplikáciách, ktoré si vyžadujú presné umiestnenie. Tento článok stručne predstavuje pracovné princípy rozlíšerov a spôsob, akým dosahujú rotačné umiestnenie.
Resolver je analógový senzor založený na princípe elektromagnetickej indukcie, ktorý je schopný premeniť mechanický uhol rotora na elektrické signály. Na rozdiel od digitálnych senzorov, ako sú optické kódovače, riešitelia poskytujú nepretržité analógové signály pre informácie o rotačnej polohe a ponúkajú vynikajúce anti-interferenčné schopnosti a spoľahlivosť, najmä v tvrdých prostrediach.
Základná štruktúra a pracovné princípy rozlíšiteľov neochoty
Aby sme pochopili, ako rozlíšitelia neochoty dosahujú presné rotačné umiestnenie, je nevyhnutné ponoriť sa do svojej jedinečnej fyzickej štruktúry. Dômyselný dizajn týchto senzorov tvorí základ ich vysokého výkonu a ilustruje praktické uplatňovanie zásad elektromagnetickej indukcie.
Revolučný konštrukčný dizajn
Štruktúra riešenia neochoty pozostáva z troch hlavných komponentov: statora , jadro rotora a vinutia . Jadro statora je laminované z oceľových listov s vysokým priepustnosťou, s veľkými zubami (pólové topánky) vyrazené na vnútornom obvode, z ktorých každá je ďalej rozdelená na rovnomerne rozmiestnené malé zuby. Usporiadanie a tvar týchto malých zubov sa starostlivo vypočítajú, aby sa zabezpečilo ideálne rozdelenie sínusoidného magnetického poľa. Rotor je jednoduchší, vyrobený iba z ozubených laminátov kremíka bez vinutia alebo elektronických komponentov. Tento dizajn „Passive “ je kľúčom k vysokej spoľahlivosti Resolveru.
Vinutý systém je úplne umiestnený na statore a obsahuje excitačné vinutie a dve ortogonálne výstupné vinutia (sínusové a kosínové vinutia). Tieto vinutia sú koncentrované a distribuované podľa sínusového vzoru, aby sa zabezpečilo sínusové charakteristiky výstupných signálov. Najmä výstupné vinutia sú usporiadané v konfigurácii striedavej a reverznej série, ktorá účinne potláča harmonické interferencie a zlepšuje čistotu signálu.
Princíp polohy založený na variácii neochoty
Pracovný princíp neochotného riešenia sa točí okolo modulácie magnetickej vodivosti vzduchovej medzery . Keď sa na excitačné vinutie aplikuje sínusoidálne striedavé napätie (typicky 7 V pri 1-10 kHz), v statore sa generuje striedavé magnetické pole. Toto magnetické pole prechádza vzduchovou medzerou do rotora. V dôsledku prítomnosti rotorových zubov sa magnetická neochota (inverzia magnetickej vodivosti) magnetického obvodu cyklicky mení s polohou rotora.
Konkrétne, keď sa zuby rotora zarovnú so zubami statora, neochota sa minimalizuje a magnetický tok sa maximalizuje. Naopak, keď sa sloty rotora zarovnajú so statorovými zubami, neochota sa maximalizuje a magnetický tok sa minimalizuje. Pre každú tónu zubov sa rotor otočí, magnetická vodivosť vzduchovej medzery dokončí celý cyklus variácie. Táto modulácia excitačného magnetického poľa indukuje signály napätia vo výstupných vinutiach, ktorých amplitúdy korelujú s uhlovou polohou rotora.
Matematicky, ak je excitačné napätie e₁ = e₁msinΩt, napätie dvoch výstupných vinutí je možné vyjadriť ako:
· Sinus Vinutia Výstup: eₛ = eₛₘcosθsinΩt
· Výstup vinutia kosínus: E_C = E_CMSinθSinΩt
Tu θ predstavuje mechanický uhol rotora a ωis uhlová frekvencia excitačného signálu. V ideálnom prípade by Eₛₘ a E_CM mali byť rovnaké, ale výrobné tolerancie môžu zaviesť chyby amplitúdy, čo si vyžaduje kalibráciu alebo kompenzáciu obvodu.
Pólové páry a presnosť merania
Pólové páry rozlíšenia neochoty sú kritickým parametrom, ktorý priamo ovplyvňuje presnosť a rozlíšenie merania. Počet pólových párov zodpovedá počtu zubov rotora a určuje mechanický uhol rotácie potrebný pre kompletný elektrický signálny cyklus. Napríklad rozlíšenie so 4 pólovými pármi bude produkovať 4 elektrické signálne cykly na mechanickú rotáciu, čo je účinne 'zosilňovač ' mechanický uhol faktorom 4 na meranie.
Bežní rozlíšitelia neochoty na trhu sa pohybujú od 1 do 12 pólových párov. Vyššie počty pólu teoreticky umožňujú vyššie uhlové rozlíšenie, pričom 12-pólové rozlíšery dosahujú ± 0,1 ° alebo lepšiu presnosť. Zvyšovanie pólových párov však zvyšuje zložitosť spracovania signálu, čo si vyžaduje kompromis na základe požiadaviek na aplikáciu.
Táto metóda merania uhla, ktorá je založená na variácii neochoty a elektromagnetickej indukcii, umožňuje rozlíšením neochoty stabilne pracovať v širokom teplotnom rozsahu (-55 ° C až +155 ° C), s ochrannými hodnoteniami do IP67 alebo vyššej. Môžu vydržať silné vibrácie a šoky, vďaka čomu sú ideálne pre náročné prostredie, ako sú automobilový priemysel, letectvo a vojenské aplikácie.
Techniky spracovania signálu a výpočtu uhla
Výstup analógových signálov pomocou riešení neochoty vyžaduje špecializované spracovateľské obvody, aby ich premenili na použiteľné informácie o digitálnom uhle. Tento proces zahŕňa komplexné algoritmy kondicionovania a dekódovania signálu, ktoré sú rozhodujúce pre dosiahnutie vysoko presného polohovania v systémoch Resolver.
Od analógových signálov po digitálne uhly
Surové signály z neochotného rozlíšiteľa sú dve sínusové vlny (sinθsinΩt a cosθsinΩt) modulované uhlom rotora. Extrahovanie informácií o uhle 9 zahŕňa niekoľko krokov spracovania. Po prvé, signály podliehajú filtrovaniu pásmového priehľadu , aby sa odstránil vysokofrekvenčný šum a nízkofrekvenčné rušenie. Ďalej demodulácia citlivá na fázu (alebo synchrónnu demoduláciu) odstraňuje nosnú frekvenciu (zvyčajne 10 kHz), čo vedie k nízkofrekvenčným signálom Sinθ a Cosθ, ktoré obsahujú informácie o uhle.
Moderné dekódovacie systémy zvyčajne používajú procesory digitálnych signálov (DSP) alebo vyhradených prevodníkov na digitálie (RDC) na výpočet uhla. Tieto procesory využívajú algoritmy Cordic (súradnicové rotácie digitálneho počítača) alebo prísne operácie, aby previedli signály Sinθ a Cosθ na hodnoty digitálneho uhla. Napríklad mikrokontrolér DSPIC30F3013 je vybavený vstavaným modulom ADC na synchrónny odber vzoriek týchto dvoch signálov, po ktorých nasledujú softvérové algoritmy na výpočet presného uhla.
Kompenzácia chýb a zlepšenie presnosti
V praktických aplikáciách môžu rôzne faktory zaviesť chyby merania vrátane:
· Amplitúdová nerovnováha : nerovnaké amplitúdy výstupných signálov sinusu a kosínu (Eₛₘ ≠ E_CM)
· Fázová odchýlka : Neideal 90 ° Fázový rozdiel medzi týmito dvoma signálmi
· Harmonické skreslenie : skreslenie signálu v dôsledku nesinusoidného rozdelenia magnetického poľa
· Ortogonálna chyba : uhlová odchýlka spôsobená nepresnou inštaláciou vinutia
Na zlepšenie presnosti systému využívajú pokročilé dekódovacie obvody rôzne techniky kompenzácie. Napríklad obvody automatického riadenia zisku (AGC) vyvážia amplitúdy dvoch signálov, digitálne filtre potláčajú harmonické rušenie a softvérové algoritmy obsahujú podmienky kompenzácie chýb. Pri precíznom návrhu a kalibrácii môžu systémy Resolver dosiahnuť chyby uhlov v rámci ± 0,1 °, čo spĺňa požiadavky väčšiny vysokej presných aplikácií.
Trendy v nových technológiách dekódovania
Pokroky v technológii polovodičov vedú inovácie v spracovaní signálu Resolver. Tradičné demodulačné obvody s diskrétnym komponentom sa postupne nahradia integrovanými riešeniami . Niektoré nové čipy dekodérov integrujú generátory excitačného signálu, obvody kondicionovania signálu a jednotky digitálneho výpočtu, čo výrazne zjednodušujú návrh systému.
Medzitým dekódovanie definované softvérom získava na popularite. Tento prístup využíva výpočtovú silu vysoko výkonných mikroprocesorov na implementáciu väčšiny funkcií spracovania signálu v softvéri, čo ponúka väčšiu flexibilitu a programovateľnosť. Napríklad parametre filtra, kompenzačné algoritmy alebo dokonca výstupné dátové formáty je možné upraviť pre prispôsobené riešenia merania uhla.
Je potrebné poznamenať, že dekódovací systém je rovnako dôležitý ako samotný rozlíšiteľ. Dobre navrhnutý dekódovací obvod si môže plne uvedomiť výkonnostný potenciál Resolver, zatiaľ čo dekódovacie riešenie nízkej kvality sa môže stať prekážkou celého systému merania. Preto pri výbere riešenia Resolver je potrebné starostlivo zvážiť kompatibilitu medzi senzorom a dekodérom.
Výhody výkonnosti a oblasti aplikácií rozlíšiteľov neochoty
Vďaka svojim jedinečným pracovným princípom a štrukturálnemu dizajnu neochotný rozlížitelia prevyšujú tradičné polohové senzory v niekoľkých kľúčových výkonnostných metrikách. Tieto výhody z nich robia preferovanú voľbu detekcie uhlov v mnohých náročných priemyselných aplikáciách.
Komplexná nadradenosť výkonu nad tradičnými senzormi
V porovnaní s tradičnými zariadeniami na detekciu polohy, ako sú optické kódovače a senzory haly, vystavujú neochotní rozlížitelia výhody výkonu všestranných výkonov:
· Výnimočná environmentálna adaptabilita : Pracuje stabilne pri teplotách v rozmedzí od -55 ° C do +155 ° C, s ochrannými hodnoteniami až do IP67 alebo vyššej a vydrží silné vibrácie a otrasy (napr.
· Bezkontaktná dlhá životnosť : Neprítomnosť vinutí alebo kefiek na rotore eliminuje mechanické opotrebenie, čo umožňuje teoretickú životnosť desiatok tisíc hodín.
· Ultra-vysoká rýchlosť odozvy : Podporuje rýchlosti až 60 000 ot./min., Ktoré ďaleko presahujú limity väčšiny optických kódovačov.
· Absolútne meranie polohy : Poskytuje informácie o absolútnom uhle bez toho, aby ste vyžadovali referenčný bod, ktorý poskytuje údaje polohy okamžite po zapnutí.
· Silná anti-interferenčná schopnosť : Na základe elektromagnetickej indukcie je necitlivý na prach, olej, vlhkosť a vonkajšie magnetické polia.
Základné aplikácie v nových energetických vozidlách
V novom priemysle energetických vozidiel sa neochotní rozlíšitelia stali zlatým štandardom detekcie polohy motora. Všeobecne sa používajú v systémoch riadenia hnacieho motora elektrických vozidiel batérií (BEV) a hybridných elektrických vozidiel (HEV) s kľúčovými funkciami vrátane:
· Detekcia polohy rotora : Poskytuje presné informácie o uhle rotora pre vektorové riadenie synchrónnych motorov na permanentný magnet (PMSMS).
· Meranie rýchlosti : Vypočíta rýchlosť motora z rýchlosti zmeny uhla, čo umožňuje reguláciu rýchlosti s uzavretou slučkou.
· Elektrický posilňovač riadenia (EPS) : Zistí uhol volantu, aby sa poskytla presná pomoc v riadení.
Priemyselná automatizácia a špeciálne aplikácie
Okrem automobilového sektora sa v priemyselnej automatizácii široko používajú aj rozlíšitelia neochoty:
· CNC strojové náradie : Meranie upevnenia vretena a uhol uhla podávania.
· Robotické kĺby : Presné ovládanie robotických pohybov ramena.
· Textilné stroje : regulácia napätia priadze a detekcia uhla vinutia.
· Vstrekovacie lištové stroje : Monitorovanie a riadenie polohy skrutky.
· Vojenské a letecké priestory : polohovanie radarovej antény, kontrola raketového kormidla a ďalšie aplikácie extrémneho prostredia.
Pri vysokorýchlostnej železničnej a koľajnickej tranzite sa rescipery neochoty používajú na detekciu trakčnej rýchlosti a detekcie polohy, kde ich vysoká spoľahlivosť a vlastnosti bez údržby výrazne znižujú náklady na životný cyklus. Drsné prostredie, ako je banské strojové zariadenia (napr. Podzemné vozidlá na prepravu uhlia a motory dopravného pásu) čoraz viac prijímajú rozlíšiteľov neochoty, aby nahradili tradičné senzory.
S príchodom priemyslu 4.0 a inteligentnej výroby sa rozlíšitelia neochoty vyvíjajú smerom k vyššej presnosti, menšej veľkosti a väčšej inteligencii. Výrobky novej generácie sa zameriavajú na kompatibilitu s integrovanými dizajnmi pohonu motorového boxu, ako aj na vývoj variantov odolných voči rope a vysokej teploty, aby sa splnili požiadavky systémov chladených olejom. Okrem toho sa očakáva, že bezdrôtový prenos a seba-diagnostické schopnosti sa stanú budúcimi trendmi, čím sa ďalej rozširuje rozsah ich aplikácie.
Technické výzvy a budúce trendy pre neochoty
Napriek vynikajúcemu výkonu a spoľahlivosti v rôznych oblastiach, neochotní riešení stále čelia technickým výzvam a vykazujú jasné smery inovácií.
Existujúce technické prekážky a riešenia
Vysoké požiadavky na presnosť výroby sú hlavnou výzvou pre rozlíšiteľov neochoty. Presnosť obrábania zubov statora, rovnomernosť distribúcie vinutia a dynamická rovnováha rotora priamo ovplyvňujú presnosť a výkon senzora. Pre rozlíšerov s vysokou presnosťou s viacerými pólovými pármi (napr. 12 pólových párov), dokonca aj chyby výroby na úrovni mikrónov môžu viesť k neprijateľným amplitúdovým alebo fázovým chybám. Riešenia tohto problému zahŕňajú:
· Prijatie vysoko presných pečiatkových foriem a automatizovaných lamináčných procesov, aby sa zabezpečila konzistentnosť a presnosť slotu zubov v jadre.
· Zavedenie analýzy konečných prvkov magnetického poľa na optimalizáciu návrhu magnetických obvodov a kompenzáciu výrobných tolerancií.
· Vývoj algoritmov samostatnej kompenzácie na automatické opravy vlastných chýb senzorov počas spracovania signálu.
Ďalšou výzvou je komplexnosť integrácie systému . Aj keď samotný Resolver má jednoduchú štruktúru, kompletný systém merania obsahuje subsystémy, ako sú napríklad excitačné napájacie zdroje, obvody na kondicionovanie signálu a dekódovacie algoritmy, ktoré sa môžu stať prekážkami, ak sú zle navrhnuté. Aby sa to vyriešilo, priemysel sa pohybuje smerom k integrovaným riešeniam :
· Integrácia excitačných generátorov, kondicionovanie signálu a dekódovacie obvody do jedného čipu na zjednodušenie návrhu systému.
· Vývoj štandardizovaných rozhraní (napr. SPI, CAN) pre bezproblémovú integráciu s hlavnými radičmi.
· Poskytovanie komplexných vývojových súprav vrátane referenčných návrhov, knižníc softvéru a kalibračných nástrojov.
Pokyny na inovácie a budúce trendy
Materiálové inovácie prinesú prielomy výkonnosti pre rozlíšiteľov neochoty. Nové mäkké magnetické kompozity (SMC) s trojrozmernými izotropnými magnetickými vlastnosťami môžu optimalizovať distribúciu magnetického poľa a znížiť harmonické skreslenie. Medzitým izolačné materiály s vysokým teplotou a povlaky odolné voči korózii rozšíria rozsah prevádzkového prostredia senzora.
Spravodajstvo je ďalším kritickým smerom pre budúcich neochotných rozlíšení. Integráciou mikroprocesorov a komunikačných rozhraní môžu riešenia dosiahnuť:
· Self-diagnostické funkcie : Monitorovanie zdravia senzora v reálnom čase a zostávajúca predpoveď životnosti.
· Adaptívna kompenzácia : Automatické nastavenie parametrov kompenzácie na základe zmien životného prostredia (napr. Teplota).
· Sieťové rozhrania : Podpora pre pokročilé komunikačné protokoly, ako je priemyselný Ethernet, uľahčujú integráciu do systémov Industrial IoT (IIOT).
Pokiaľ ide o rozšírenie aplikácie , rozlíšitelia neochoty postupujú dvoma smermi: smerom k vyšším presným aplikáciám (napr. Výrobné vybavenie polovodičov, lekárskych robotov), ktoré si vyžadujú väčšie rozlíšenie a spoľahlivosť, a smerom k ekonomickejším a rozšírenejším aplikáciám (napr. Domáce spotrebiče, elektrické náradie) prostredníctvom zjednodušených návrhov a hromadnej výroby na zníženie nákladov.
Obzvlášť pozoruhodným trendom je uplatňovanie neochotných rozlíšiteľov v nových energetických vozidlách novej generácie . Keďže sa motorové systémy vyvíjajú smerom k vyšším rýchlostiam a integrácii, senzory polohy musia spĺňať náročnejšie požiadavky:
· Podpora pre ultra vysoké rýchlosti presahujúce 20 000 ot./min.
· Tolerancia pre teploty nad 150 ° C.
· Kompatibilita s olejom chladenými dizajnmi tesnenia systému.
· Menšie rozmery inštalácie a ľahšia hmotnosť.
Štandardizácia a priemyselný pokrok
Ako technológia neochoty Resolver dozrieva, úsilie o štandardizáciu . postupuje tiež Čína stanovila vnútroštátne normy, ako napríklad GB/T 31996-2015 Všeobecné technické špecifikácie pre rozlíšiteľov na reguláciu metriky výkonnosti produktu a metódy testovania. Pokiaľ ide o industrializáciu, technológia čínskych neochotných Resolver dosiahla medzinárodné pokročilé úrovne.
Predpokladá sa, že s technologickým pokrokom a industrializáciou nahradia rozlížitelia neochoty tradičné senzory vo viacerých oblastiach, stanú sa bežným riešením detekcie rotačnej polohy a poskytujú kritickú technickú podporu pre priemyselnú automatizáciu a vývoj nových energetických vozidiel.
