I. Nguyên tắc cốt lõi của người giải quyết miễn cưỡng biến đổi
Đầu tiên, để hiểu thiết kế, người ta phải hiểu sự khác biệt cơ bản của nó từ những người giải quyết vết thương truyền thống:
· Trình phân giải truyền thống: Cả stator và rôto đều có cuộn dây. Tín hiệu kích thích và tín hiệu đầu ra được tạo ra điện từ trên khoảng cách không khí.
· Resolver miễn cưỡng thay đổi (VR): Chỉ có stato có cuộn dây . Rôto là một thành phần sắt từ không có cánh làm bằng cực mặn hoặc cấu trúc răng. Nguyên tắc làm việc của nó dựa trên sự thay đổi miễn cưỡng.
o Cuộn dây stator: thường bao gồm một cuộn dây kích thích (sơ cấp) và hai cuộn dây đầu ra (cuộn dây sin và cosin, thứ cấp) là trực giao về mặt không gian (cách nhau 90 độ điện).
o Xoay vòng quay: Khi rôto có cực nổi bật, nó thay đổi chiều dài khe hở không khí và sự miễn cưỡng của mạch từ tính.
o Điều chế tín hiệu: Sự thay đổi trong miễn cưỡng khoảng cách khoảng cách không khí (điều chế biên độ) Biên độ điện áp gây ra trong cuộn dây đầu ra bằng từ trường kích thích. Các phong bì biên độ của hai cuộn dây đầu ra là các chức năng hình sin và cosin của góc rôto, tương ứng.
Ưu điểm của nó là: cấu trúc đơn giản, gồ ghề và bền (không chổi than), chi phí thấp, độ tin cậy cao, khả năng chịu được môi trường tốc độ cao và nhiệt độ cao . Nhược điểm là độ chính xác và tuyến tính thường thấp hơn một chút so với những người giải quyết vết thương có độ chính xác cao.
Ii. Quy trình thiết kế và cân nhắc chính
Quá trình thiết kế là lặp đi lặp lại và thường làm theo các bước sau:
1. Xác định thông số kỹ thuật thiết kế
Đây là điểm khởi đầu cho tất cả các thiết kế và phải được làm rõ trước:
· Số lượng cặp cực (P): Xác định mối quan hệ giữa các góc điện và cơ học (θ_electric = p * θ_m học). Cấu hình phổ biến là 1 cặp cực (đơn cực) và 2 cặp cực (lưỡng cực). Số lượng cặp cực ảnh hưởng đến độ chính xác và tốc độ tối đa.
· Yêu cầu chính xác: thường được biểu thị bằng arcminutes (′) hoặc miliradian (MRAD). Thiết kế chính xác cao đòi hỏi nhu cầu cực kỳ cao đối với sản xuất, vật liệu và ức chế điều hòa từ trường.
· Tín hiệu kích thích đầu vào: Biên độ điện áp kích thích, tần số (phổ biến là 4kHz, 10kHz, v.v.), dạng sóng (thường là hình sin).
· Tỷ lệ biến đổi (TR): Tỷ lệ điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào (tại vị trí của khớp nối tối đa).
· Lỗi điện: Bao gồm lỗi chức năng, lỗi điện áp null, lỗi pha, v.v.
· Môi trường hoạt động: Phạm vi nhiệt độ, độ rung, sốc, độ ẩm, bảo vệ xâm nhập (IP).
· Các ràng buộc kích thước: đường kính ngoài, lỗ khoan bên trong, độ dày (chiều dài).
· Tham số trở kháng: Trở kháng đầu vào/đầu ra, ảnh hưởng đến việc khớp với mạch tiếp theo.
2. Thiết kế điện từ - Phần cốt lõi
· Thiết kế cán màng/rôto:
o Lựa chọn vật liệu: Thường sử dụng các tấm thép silicon với độ thấm cao và mất sắt thấp (ví dụ: DW540, 50JN400).
o Sự kết hợp của Sole-Slot: Đây là linh hồn của thiết kế. Số lượng các khe stato (ZS) và cực nổi của rôto (ZR) phải được xác định. Sự kết hợp phổ biến nhất là ZR = 2P (số cực của rôto bằng gấp đôi số cặp cực) và ZS là bội số của ZR. Ví dụ: một chất phân giải đơn cực (p = 1) thường sử dụng zs = 4, zr = 2 ; Một chất phân giải lưỡng cực (p = 2) thường sử dụng zs = 8, zr = 4 hoặc zs = 12, zr = 6.
o Slot/Cực hình: Hình dạng của răng (song song, thon) ảnh hưởng đến phân bố từ trường và hàm lượng hài hòa. Các kích thước như chiều rộng răng, chiều rộng mở khe và độ dày ách cần tối ưu hóa để tối đa hóa lực động từ cơ bản (MMF) và giảm thiểu sóng hài khe.
o Air Gap: Kích thước khoảng cách không khí là một sự đánh đổi quan trọng. Một khoảng cách không khí nhỏ làm tăng tỷ lệ biến đổi và cường độ tín hiệu nhưng làm tăng độ khó sản xuất, độ nhạy cảm với độ lệch tâm và gợn sóng mô -men xoắn. Một khoảng cách không khí lớn có tác dụng ngược lại. Thông thường được thiết kế giữa 0,05mm - 0,25mm.
· Thiết kế cuộn dây:
Loại O : Cuộn dây phân phối thường hoặc cuộn dây tập trung (răng) được sử dụng. Cuộn dây phân tán (một cuộn dây trải dài nhiều khe) tạo ra từ trường hình sin hơn nhưng phức tạp hơn để sản xuất; Cuộn dây tập trung đơn giản hơn nhưng có sóng hài cao hơn.
o Tính toán lần lượt: Dựa trên tỷ lệ biến đổi mục tiêu, điện áp kích thích và tần số, xác định số lần quay cho cuộn dây kích thích và cuộn dây sin/cosin thông qua tính toán điện từ. Số lượng lượt cho hai cuộn dây đầu ra phải hoàn toàn giống hệt nhau.
o Phương pháp kết nối: Đảm bảo cuộn dây sin và cosin cách nhau 90 độ điện.
3. Mô phỏng và tối ưu hóa từ trường (Mô phỏng FEA) - Công cụ thiết kế hiện đại thiết yếu
Tính toán phân tích thuần túy là rất phức tạp và không đủ chính xác. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) (ví dụ: JMAG, ANSYS Maxwell, SimCenter Magnet) là rất cần thiết.
· Mô phỏng trường tĩnh: Tính phân phối từ trường, ma trận tự cảm và tiềm năng đầu ra ở các góc rôto khác nhau.
· Mô phỏng trường thoáng qua: Áp dụng điện áp kích thích thực tế để mô phỏng dạng sóng điện áp đầu ra, phản ánh chính xác hơn hiệu suất.
· Tối ưu hóa tham số: Thực hiện quét tham số và tối ưu hóa các kích thước chính như hình dạng răng, khe hở không khí và mở khe để giảm thiểu lỗi (ví dụ, THD) và tối đa hóa tỷ lệ biến đổi.
· Phân tích lỗi: Tính toán lỗi điện thông qua mô phỏng và phân tích các nguồn lỗi (ví dụ: hài hòa, hiệu ứng cát, hiệu ứng bão hòa).
4. Thiết kế cấu trúc cơ học
· Nhà ở và vòng bi: Thiết kế cấu trúc hỗ trợ và chọn vòng bi thích hợp để đảm bảo tính đồng tâm giữa rôto và stato và biến thể khe hở không khí tối thiểu, trong khi chịu được rung động và sốc được chỉ định.
· Kết nối trục: Thiết kế khóa, lỗ khoan mịn hoặc giao diện servo để đảm bảo kết nối đáng tin cậy và truyền không phản ứng dữ dội với trục động cơ.
· Quản lý nhiệt: Xem xét việc tạo nhiệt từ cuộn dây và tổn thất sắt để ngăn ngừa quá nóng trong môi trường nhiệt độ cao. Thiết kế đường dẫn nhiệt đôi khi là cần thiết.
· Che chắn điện từ: Thêm khiên nếu cần thiết để ngăn chặn sự can thiệp từ từ trường bên ngoài.
5. Xem xét mạch xử lý tín hiệu
Mặc dù không phải là một phần của thiết kế cơ thể phân giải, nhưng nó phải được coi là hiệp đồng:
· RDC (Bộ chuyển đổi người giải quyết thành kỹ thuật số): Chọn chip RDC (ví dụ: AD2S1205, AU6802) phù hợp với tần số trở kháng và kích thích của người giải quyết. Kết hợp trở kháng đầu vào là cần thiết trong quá trình thiết kế.
· Mạch truyền động kích thích: Yêu cầu mạch OP-AMP năng lượng có khả năng cung cấp sóng hình sin sạch, ổn định.
· Mạch lọc: Lọc các tín hiệu đầu ra để ngăn chặn tiếng ồn và sóng hài tần số cao.
Iii. Thách thức thiết kế và công nghệ chính
1. Ức chế hài hòa: Do tính phi tuyến tính của sự thay đổi miễn cưỡng của nó, điện áp đầu ra của bộ giải quyết VR chứa các sóng hài phong phú, là nguyên nhân chính gây ra lỗi. Các phương pháp như tối ưu hóa kết hợp cột cực, độ lệch (khe hoặc cực) và thêm các khe phụ trợ trên răng stato có thể ngăn chặn hiệu quả sóng hài.
2. Cân bằng độ chính xác và chi phí: Độ chính xác cao ngụ ý gia công chính xác hơn (khoảng cách không khí nhỏ hơn, độ đồng tâm cao hơn), vật liệu chất lượng cao hơn (thép silicon cấp cao hơn), thiết kế phức tạp hơn (ví dụ, cặp cực hơn, khe cắm phân đoạn) và quy trình chặt chẽ hơn, dẫn đến chi phí tăng mạnh.
3. Nhiệt độ trôi: Điện trở của cuộn dây và tính chất của thép silicon thay đổi theo nhiệt độ, gây ra biên độ và độ trôi pha. Bồi thường trong mạch hoặc phần mềm là cần thiết, hoặc các vật liệu có độ ổn định nhiệt độ tốt nên được chọn trong quá trình thiết kế điện từ.
Bản tóm tắt
Khuyến nghị thiết kế:
1. Bắt đầu với các thông số kỹ thuật: Đầu tiên, hiểu kỹ các yêu cầu cụ thể của kịch bản ứng dụng của bạn về độ chính xác, kích thước và môi trường.
2. Đòn bẩy các giải pháp đã được chứng minh: Bắt đầu với các kết hợp slot cực cổ điển (ví dụ: 4-2, 8-4), vì chúng là điểm khởi đầu được xác minh và đáng tin cậy.
3. Thiết kế theo mô phỏng: Đừng dừng lại ở các tính toán lý thuyết; Ngay lập tức sử dụng phần mềm FEM để tạo một mô hình tham số để mô phỏng và tối ưu hóa. Đây là chìa khóa để cải thiện tỷ lệ thành công thiết kế và rút ngắn chu kỳ phát triển.
4. Lặp lại và kiểm tra: Sau khi xây dựng một nguyên mẫu, thực hiện các thử nghiệm hiệu suất toàn diện (lỗi, tăng nhiệt độ, rung, v.v.), so sánh với kết quả mô phỏng, phân tích nguyên nhân của sự khác biệt và tiến hành lặp lại thiết kế tiếp theo.
5. Hãy suy nghĩ ở cấp độ hệ thống: Hãy xem xét và gỡ lỗi cảm biến bộ giải quyết và mạch RDC xuôi dòng dưới dạng một hệ thống tích hợp.
Thiết kế của những người giải quyết miễn cưỡng thay đổi là một công nghệ thực tế cao, đòi hỏi các chu kỳ lặp đi lặp lại của lý thuyết, mô phỏng và thử nghiệm.
