I. Kärnprinciper för variabel motvilja upplösare
Först, för att förstå designen, måste man förstå dess grundläggande skillnader från traditionella sårrotorupplösare:
· Traditionell upplösare: Både stator och rotor har lindningar. Excitationssignalen och utsignalen induceras elektromagnetiskt över luftgapet.
· Variabel motvilja (VR) Resolver: Endast statorn har lindningar . Rotorn är en icke-sund ferromagnetisk komponent gjord av framträdande poler eller en tandstruktur. Dess arbetsprincip är baserad på motvilja variation.
o statorlindningar: Inkludera vanligtvis en excitationslindning (primär) och två utgångslindningar (sinus- och kosinuslindningar, sekundära) som är rumsligt ortogonala (90 elektriska grader från varandra).
o Rotorrotation: När rotorn med framstående poler roterar, ändrar den luftgaplängden och magnetkretsens motvilja.
o Signalmodulering: Variationen i luftgapet -motvilja modulerar (amplitudmodulering) spänningsamplituden inducerad i utgångslindningarna med excitationsmagnetfältet. Amplitudhöljena för de två utgångslindningarna är sinusformade och kosinusfunktioner i rotorvinkeln.
Dess fördelar är: enkel struktur, robust och hållbar (borstlös), låg kostnad, hög tillförlitlighet, förmåga att motstå höghastighets- och högtemperaturmiljöer . Nackdelen är att noggrannhet och linearitet vanligtvis är något lägre än de hos högprecision av sårrotorupplösare.
Ii. Designprocess och viktiga överväganden
Designprocessen är iterativ och följer vanligtvis dessa steg:
1. Definiera designspecifikationer
Detta är utgångspunkten för alla mönster och måste klargöras först:
· Antal polpar (P): bestämmer förhållandet mellan elektriska och mekaniska vinklar (θ_elektriska = P * θ_mechanical). Vanliga konfigurationer är 1 polpar (unipolära) och 2 polpar (bipolära). Antalet polpar påverkar noggrannhet och maximal hastighet.
· Noggrannhetskrav: Vanligtvis uttryckt i arcminutes (′) eller Milliradians (MRAD). Högprecisionskonstruktioner kräver extremt höga krav på tillverkning, material och magnetfält harmonisk undertryckning.
· Ingångsexcitationssignal: excitationspänningsamplitud, frekvens (vanliga är 4 kHz, 10 kHz, etc.), vågform (vanligtvis sinusformad).
· Transformationsförhållande (TR): Förhållandet mellan utgångsspänning och ingångsspänning (vid läget för maximal koppling).
· Elektriskt fel: Inkluderar funktionsfel, nollspänningsfel, fasfel etc.
· Driftsmiljö: Temperaturområde, vibration, chock, fuktighet, Ingress Protection (IP).
· Storleksbegränsningar: Yttre diameter, inre borrning, tjocklek (längd).
· Impedansparametrar: Input/utgångsimpedans, påverkar matchning med efterföljande kretsar.
2. Elektromagnetisk design - kärndel
· STATOR/ROTOR LAMINATION DESIGN:
o Materialval: använder vanligtvis kiselstålark med hög permeabilitet och låg järnförlust (t.ex. DW540, 50JN400).
O Pole-slotkombination: Detta är designens själ. Antalet statorplatser (ZS) och rotor framträdande poler (ZR) måste bestämmas. Den vanligaste kombinationen är Zr = 2p (antal rotorpoler är lika med dubbelt så många polpar), och ZS är en multipel av Zr. Till exempel använder en unipolär upplösare (p = 1) ofta ZS = 4, Zr = 2 ; En bipolär upplösare (P = 2) använder ofta ZS = 8, ZR = 4 eller ZS = 12, ZR = 6.
o Slot/polform: Tändernas form (parallell, avsmalnande) påverkar magnetfältfördelning och harmoniskt innehåll. Dimensioner som tandbredd, öppningsbredd och oktjocklek behöver optimering för att maximera grundläggande magneto-motivkraft (MMF) och minimera slotharmonik.
o Luftgap: Luftgapet är en kritisk avvägning. En liten luftgap ökar transformationsförhållandet och signalstyrkan men ökar tillverkningssvårigheten, känsligheten för excentricitet och vridmoment. Ett stort luftgap har motsatt effekt. Vanligtvis designad mellan 0,05 mm - 0,25 mm.
· Winding Design:
o Typ: Vanligtvis distribuerade lindningar eller koncentrerade (tand) lindningar används. Distribuerade lindningar (en spole som sträcker sig över flera spår) producerar ett mer sinusformat magnetfält men är mer komplexa att tillverka; Koncentrerade lindningar är enklare men har högre harmonier.
o Vridberäkning: Baserat på målomvandlingsförhållandet, excitationsspänningen och frekvensen, bestäm antalet varv för excitationslindningen och sinus/kosinuslindningarna genom elektromagnetisk beräkning. Antalet varv för de två utgångslindningarna måste vara strikt identiskt.
o Anslutningsmetod: Se till att sinus- och kosinuslindningarna är strikt 90 elektriska grader isär rumsligt.
3. Simulering och optimering av magnetfält (FEA -simulering) - Essential Modern Design Tool
Rent analytiska beräkningar är mycket komplexa och otillräckligt exakta. Finite Element Analys (FEA) -programvara (t.ex. JMAG, ANSYS MAXWELL, SimCenter Magnet) är viktigt.
· Statisk fältsimulering: Beräkna magnetfältfördelning, induktansmatris och utgångspotential i olika rotorvinklar.
· Övergående fältsimulering: Applicera den faktiska excitationsspänningen för att simulera utgångsspänningsvågformen, mer exakt återspeglar prestanda.
· Parametrisk optimering: Utför parametriska svep och optimering av viktiga dimensioner som tandform, luftgap och spelautomat för att minimera fel (t.ex. THD) och maximera transformationsförhållandet.
· Felanalys: Beräkna elektriskt fel genom simulering och analysera felkällor (t.ex. harmonik, cogging -effekt, mättnadseffekt).
4. Mekanisk strukturdesign
· Bostäder och lager: Utformar stödstrukturen och välj lämpliga lager för att säkerställa koncentricitet mellan rotor och stator och minimal luftgapvariation, samtidigt som den specificerade vibrationen och chocken motstår.
· Axelanslutning: Designnyckel, slät borrning eller servo-gränssnitt för att säkerställa tillförlitlig anslutning och motreaktionsfri överföring med motoraxeln.
· Termisk hantering: Överväg värmeproduktion från lindningar och järnförluster för att förhindra överhettning i miljöer med högt temperatur. Termisk vägdesign är ibland nödvändig.
· Elektromagnetisk skärmning: Tillsätt en sköld vid behov för att förhindra störningar från yttre magnetfält.
5. Signalbehandlingskretsöverväganden
Även om det inte är en del av upplösarens kroppsdesign, måste den betraktas som synergistiskt:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter): Välj ett RDC-chip (t.ex. AD2S1205, AU6802) som matchar upplösarens impedans och excitationsfrekvens. Inmatningsimpedansmatchning krävs under design.
· Excitation Drive Circuit: Kräver en Power Op-amp-krets som kan tillhandahålla en ren, stabil sinusvåg.
· Filterkrets: Filtrera utgångssignalerna för att undertrycka högfrekventa brus och harmonier.
Iii. Designutmaningar och nyckeltekniker
1. Harmonisk undertryckning: På grund av icke-lineariteten i dess motvilja variation innehåller utgångsspänningen för en VR-upplösare rika harmonik, som är den främsta orsaken till fel. Metoder som poloperationsoptimering, skevning (slots eller stolpar) och att lägga till hjälpplatser på statortänder kan effektivt undertrycka harmonik.
2. Balanseringsnoggrannhet och kostnad: Hög noggrannhet innebär mer exakt bearbetning (mindre luftgap, högre koncentricitet), högre kvalitetsmaterial (högre kiselstål), mer komplexa mönster (t.ex. fler polpar, fraktionella spår) och strängare processer, vilket leder till ökande kostnader kraftigt.
3. Temperaturdrift: Motståndet hos lindningar och egenskaperna för kiselstålförändring med temperatur, vilket orsakar amplitud och fasdrift. Kompensation i kretsen eller programvaran behövs, eller material med god temperaturstabilitet bör väljas under elektromagnetisk design.
Sammanfattning
Designrekommendationer:
1. Börja med specifikationer: Först förstår du noggrant de specifika kraven i ditt applikationsscenario angående noggrannhet, storlek och miljö.
2. Utnyttjande beprövade lösningar: Börja med klassiska pol-slotkombinationer (t.ex. 4-2, 8-4), eftersom de är en verifierad och tillförlitlig utgångspunkt.
3. Simuleringsdriven design: Stoppa inte vid teoretiska beräkningar; Använd omedelbart FEM -programvara för att skapa en parametrisk modell för simulering och optimering. Detta är nyckeln till att förbättra designens framgångsgrader och förkortning av utvecklingscykler.
4. Iterera och test: Efter att ha byggt en prototyp, genomföra omfattande prestandatester (fel, temperaturökning, vibrationer, etc.), jämför med simuleringsresultat, analysera orsakerna till skillnader och fortsätt till nästa designteration.
5. Tänk på systemnivå: Tänk på och felsöka upplösarensen och nedströms RDC -kretsen som ett integrerat system.
Utformningen av variabla motvilja upplösare är en mycket praktisk teknik som kräver upprepade cykler av teori, simulering och experiment.
