Trong tự động hóa công nghiệp hiện đại và điều khiển cơ khí chính xác, việc phát hiện vị trí quay chính xác là rất quan trọng. các bộ phân giải miễn cưỡng , thường được gọi là bộ phân giải, là một cảm biến có độ tin cậy cao được sử dụng rộng rãi trong động cơ servo, robot và các ứng dụng khác yêu cầu định vị chính xác. Bài viết này giới thiệu ngắn gọn các nguyên tắc làm việc của các bộ phân giải và cách chúng đạt được khả năng định vị xoay.
Bộ phân giải là một cảm biến tương tự dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có khả năng chuyển đổi góc cơ học của rôto thành tín hiệu điện. Không giống như các cảm biến kỹ thuật số như bộ mã hóa quang học, bộ phân giải cung cấp tín hiệu tương tự liên tục cho thông tin vị trí quay, mang lại khả năng chống nhiễu và độ tin cậy vượt trội, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.
Cấu trúc cốt lõi và nguyên tắc làm việc của bộ giải quyết miễn cưỡng
Để hiểu cách các bộ phân giải từ trở đạt được vị trí quay chính xác, điều cần thiết là phải đi sâu vào cấu trúc vật lý độc đáo của chúng. Thiết kế khéo léo của những cảm biến này tạo nền tảng cho hiệu suất cao của chúng và minh họa cho ứng dụng thực tế của nguyên lý cảm ứng điện từ.
Thiết kế kết cấu mang tính cách mạng
Cấu trúc của bộ giải từ trở bao gồm ba thành phần chính: lõi stato , lõi rôto và hệ thống dây quấn . Lõi stato được ép từ các tấm thép silicon có độ thấm cao, với các răng lớn ( guốc cực ) được đục lỗ ở chu vi bên trong, mỗi răng lại được chia thành các răng nhỏ cách đều nhau. Sự sắp xếp và hình dạng của những chiếc răng nhỏ này được tính toán tỉ mỉ để đảm bảo phân bố từ trường hình sin lý tưởng. Rôto đơn giản hơn, chỉ được làm bằng các tấm thép silicon có răng mà không có cuộn dây hoặc linh kiện điện tử nào. Thiết kế 'thụ động' này là chìa khóa cho độ tin cậy cao của bộ phân giải.
Hệ thống cuộn dây được đặt hoàn toàn trên stato và bao gồm một cuộn dây kích thích và hai cuộn dây đầu ra trực giao (cuộn dây hình sin và cosin). Các cuộn dây này được tập trung và phân bố theo dạng hình sin để đảm bảo đặc tính hình sin của tín hiệu đầu ra. Đáng chú ý, các cuộn dây đầu ra được bố trí theo cấu hình xen kẽ và nối tiếp ngược, giúp triệt tiêu hiệu quả nhiễu sóng hài và cải thiện độ tinh khiết của tín hiệu.
Nguyên tắc định vị dựa trên sự thay đổi từ trở
Nguyên lý làm việc của bộ phân giải từ trở xoay quanh việc điều chế độ dẫn từ của khe hở không khí . Khi đặt điện áp xoay chiều hình sin (thường là 7V ở tần số 1-10kHz) vào cuộn dây kích thích, một từ trường xoay chiều sẽ được tạo ra trong stato. Từ trường này đi qua khe hở không khí tới rôto. Do có răng rôto, điện trở từ (nghịch đảo của độ dẫn từ) của mạch từ thay đổi theo chu kỳ theo vị trí của rôto.
Cụ thể, khi răng rôto thẳng hàng với răng stato thì từ trở giảm thiểu và từ thông lớn nhất. Ngược lại, khi các rãnh rôto thẳng hàng với các răng của stato thì từ trở là lớn nhất và từ thông là nhỏ nhất. Đối với mỗi bước răng rôto quay, độ dẫn từ của khe hở không khí hoàn thành một chu kỳ biến đổi đầy đủ. Sự điều chế từ trường kích thích này tạo ra tín hiệu điện áp trong cuộn dây đầu ra, biên độ của chúng tương quan với vị trí góc của rôto.
Về mặt toán học, nếu điện áp kích thích là e₁=E₁msinωt thì điện áp của hai cuộn dây đầu ra có thể được biểu thị như sau:
· Đầu ra cuộn dây hình sin: eₛ=Eₛₘcosθsinωt
· Đầu ra cuộn dây cosine: e_c=E_cmsinθsinωt
Ở đây, θ biểu thị góc cơ học của rôto và ω là tần số góc của tín hiệu kích thích. Lý tưởng nhất là Eₛₘ và E_cm phải bằng nhau, nhưng dung sai sản xuất có thể gây ra lỗi biên độ, cần phải hiệu chuẩn hoặc bù mạch.
Cặp cực và độ chính xác của phép đo
Các cặp cực của bộ phân giải từ trở là một tham số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và độ phân giải của phép đo. Số lượng cặp cực tương ứng với số răng rôto và xác định góc quay cơ học cần thiết cho một chu kỳ tín hiệu điện hoàn chỉnh. Ví dụ: một bộ phân giải có 4 cặp cực sẽ tạo ra 4 chu kỳ tín hiệu điện trên mỗi vòng quay cơ học, 'khuếch đại' góc cơ học một cách hiệu quả theo hệ số 4 để đo.
Các bộ phân giải từ trở phổ biến trên thị trường có phạm vi từ 1 đến 12 cặp cực. Về mặt lý thuyết, số lượng cực cao hơn cho phép độ phân giải góc cao hơn, với bộ phân giải 12 cực đạt được độ chính xác ±0,1° hoặc cao hơn. Tuy nhiên, việc tăng các cặp cực cũng làm tăng độ phức tạp trong xử lý tín hiệu, đòi hỏi phải có sự cân bằng dựa trên yêu cầu ứng dụng.
Phương pháp đo góc này, dựa trên sự biến đổi từ trở và cảm ứng điện từ, cho phép bộ phân giải từ trở hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng (-55°C đến +155°C), với mức bảo vệ lên tới IP67 hoặc cao hơn. Chúng có thể chịu được những rung động và chấn động mạnh, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các môi trường đòi hỏi khắt khe như ứng dụng ô tô, hàng không vũ trụ và quân sự.
Kỹ thuật xử lý tín hiệu và tính toán góc
Đầu ra tín hiệu tương tự bằng bộ phân giải từ trở yêu cầu các mạch xử lý chuyên dụng để chuyển đổi chúng thành thông tin góc kỹ thuật số có thể sử dụng được. Quá trình này bao gồm các thuật toán giải mã và điều hòa tín hiệu phức tạp, rất quan trọng để đạt được vị trí có độ chính xác cao trong các hệ thống phân giải.
Từ tín hiệu tương tự đến góc kỹ thuật số
Tín hiệu thô từ bộ phân giải từ trở là hai sóng hình sin (sinθsinωt và cosθsinωt) được điều chế bởi góc rôto. Việc trích xuất thông tin góc θ bao gồm một số bước xử lý. Đầu tiên, các tín hiệu trải qua quá trình lọc thông dải để loại bỏ nhiễu tần số cao và nhiễu tần số thấp. Tiếp theo, giải điều chế nhạy pha (hoặc giải điều chế đồng bộ) loại bỏ tần số sóng mang (thường là 10kHz), tạo ra tín hiệu tần số thấp sinθ và cosθ chứa thông tin góc.
Các hệ thống giải mã hiện đại thường sử dụng bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc bộ chuyển đổi từ bộ phân giải sang số (RDC) chuyên dụng để tính toán góc. Các bộ xử lý này sử dụng thuật toán CORDIC (Máy tính kỹ thuật số xoay tọa độ) hoặc các phép toán tiếp tuyến để chuyển đổi tín hiệu sinθ và cosθ thành các giá trị góc kỹ thuật số. Ví dụ, bộ vi điều khiển dsPIC30F3013 có mô-đun ADC tích hợp để lấy mẫu đồng bộ hai tín hiệu, sau đó là các thuật toán phần mềm để tính toán góc chính xác.
Bồi thường lỗi và nâng cao độ chính xác
Trong các ứng dụng thực tế, nhiều yếu tố khác nhau có thể gây ra sai số đo lường, bao gồm:
· Mất cân bằng biên độ:
Biên độ không bằng nhau của tín hiệu đầu ra sin và cosin (Eₛₘ≠E_cm)
· Độ lệch pha:
Độ lệch pha 90° không lý tưởng giữa hai tín hiệu
· Méo hài:
Méo sóng tín hiệu do phân bố từ trường không hình sin
· Lỗi trực giao:
Độ lệch góc do lắp đặt cuộn dây không chính xác
Để cải thiện độ chính xác của hệ thống, các mạch giải mã tiên tiến sử dụng nhiều kỹ thuật bù khác nhau. Ví dụ, mạch điều khiển khuếch đại tự động (AGC) cân bằng biên độ của hai tín hiệu, bộ lọc kỹ thuật số triệt tiêu nhiễu sóng hài và thuật toán phần mềm kết hợp các thuật ngữ bù lỗi. Với thiết kế và hiệu chuẩn tỉ mỉ, hệ thống giải quyết có thể đạt được sai số góc trong phạm vi ±0,1°, đáp ứng yêu cầu của hầu hết các ứng dụng có độ chính xác cao.
Xu hướng công nghệ giải mã mới
Những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn đang thúc đẩy sự đổi mới trong xử lý tín hiệu của bộ phân giải. Các mạch giải điều chế thành phần rời rạc truyền thống đang dần được thay thế bằng các giải pháp tích hợp . Một số chip giải mã mới tích hợp bộ tạo tín hiệu kích thích, mạch điều hòa tín hiệu và bộ tính toán kỹ thuật số, giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế hệ thống.
Trong khi đó, giải mã được xác định bằng phần mềm đang trở nên phổ biến. Cách tiếp cận này tận dụng sức mạnh tính toán của bộ vi xử lý hiệu suất cao để thực hiện hầu hết các chức năng xử lý tín hiệu trong phần mềm, mang lại tính linh hoạt và khả năng lập trình cao hơn. Ví dụ: các tham số bộ lọc, thuật toán bù hoặc thậm chí định dạng dữ liệu đầu ra có thể được điều chỉnh cho các giải pháp đo góc tùy chỉnh.
Điều đáng chú ý là hệ thống giải mã cũng quan trọng như chính bộ phân giải. Mạch giải mã được thiết kế tốt có thể phát huy hết tiềm năng hiệu suất của bộ phân giải, trong khi giải pháp giải mã chất lượng thấp có thể trở thành nút thắt cổ chai của toàn bộ hệ thống đo lường. Vì vậy, khi lựa chọn giải pháp Resolver, tính tương thích giữa cảm biến và bộ giải mã phải được xem xét cẩn thận.
Ưu điểm về hiệu suất và lĩnh vực ứng dụng của bộ giải quyết từ trở
Nhờ các nguyên tắc làm việc và thiết kế cấu trúc độc đáo, bộ phân giải từ trở hoạt động tốt hơn các cảm biến vị trí truyền thống ở một số chỉ số hiệu suất chính. Những ưu điểm này khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên để phát hiện góc trong nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khắt khe.
Hiệu suất toàn diện vượt trội so với các cảm biến truyền thống
So với các thiết bị phát hiện vị trí truyền thống như bộ mã hóa quang học và cảm biến Hall, bộ phân giải từ trở thể hiện những ưu điểm về hiệu suất toàn diện:
· Khả năng thích ứng môi trường vượt trội:
Hoạt động ổn định ở nhiệt độ từ -55°C đến +155°C, với mức bảo vệ lên đến IP67 hoặc cao hơn và có thể chịu được các rung động và chấn động mạnh (ví dụ: môi trường khắc nghiệt như khoang động cơ ô tô).
· Tuổi thọ dài không tiếp xúc:
Việc không có cuộn dây hoặc chổi than trên rô-to giúp loại bỏ hao mòn cơ học, mang lại tuổi thọ lý thuyết lên tới hàng chục nghìn giờ.
· Phản hồi tốc độ cực cao:
Hỗ trợ tốc độ lên tới 60.000 vòng/phút, vượt xa giới hạn của hầu hết các bộ mã hóa quang học.
· Đo vị trí tuyệt đối:
Cung cấp thông tin góc tuyệt đối mà không cần điểm tham chiếu, cung cấp dữ liệu vị trí ngay khi bật nguồn.
· Khả năng chống nhiễu mạnh:
Dựa trên cảm ứng điện từ nên không nhạy cảm với bụi, dầu, độ ẩm và từ trường bên ngoài.
Các ứng dụng cốt lõi trong phương tiện sử dụng năng lượng mới
Trong ngành công nghiệp xe sử dụng năng lượng mới, bộ phân giải từ trở đã trở thành tiêu chuẩn vàng để phát hiện vị trí động cơ. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển động cơ truyền động của xe điện chạy pin (BEV) và xe điện hybrid (HEV), với các chức năng chính bao gồm:
· Phát hiện vị trí rôto:
Cung cấp thông tin chính xác về góc rôto để điều khiển véc tơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
· Đo tốc độ:
Tính toán tốc độ động cơ từ tốc độ thay đổi góc, cho phép điều khiển tốc độ vòng kín.
· Trợ lực lái điện (EPS):
Phát hiện góc lái để hỗ trợ đánh lái chính xác.
Tự động hóa công nghiệp và các ứng dụng đặc biệt
Ngoài lĩnh vực ô tô, bộ giải từ trở cũng được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp:
· Máy công cụ CNC:
Định vị trục chính và đo góc cấp liệu trục.
· Khớp robot:
Điều khiển chính xác chuyển động của cánh tay robot.
· Máy dệt:
Kiểm soát độ căng sợi và phát hiện góc quấn.
· Máy ép phun:
Giám sát và điều khiển vị trí trục vít.
· Quân sự và hàng không vũ trụ:
Định vị ăng-ten radar, điều khiển bánh lái tên lửa và các ứng dụng môi trường khắc nghiệt khác.
Trong vận chuyển đường sắt và đường sắt tốc độ cao, bộ phân giải từ trở được sử dụng để phát hiện tốc độ và vị trí của động cơ kéo, trong đó các tính năng có độ tin cậy cao và không cần bảo trì giúp giảm đáng kể chi phí vòng đời. Các môi trường khắc nghiệt như máy móc khai thác mỏ (ví dụ: phương tiện vận chuyển than ngầm và động cơ băng tải) đang ngày càng áp dụng các bộ phân giải từ trở để thay thế các cảm biến truyền thống.
Với sự ra đời của Công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh, các bộ giải miễn cưỡng đang phát triển theo hướng có độ chính xác cao hơn, kích thước nhỏ hơn và trí thông minh cao hơn. Các sản phẩm thế hệ tiếp theo sẽ tập trung vào khả năng tương thích với các thiết kế truyền động hộp số-động cơ tích hợp, cũng như phát triển các biến thể chịu dầu và chịu nhiệt độ cao để đáp ứng nhu cầu của hệ thống làm mát bằng dầu. Ngoài ra, khả năng truyền dẫn không dây và tự chẩn đoán dự kiến sẽ trở thành xu hướng trong tương lai, mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của chúng.
Những thách thức kỹ thuật và xu hướng tương lai cho người giải quyết miễn cưỡng
Mặc dù có hiệu suất và độ tin cậy vượt trội trong nhiều lĩnh vực khác nhau, các bộ giải quyết miễn cưỡng vẫn phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật và thể hiện những hướng đổi mới rõ ràng.
Những nút thắt kỹ thuật và giải pháp hiện tại
Yêu cầu độ chính xác cao trong sản xuất là thách thức lớn đối với các bộ giải từ trở. Độ chính xác gia công của răng stato, độ đồng đều phân bố cuộn dây và cân bằng động của rôto ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và hiệu suất của cảm biến. Đối với các bộ phân giải có độ chính xác cao có nhiều cặp cực (ví dụ: 12 cặp cực), ngay cả các lỗi sản xuất ở mức micron cũng có thể dẫn đến lỗi biên độ hoặc pha không thể chấp nhận được. Giải pháp cho vấn đề này bao gồm:
· Áp dụng khuôn dập có độ chính xác cao và quy trình cán tự động để đảm bảo độ đồng nhất và độ chính xác của khe răng trong lõi.
· Giới thiệu phương pháp phân tích từ trường phần tử hữu hạn để tối ưu hóa thiết kế mạch từ và bù đắp cho dung sai chế tạo.
· Phát triển các thuật toán tự bù để tự động sửa các lỗi vốn có của cảm biến trong quá trình xử lý tín hiệu.
Một thách thức khác là sự phức tạp của việc tích hợp hệ thống . Mặc dù bản thân bộ phân giải có cấu trúc đơn giản nhưng một hệ thống đo lường hoàn chỉnh bao gồm các hệ thống con như nguồn điện kích thích, mạch điều hòa tín hiệu và thuật toán giải mã, có thể trở thành tắc nghẽn nếu được thiết kế kém. Để giải quyết vấn đề này, ngành đang hướng tới các giải pháp tích hợp :
· Tích hợp các bộ tạo kích thích, mạch điều hòa tín hiệu và giải mã vào một chip duy nhất để đơn giản hóa thiết kế hệ thống.
· Phát triển các giao diện tiêu chuẩn hóa (ví dụ SPI, CAN) để tích hợp liền mạch với các bộ điều khiển chính.
· Cung cấp bộ công cụ phát triển toàn diện, bao gồm thiết kế tham khảo, thư viện phần mềm và công cụ hiệu chỉnh.
Định hướng đổi mới và xu hướng tương lai
Sự đổi mới về vật liệu sẽ mang lại những đột phá về hiệu suất cho những người giải quyết miễn cưỡng. Các vật liệu tổng hợp từ mềm (SMC) mới có đặc tính từ đẳng hướng ba chiều có thể tối ưu hóa sự phân bố từ trường và giảm độ méo sóng hài. Trong khi đó, vật liệu cách nhiệt ổn định ở nhiệt độ cao và lớp phủ chống ăn mòn sẽ mở rộng phạm vi môi trường hoạt động của cảm biến.
Thông minh là một hướng quan trọng khác cho những người giải quyết sự miễn cưỡng trong tương lai. Bằng cách tích hợp bộ vi xử lý và giao diện truyền thông, bộ phân giải có thể đạt được:
· Chức năng tự chẩn đoán:
Theo dõi tình trạng cảm biến theo thời gian thực và dự đoán tuổi thọ còn lại.
· Bù thích ứng:
Tự động điều chỉnh các thông số bù dựa trên những thay đổi của môi trường (ví dụ: nhiệt độ).
·Giao diện nối mạng:
Hỗ trợ các giao thức truyền thông tiên tiến như Ethernet công nghiệp, tạo điều kiện tích hợp vào các hệ thống IoT công nghiệp (IIoT).
Về mặt mở rộng ứng dụng , các bộ phân giải miễn cưỡng đang phát triển theo hai hướng: hướng tới các ứng dụng có độ chính xác cao hơn (ví dụ: thiết bị sản xuất chất bán dẫn, robot y tế) yêu cầu độ phân giải và độ tin cậy cao hơn, và hướng tới các ứng dụng tiết kiệm và phổ biến hơn (ví dụ: thiết bị gia dụng, dụng cụ điện) thông qua thiết kế đơn giản hóa và sản xuất hàng loạt để giảm chi phí.
Một xu hướng đặc biệt đáng chú ý là việc áp dụng các bộ phân giải từ trở trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới thế hệ tiếp theo . Khi hệ thống động cơ phát triển theo hướng tích hợp và tốc độ cao hơn, cảm biến vị trí phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe hơn:
· Hỗ trợ tốc độ cực cao vượt quá 20.000 vòng/phút.
· Chịu được nhiệt độ trên 150°C.
· Khả năng tương thích với các thiết kế làm kín hệ thống làm mát bằng dầu.
· Kích thước lắp đặt nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn.
Tiến trình tiêu chuẩn hóa và công nghiệp hóa
Khi công nghệ giải quyết miễn cưỡng phát triển, các nỗ lực tiêu chuẩn hóa cũng ngày càng tiến bộ. Trung Quốc đã thiết lập các tiêu chuẩn quốc gia như GB/T 31996-2015 Thông số kỹ thuật chung cho Bộ phân giải để điều chỉnh các chỉ số hiệu suất sản phẩm và phương pháp thử nghiệm. Về mặt công nghiệp hóa, công nghệ giải quyết miễn cưỡng của Trung Quốc đã đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế.
Có thể thấy trước rằng với tiến bộ công nghệ và công nghiệp hóa, các bộ phân giải từ trở sẽ thay thế các cảm biến truyền thống trong nhiều lĩnh vực hơn, trở thành giải pháp chủ đạo để phát hiện vị trí quay và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho tự động hóa công nghiệp và phát triển phương tiện năng lượng mới.
