Pri sodobni industrijski avtomatizaciji in natančnem mehanskem krmiljenju je natančno zaznavanje rotacijskega položaja ključnega pomena. The Reluctance resolver , ki ga običajno imenujemo resolver, je zelo zanesljiv senzor, ki se pogosto uporablja v servo motorjih, robotiki in drugih aplikacijah, ki zahtevajo natančno pozicioniranje. Ta članek na kratko predstavlja načela delovanja razreševalnikov in kako dosežejo rotacijsko pozicioniranje.
Razločevalnik je analogni senzor, ki temelji na principu elektromagnetne indukcije in je sposoben pretvoriti mehanski kot rotorja v električne signale. Za razliko od digitalnih senzorjev, kot so optični kodirniki, razreševalci zagotavljajo neprekinjene analogne signale za informacije o rotacijskem položaju, s čimer nudijo vrhunske zmogljivosti proti motnjam in zanesljivost, zlasti v težkih okoljih.
Osnovna struktura in načela delovanja reluktančnih razločevalcev
Da bi razumeli, kako reluktančni razreševalci dosežejo natančno rotacijsko pozicioniranje, se je bistveno poglobiti v njihovo edinstveno fizično strukturo. Genialna zasnova teh senzorjev je temelj njihove visoke zmogljivosti in ponazarja praktično uporabo principov elektromagnetne indukcije.
Revolucionarna strukturna zasnova
Struktura reluktančnega regulatorja je sestavljena iz treh glavnih komponent: jedra statorja , , jedra rotorja in sistema navitja . Statorsko jedro je laminirano iz visoko prepustnih silicijevih jeklenih plošč z velikimi zobmi (polnimi čevlji), preluknjanimi na notranjem obodu, vsak nadalje razdeljen na enakomerno razporejene majhne zobe. Razporeditev in oblika teh majhnih zob je natančno izračunana za zagotovitev idealne sinusne porazdelitve magnetnega polja. Rotor je enostavnejši, izdelan samo iz nazobčanih silikonskih jeklenih laminatov brez navitij ali elektronskih komponent. Ta 'pasivna' zasnova je ključna za visoko zanesljivost razreševalnika.
Sistem navitja je v celoti nameščen na statorju in vključuje vzbujevalno navitje in dve pravokotni izhodni navitji (sinusno in kosinusno navitje). Ta navitja so koncentrirana in porazdeljena po sinusnem vzorcu, da se zagotovijo sinusne značilnosti izhodnih signalov. Predvsem so izhodna navitja razporejena v izmenično in obratno serijsko konfiguracijo, kar učinkovito zavira harmonične motnje in izboljšuje čistost signala.
Načelo pozicioniranja, ki temelji na variaciji odpora
Načelo delovanja reluktančnega razločevalca se vrti okoli modulacije magnetne prevodnosti zračne reže . Ko se na vzbujevalno navitje uporabi sinusna izmenična napetost (običajno 7 V pri 1-10 kHz), se v statorju ustvari izmenično magnetno polje. To magnetno polje prehaja skozi zračno režo do rotorja. Zaradi prisotnosti zob rotorja se magnetna upornost (inverzna magnetna prevodnost) magnetnega vezja ciklično spreminja s položajem rotorja.
Natančneje, ko se zobje rotorja poravnajo z zobmi statorja, je upor minimiziran, magnetni pretok pa maksimalen. Nasprotno, ko se reže rotorja poravnajo z zobmi statorja, je upor največji, magnetni pretok pa minimalen. Za vsak korak zoba, ki ga rotor zavrti, magnetna prevodnost zračne reže zaključi celoten cikel spreminjanja. Ta modulacija vzbujalnega magnetnega polja inducira napetostne signale v izhodnih navitjih, katerih amplitude so v korelaciji s kotnim položajem rotorja.
Matematično, če je vzbujalna napetost e₁=E₁msinωt, se lahko napetosti obeh izhodnih navitij izrazijo kot:
· Izhod sinusnega navitja: eₛ=Eₛₘcosθsinωt
· Izhod kosinusnega navitja: e_c=E_cmsinθsinωt
Tukaj θ predstavlja mehanski kot rotorja, ω pa je kotna frekvenca vzbujalnega signala. V idealnem primeru bi morala biti Eₛₘ in E_cm enaka, toda tolerance pri izdelavi lahko povzročijo napake amplitude, ki zahtevajo umerjanje ali kompenzacijo vezja.
Pari polov in merilna natančnost
Pari polov reluktančnega razločevalca so kritični parameter, ki neposredno vpliva na njegovo merilno natančnost in ločljivost. Število parov polov ustreza številu zob rotorja in določa mehanski kot vrtenja, potreben za celoten cikel električnega signala. Na primer, razreševalec s 4 pari polov bo proizvedel 4 cikle električnega signala na mehansko rotacijo, kar učinkovito 'poveča' mehanski kot za faktor 4 za merjenje.
Običajni razločevalci odpornosti na trgu segajo od 1 do 12 parov polov. Večje število polov teoretično omogoča večjo kotno ločljivost, pri čemer 12-polni razreševalci dosegajo ±0,1° ali večjo natančnost. Vendar pa povečanje parov polov prav tako poveča kompleksnost obdelave signalov, kar zahteva kompromis, ki temelji na zahtevah aplikacije.
Ta metoda merjenja kota, ki temelji na variaciji upora in elektromagnetni indukciji, omogoča, da razločevalci upora delujejo stabilno v širokem temperaturnem območju (-55 °C do +155 °C) z zaščitnimi stopnjami do IP67 ali več. Lahko prenesejo močne tresljaje in udarce, zaradi česar so idealni za zahtevna okolja, kot so avtomobilska, vesoljska in vojaška uporaba.
Obdelava signalov in tehnike izračunavanja kotov
Analogni signali, ki jih oddajajo reluktančni razločevalci, zahtevajo specializirana vezja za obdelavo, da jih pretvorijo v uporabne digitalne informacije o kotih. Ta postopek vključuje zapletene algoritme za kondicioniranje signala in dekodiranje, ki so ključni za doseganje visoko natančnega pozicioniranja v sistemih razreševalnikov.
Od analognih signalov do digitalnih kotov
Neobdelana signala iz razločevalnika upora sta dva sinusna vala (sinθsinωt in cosθsinωt), modulirana s kotom rotorja. Pridobivanje informacije o kotu θ vključuje več korakov obdelave. Najprej so signali podvrženi pasovnemu filtriranju , da se odstranijo visokofrekvenčni šum in nizkofrekvenčne motnje. Nato fazno občutljiva demodulacija (ali sinhrona demodulacija) odstrani nosilno frekvenco (običajno 10 kHz), kar daje nizkofrekvenčna signala sinθ in cosθ, ki vsebujeta informacije o kotu.
Sodobni sistemi za dekodiranje običajno uporabljajo procesorje digitalnih signalov (DSP) ali namenske pretvornike iz razločevalca v digitalno (RDC) za izračun kota. Ti procesorji uporabljajo algoritme CORDIC (Cordinate Rotation Digital Computer) ali arktangentne operacije za pretvorbo signalov sinθ in cosθ v digitalne vrednosti kotov. Na primer, mikrokrmilnik dsPIC30F3013 ima vgrajen modul ADC za sinhrono vzorčenje obeh signalov, ki mu sledijo programski algoritmi za izračun natančnega kota.
Kompenzacija napak in izboljšanje natančnosti
V praktičnih aplikacijah lahko različni dejavniki povzročijo merilne napake, vključno z:
· Amplitudno neravnovesje:
neenake amplitude sinusnih in kosinusnih izhodnih signalov (Eₛₘ≠E_cm)
· Fazno odstopanje:
neidealna 90° fazna razlika med obema signaloma
· Harmonično popačenje:
popačenje signala zaradi nesinusne porazdelitve magnetnega polja
· Ortogonalna napaka:
kotno odstopanje zaradi nenatančne namestitve navitja
Za izboljšanje natančnosti sistema napredna dekodirna vezja uporabljajo različne kompenzacijske tehnike. Na primer, vezja za samodejno krmiljenje ojačanja (AGC) uravnavajo amplitude obeh signalov, digitalni filtri zavirajo harmonične motnje, programski algoritmi pa vključujejo pogoje za kompenzacijo napak. Z natančno zasnovo in kalibracijo lahko sistemi razreševalnika dosežejo kotne napake znotraj ±0,1°, kar izpolnjuje zahteve večine visoko natančnih aplikacij.
Trendi v novih tehnologijah dekodiranja
Napredek v polprevodniški tehnologiji spodbuja inovacije pri obdelavi signalov v razreševalniku. Tradicionalna demodulacijska vezja z diskretnimi komponentami postopoma nadomeščajo integrirane rešitve . Nekateri novi dekodirni čipi vključujejo generatorje vzbujevalnih signalov, vezja za kondicioniranje signalov in digitalne računske enote, kar znatno poenostavi načrtovanje sistema.
medtem Programsko definirano dekodiranje postaja vse bolj priljubljeno. Ta pristop izkorišča računalniško moč visoko zmogljivih mikroprocesorjev za implementacijo večine funkcij obdelave signalov v programski opremi, kar ponuja večjo prilagodljivost in možnost programiranja. Na primer, parametre filtrov, kompenzacijske algoritme ali celo formate izhodnih podatkov je mogoče prilagoditi za prilagojene rešitve za merjenje kotov.
Omeniti velja, da je sistem za dekodiranje tako pomemben kot sam razreševalec. Dobro zasnovano dekodirno vezje lahko v celoti uresniči potencial zmogljivosti razreševalnika, medtem ko lahko rešitev za dekodiranje nizke kakovosti postane ozko grlo celotnega merilnega sistema. Zato je treba pri izbiri rešitve razreševalnika skrbno upoštevati združljivost med senzorjem in dekoderjem.
Prednosti delovanja in področja uporabe razločevalcev nenaklonjenosti
Zahvaljujoč svojim edinstvenim delovnim principom in konstrukcijski zasnovi, reluktančni razločevalci prekašajo tradicionalne senzorje položaja v več ključnih meritvah delovanja. Zaradi teh prednosti so najprimernejša izbira za zaznavanje kotov v številnih zahtevnih industrijskih aplikacijah.
Celovita zmogljivost nad tradicionalnimi senzorji
V primerjavi s tradicionalnimi napravami za zaznavanje položaja, kot so optični kodirniki in Hallovi senzorji, imajo reluktančni razločevalci vsestranske prednosti:
· Izjemna okoljska prilagodljivost:
deluje stabilno pri temperaturah od -55 °C do +155 °C, z zaščitnimi stopnjami do IP67 ali več, in lahko prenese močne tresljaje in udarce (npr. težka okolja, kot je avtomobilski motorni prostor).
· Dolga brezkontaktna življenjska doba:
odsotnost navitij ali krtačk na rotorju odpravlja mehansko obrabo, kar omogoča teoretično življenjsko dobo več deset tisoč ur.
· Izjemno hiter odziv:
podpira hitrosti do 60.000 RPM, kar močno presega omejitve večine optičnih kodirnikov.
· Merjenje absolutnega položaja:
Zagotavlja informacije o absolutnem kotu, ne da bi potrebovali referenčno točko, podatke o položaju posreduje takoj po vklopu.
· Močna zmogljivost proti motnjam:
Na podlagi elektromagnetne indukcije je neobčutljiv na prah, olje, vlago in zunanja magnetna polja.
Osnovne aplikacije v vozilih z novo energijo
V industriji novih energetskih vozil so razločevalci odpora postali zlati standard za zaznavanje položaja motorja. Široko se uporabljajo v krmilnih sistemih pogonskega motorja baterijskih električnih vozil (BEV) in hibridnih električnih vozil (HEV), s ključnimi funkcijami, ki vključujejo:
· Zaznavanje položaja rotorja:
Zagotavlja natančne informacije o kotu rotorja za vektorsko krmiljenje sinhronskih motorjev s trajnimi magneti (PMSM).
· Merjenje hitrosti:
Izračuna hitrost motorja iz stopnje spremembe kota, kar omogoča nadzor hitrosti v zaprti zanki.
· Električno servo krmiljenje (EPS):
zazna kot volana za zagotavljanje natančne pomoči pri krmiljenju.
Industrijska avtomatizacija in posebne aplikacije
Poleg avtomobilskega sektorja se reluktančni razreševalci pogosto uporabljajo tudi v industrijski avtomatizaciji:
· CNC strojna orodja:
Pozicioniranje vretena in merjenje kota podajalne osi.
· Robotski sklepi:
Natančen nadzor gibov robotske roke.
· Tekstilni stroji:
nadzor napetosti preje in zaznavanje kota navitja.
· Stroji za brizganje:
Nadzor in nadzor položaja vijakov.
· Vojaški in vesoljski:
pozicioniranje radarske antene, krmiljenje krmila izstrelkov in druge aplikacije v ekstremnih okoljih.
Pri železnicah za visoke hitrosti in železniškem tranzitu se reluktančni razreševalci uporabljajo za zaznavanje hitrosti vlečnega motorja in položaja, kjer njihova visoka zanesljivost in funkcije brez vzdrževanja znatno zmanjšajo stroške življenjskega cikla. V težkih okoljih, kot so rudarski stroji (npr. vozila za podzemni transport premoga in motorji s tekočimi trakovi), se vse bolj uporabljajo razločevalci nenaklonjenosti, ki nadomestijo tradicionalne senzorje.
S prihodom industrije 4.0 in pametne proizvodnje se razločevalci nenaklonjenosti razvijajo v smeri višje natančnosti, manjše velikosti in večje inteligence. Izdelki naslednje generacije se bodo osredotočali na združljivost z integriranimi zasnovami pogona motorja in menjalnika ter na razvoj različic, odpornih na olje in visoko temperaturo, da bi izpolnili zahteve oljno hlajenih sistemov. Poleg tega se pričakuje, da bodo zmožnosti brezžičnega prenosa in samodiagnostike postale trendi prihodnosti, kar bo še razširilo njihov obseg uporabe.
Tehnični izzivi in prihodnji trendi za reluktančne reševalce
Kljub izjemni zmogljivosti in zanesljivosti na različnih področjih se reluktančni razreševalci še vedno soočajo s tehničnimi izzivi in kažejo jasne inovacijske usmeritve.
Obstoječa tehnična ozka grla in rešitve
Visoke zahteve glede natančnosti izdelave so velik izziv za reluktančne razreševalce. Natančnost obdelave zob statorja, enakomernost porazdelitve navitja in dinamično ravnotežje rotorja neposredno vplivajo na natančnost in zmogljivost senzorja. Pri visokonatančnih razreševalcih z več pari polov (npr. 12 parov polov) lahko celo proizvodne napake na mikronski ravni povzročijo nesprejemljive amplitudne ali fazne napake. Rešitve za to težavo vključujejo:
· Sprejetje visoko natančnih kalupov za žigosanje in avtomatiziranih postopkov laminiranja za zagotavljanje doslednosti in natančnosti zobne reže v jedru.
· Uvedba analize magnetnega polja končnih elementov za optimizacijo zasnove magnetnega vezja in kompenzacijo toleranc pri izdelavi.
· Razvoj algoritmov samokompenzacije za samodejno popravljanje inherentnih napak senzorjev med obdelavo signala.
Drugi izziv je kompleksnost sistemske integracije . Čeprav ima sam razreševalec preprosto strukturo, celoten merilni sistem vključuje podsisteme, kot so napajalniki vzbujanja, vezja za kondicioniranje signala in algoritmi za dekodiranje, ki lahko postanejo ozka grla, če so slabo zasnovani. Da bi to rešili, se industrija premika k integriranim rešitvam :
· Integracija vzbujevalnih generatorjev, kondicioniranja signala in dekodirnih vezij v en sam čip za poenostavitev zasnove sistema.
· Razvoj standardiziranih vmesnikov (npr. SPI, CAN) za brezhibno integracijo z glavnimi krmilniki.
· Zagotavljanje obsežnih razvojnih kompletov, vključno z referenčnimi načrti, programskimi knjižnicami in orodji za umerjanje.
Inovacijske smeri in prihodnji trendi
Materialne inovacije bodo prinesle preboje v zmogljivosti za reševalce nenaklonjenosti. Novi mehki magnetni kompoziti (SMC) s tridimenzionalnimi izotropnimi magnetnimi lastnostmi lahko optimizirajo porazdelitev magnetnega polja in zmanjšajo harmonično popačenje. Medtem bodo visokotemperaturno stabilni izolacijski materiali in premazi, odporni proti koroziji, razširili območje delovanja senzorjev.
Inteligenca je še ena kritična smer za prihodnje reševalce nenaklonjenosti. Z integracijo mikroprocesorjev in komunikacijskih vmesnikov lahko razreševalci dosežejo:
· Funkcije samodiagnostike:
spremljanje stanja senzorja v realnem času in predvidevanje preostale življenjske dobe.
· Prilagodljiva kompenzacija:
Samodejna prilagoditev parametrov kompenzacije glede na okoljske spremembe (npr. temperatura).
· Omrežni vmesniki:
Podpora za napredne komunikacijske protokole, kot je Industrial Ethernet, ki olajša integracijo v sisteme Industrial IoT (IIoT).
Kar zadeva širitev uporabe , reluktančni razreševalci napredujejo v dveh smereh: proti aplikacijam višjega cenovnega razreda (npr. oprema za proizvodnjo polprevodnikov, medicinski roboti), ki zahtevajo večjo ločljivost in zanesljivost, ter proti bolj ekonomičnim in razširjenim aplikacijam (npr. gospodinjski aparati, električna orodja) s poenostavljenimi zasnovami in množično proizvodnjo za zmanjšanje stroškov.
Posebej omembe vreden trend je uporaba reluktančnih razreševalnikov v vozilih z novo energijo naslednje generacije . Ker se motorni sistemi razvijajo v smeri višjih hitrosti in integracije, morajo senzorji položaja izpolnjevati zahtevnejše zahteve:
· Podpora za ultra visoke hitrosti, ki presegajo 20.000 RPM.
· Toleranca za temperature nad 150°C.
· Združljivost z zasnovami tesnil oljno hlajenega sistema.
· Manjše vgradne mere in manjša teža.
Standardizacija in napredek industrializacije
Z dozorevanjem tehnologije razreševalnika nenaklonjenosti prizadevanja za standardizacijo . napredujejo tudi Kitajska je vzpostavila nacionalne standarde, kot so GB/T 31996-2015 Splošne tehnične specifikacije za razločevalce, za urejanje meritev učinkovitosti izdelkov in preskusnih metod. Kar zadeva industrializacijo, je kitajska tehnologija razreševanja nenaklonjenosti dosegla mednarodno napredno raven.
Predvideti je, da bodo s tehnološkim napredkom in industrializacijo reluktančni razločevalci nadomestili tradicionalne senzorje na več področjih in postali glavna rešitev za zaznavanje rotacijskega položaja ter zagotavljali kritično tehnično podporo za industrijsko avtomatizacijo in razvoj novih energetskih vozil.
