Trong tự động hóa công nghiệp hiện đại và kiểm soát cơ học chính xác, phát hiện vị trí quay chính xác là rất quan trọng. Các Trình giải quyết miễn cưỡng , thường được gọi là bộ giải quyết, là một cảm biến có độ tin cậy cao được sử dụng rộng rãi trong động cơ servo, robot và các ứng dụng khác đòi hỏi phải định vị chính xác. Bài viết này giới thiệu ngắn gọn các nguyên tắc làm việc của người giải quyết và cách chúng đạt được định vị xoay vòng.
Một bộ giải quyết là một cảm biến tương tự dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, có khả năng chuyển đổi góc cơ học của một rôto thành tín hiệu điện. Không giống như các cảm biến kỹ thuật số như bộ mã hóa quang học, người giải quyết cung cấp tín hiệu tương tự liên tục cho thông tin vị trí quay, cung cấp khả năng chống can thiệp vượt trội và độ tin cậy, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.
Cấu trúc cốt lõi và các nguyên tắc làm việc của người giải quyết miễn cưỡng
Để hiểu làm thế nào những người giải quyết miễn cưỡng đạt được định vị xoay chính xác, điều cần thiết là phải đi sâu vào cấu trúc vật lý độc đáo của chúng. Thiết kế khéo léo của các cảm biến này tạo thành nền tảng của hiệu suất cao của chúng và minh họa cho việc áp dụng thực tế các nguyên tắc cảm ứng điện từ.
Thiết kế kết cấu cách mạng
Cấu trúc của một người giải quyết miễn cưỡng bao gồm ba thành phần chính: lõi stator , lõi rôto và hệ thống cuộn dây . Lõi stator được nhiều lớp từ các tấm thép silicon có độ thấm cao, với răng lớn (giày cực) được đấm vào chu vi bên trong, mỗi chiếc được chia thành những chiếc 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 bằng các lớp thép silicon có răng mà không có cuộn dây hoặc linh kiện điện tử. Thiết kế 'thụ động ' này là chìa khóa cho độ tin cậy cao của người giải quyết.
Hệ thống cuộn dây hoàn toàn nằm trên stator và bao gồm một cuộn dây kích thích và hai cuộn dây đầu ra trực giao (cuộn dây và cosin). Những cuộn dây này được cô đặc và phân phối theo mô hình hình sin để đảm bảo các đặc điểm hình sin của tín hiệu đầu ra. Đáng chú ý, các cuộn dây đầu ra được sắp xếp theo cấu hình sê-ri xen kẽ và đảo ngược, triệt tiêu hiệu quả nhiễu hài hòa và cải thiện độ tinh khiết của tín hiệu.
Nguyên tắc định vị dựa trên sự thay đổi miễn cưỡng
Nguyên tắc làm việc của một bộ giải quyết miễn cưỡng xoay quanh điều chế độ dẫn điện từ khoảng cách không khí . Khi điện áp AC hình sin (thường là 7V ở 1-10kHz) được áp dụng cho cuộn dây kích thích, một từ trường xen kẽ được tạo ra trong stato. Từ trường này đi qua khe hở không khí đến rôto. Do sự hiện diện của răng rôto, sự miễn cưỡng từ tính (nghịch đảo của độ dẫn từ) của mạch từ thay đổi theo chu kỳ với vị trí của rôto.
Cụ thể, khi răng rôto thẳng hàng với răng stato, sự miễn cưỡng được giảm thiểu và thông lượng từ được tối đa hóa. Ngược lại, khi các khe rôto thẳng hàng với răng stato, sự miễn cưỡng được tối đa hóa và thông lượng từ được giảm thiểu. Đối với mỗi sân răng, rôto quay, độ dẫn từ khoảng cách không khí hoàn thành một chu kỳ biến đổi đầy đủ. Sự điều chế này của từ trường kích thích gây ra tín hiệu điện áp trong cuộn dây đầu ra, biên độ tương quan với vị trí góc của rôto.
Về mặt toán học, nếu điện áp kích thích là e₁ = e₁msinΩt, điện áp của hai cuộn dây đầu ra có thể được biểu thị là:
· Đầu ra cuộn dây sin: eₛ = eₛₘcosθsinΩt
· Đầu ra cuộn dây cosine: e_c = e_cmsinθsinΩt
Ở đây, θ đại diện cho góc cơ học của rôto và 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 đưa ra các lỗi biên độ, yêu cầu hiệu chuẩn hoặc bù mạch.
Các cặp cực và độ chính xác đo lường
Các cặp cực của bộ giải quyết miễn cưỡng là một tham số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và độ phân giải đo lường của nó. Số lượng các cặp cực tương ứng với số lượng răng rôto và xác định góc quay cơ học cần thiết cho một chu kỳ tín hiệu điện hoàn chỉnh. Ví dụ, một bộ giải quyết với 4 cặp cực sẽ tạo ra 4 chu kỳ tín hiệu điện trên mỗi vòng quay cơ học, hiệu quả 'khuếch đại ' góc cơ học theo hệ số 4 để đo.
Những người giải quyết miễn cưỡng phổ biến trên thị trường dao động từ 1 đến 12 cặp cực. Cực cao hơn về mặt lý thuyết cho phép độ phân giải góc cao hơn, với các chất giải quyết 12 cực đạt được độ chính xác ± 0,1 ° hoặc tốt hơn. Tuy nhiên, việc tăng các cặp cực cũng làm tăng độ phức tạp xử lý tín hiệu, đòi hỏi phải đánh đổi dựa trên các yêu cầu ứng dụng.
Phương pháp đo góc này, dựa trên sự thay đổi miễn cưỡng và cảm ứng điện từ, cho phép người giải quyết miễn cưỡng hoạt động ổn định trên phạm vi nhiệt độ rộng (-55 ° C đến +155 ° C), với xếp hạng bảo vệ lên đến IP67 trở lên. Họ có thể chịu được những rung động và sốc mạnh mẽ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các môi trường đòi hỏi như ô tô, hàng không vũ trụ và các ứng dụng quân sự.
Xử lý tín hiệu và kỹ thuật tính toán góc
Đầu ra tín hiệu tương tự bằng cách giải quyết miễn cưỡng yêu cầu các mạch xử lý chuyên dụng để chuyển đổi chúng thành thông tin góc kỹ thuật số có thể sử dụng. Quá trình này liên quan đến điều hòa tín hiệu phức tạp và các thuật toán giải mã, rất quan trọng để đạt được định vị độ chính xác cao trong các hệ thống phân giải.
Từ tín hiệu tương tự đến góc kỹ thuật số
Các tín hiệu thô từ một bộ giải quyết miễn cưỡng là hai sóng hình sin (sinθsinΩt và cosθsinΩt) được điều chế bởi góc rôto. Trích xuất thông tin góc liên quan đến một số bước xử lý. Đầu tiên, các tín hiệu trải qua quá trình lọc băng thông để loại bỏ nhiễu tần số cao và nhiễu tần số thấp. Tiếp theo, giải điều chế độ nhạy pha (hoặc giải điều chế đồng bộ) sẽ loại bỏ tần số sóng mang (thường là 10kHz), mang lại 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 phân giải thành kỹ thuật số (RDC) chuyên dụng để tính toán góc. Các bộ xử lý này sử dụng thuật toán Cordic (Phối hợp Xoay máy tính kỹ thuật số) hoặc các hoạt động arctangent để chuyển đổi tín hiệu sinθ và cosθ thành các giá trị góc kỹ thuật số. Ví dụ, vi điều khiển DSPIC30F3013 có mô-đun ADC tích hợp để lấy mẫu đồng bộ của hai tín hiệu, tiếp theo là các thuật toán phần mềm để tính toán góc chính xác.
Bồi thường lỗi và tăng cường độ chính xác
Trong các ứng dụng thực tế, các yếu tố khác nhau có thể đưa ra các lỗi đo lường, bao gồm:
· Mất cân bằng biên độ : Biên độ không đồng đều của tín hiệu đầu ra hình sin và cosine (eₛₘ ≠ e_cm)
· Độ lệch pha : chênh lệch pha 90 ° không lý tưởng giữa hai tín hiệu
· Biến dạng hài hòa : biến dạng tín hiệu do phân bố từ trường không sin
· Lỗi trực giao : Độ lệch góc gây ra bởi việc cài đặt cuộn dây không chính xác
Để cải thiện độ chính xác của hệ thống, các mạch giải mã nâng cao sử dụng các kỹ thuật bồi thường khác nhau. Chẳng hạn, các mạch điều khiển tăng 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, các hệ thống phân giải có thể đạt được các lỗi góc trong phạm vi ± 0,1 °, đáp ứng các yêu cầu của hầu hết các ứng dụng chính xác cao.
Xu hướng trong các công nghệ giải mã mới
Những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn đang thúc đẩy sự đổi mới trong xử lý tín hiệu độ 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 các bộ tạo tín hiệu kích thích, mạch điều hòa tín hiệu và các đơn vị tính toán kỹ thuật số, 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 các 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 các 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 người giải quyết. Một mạch giải mã được thiết kế tốt có thể nhận ra đầy đủ tiềm năng hiệu suất của bộ giải quyết, trong khi một giải pháp giải mã chất lượng thấp có thể trở thành nút cổ chai của toàn bộ hệ thống đo lường. Do đó, khi chọn giải pháp phân giải, khả năng tương thích giữa cảm biến và bộ giải mã phải được xem xét cẩn thận.
Ưu điểm hiệu suất và các lĩnh vực ứng dụng của người giải quyết miễn cưỡng
Nhờ các nguyên tắc làm việc độc đáo và thiết kế kết cấu, sự giải quyết miễn cưỡng vượt trội hơn các cảm biến vị trí truyền thống trong một số số liệu hiệu suất chính. Những lợi thế này làm cho chúng trở thành lựa chọn ưa thích 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 hội trường, người giải quyết miễn cưỡng thể hiện lợi thế hiệu suất toàn diện:
· Khả năng thích ứng môi trường đặc biệt : Hoạt động ổn định về nhiệt độ từ -55 ° C đến +155 ° C, với xếp hạng bảo vệ lên đến IP67 trở lên, và có thể chịu được các rung động và sốc mạnh (ví dụ: môi trường khắc nghiệt như khoang động cơ ô tô).
· Tuổi thọ dài không tiếp xúc : Sự vắng mặt của cuộn dây hoặc bàn chải trên cánh quạt loại bỏ hao mòn cơ học, cho phép tuổi thọ lý thuyết của hàng chục ngàn 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.
· Đo lường vị trí tuyệt đối : Cung cấp thông tin góc tuyệt đối mà không yêu cầu điểm tham chiếu, cung cấp dữ liệu vị trí ngay lập tức khi tăng nguồn.
· Khả năng chống giao thoa mạnh : Dựa trên cảm ứng điện từ, nó không nhạy cảm với bụi, dầu, độ ẩm và từ trường bên ngoài.
Các ứng dụng cốt lõi trong các phương tiện năng lượng mới
Trong ngành công nghiệp phương tiện năng lượng mới, những người giải quyết miễn cưỡng đã trở thành tiêu chuẩn vàng để phát hiện vị trí động cơ. Chúng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển động cơ lái của xe điện (BEV) và xe điện hybrid (HEV), với các chức năng chính bao gồm:
· Phát hiện vị trí rôto : Cung cấp thông tin góc rôto chính xác để điều khiển vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSMS).
· Đo tốc độ : Tính tốc độ động cơ từ tốc độ thay đổi góc, cho phép điều khiển tốc độ vòng kín.
· Tay lái trợ lực điện (EPS) : Phát hiện góc vô lăng để cung cấp hỗ trợ lái chính xác.
Tự động hóa công nghiệp và các ứng dụng đặc biệt
Ngoài lĩnh vực ô tô, những người giải quyết miễn cưỡng cũng được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp:
· Công cụ máy CNC : Định vị trục chính và đo góc trục.
· Khớp robot : Kiểm soát chính xác các chuyển động của cánh tay robot.
· Máy móc dệt : Kiểm soát sức căng sợi và phát hiện góc uốn.
· Máy ép phun : Giám sát và điều khiển vị trí vít.
· Quân đội và hàng không vũ trụ : Định vị ăng-ten radar, kiểm soát bánh lái tên lửa và các ứng dụng môi trường cực đoan khác.
Trong quá trình vận chuyển đường sắt và đường sắt tốc độ cao, người giải quyết miễn cưỡng được sử dụng để phát hiện tốc độ vận động và phát hiện vị trí, trong đó độ tin cậy cao và các tính năng không cần bảo trì của chúng làm giảm đáng kể chi phí vòng đời. Các môi trường khắc nghiệt như máy móc khai thác (ví dụ, phương tiện vận chuyển than ngầm và động cơ băng chuyền) đang ngày càng áp dụng các chất giải quyết miễn cưỡng để thay thế các cảm biến truyền thống.
Với sự ra đời của ngành công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh, những người giải quyết miễn cưỡng đang phát triển theo độ chính xác cao hơn, quy mô nhỏ hơn và trí thông minh lớn hơn. Các sản phẩm thế hệ tiếp theo sẽ tập trung vào khả năng tương thích với các thiết kế ổ đĩa động cơ tích hợp, cũng như phát triển các biến thể chống dầu và nhiệt độ cao để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống làm mát bằng dầu. Ngoài ra, khả năng truyền không dây và khả năng 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 trong tương lai cho người giải quyết miễn cưỡng
Mặc dù hiệu suất và độ tin cậy nổi bật của họ trong các lĩnh vực khác nhau, những người giải quyết miễn cưỡng vẫn phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật và thể hiện các hướng đổi mới rõ ràng.
Các tắc nghẽn và giải pháp kỹ thuật hiện có
Yêu cầu chính xác sản xuất cao là một thách thức lớn đối với người giải quyết miễn cưỡng. Độ chính xác gia công của răng stato, tính đồng nhất phân phối cuộn dây và cân bằng động của cánh quạt ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và hiệu suất của cảm biến. Đối với người giải quyết độ chính xác cao với nhiều cặp cực (ví dụ: 12 cặp cực), ngay cả các lỗi sản xuất cấp độ micron cũng có thể dẫn đến các lỗi biên độ hoặc pha không thể chấp nhận được. Các giải pháp cho vấn đề này bao gồm:
· Áp dụng khuôn dập chính xác cao và các quy trình cán tự động để đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác của khe răng trong lõi.
· Giới thiệu phân tích từ trường phần tử hữu hạn để tối ưu hóa thiết kế mạch từ tính và bù cho dung sai sản xuất.
· Phát triển các thuật toán tự bù để tự động sửa lỗi cảm biến vốn có trong quá trình xử lý tín hiệu.
Một thách thức khác là sự phức tạp tích hợp hệ thống . Mặc dù bản thân bộ giải quyết có cấu trúc đơn giản, một hệ thống đo hoàn chỉnh bao gồm các hệ thống con như nguồn cung cấp năng lượng kích thích, mạch điều hòa tín hiệu và các thuật toán giải mã, có thể trở thành tắc nghẽn nếu được thiết kế kém. Để giải quyết vấn đề này, ngành công nghiệp đang hướng tới các giải pháp tích hợp :
· Tích hợp các máy phát kích thích, điều hòa tín hiệu và giải mã các mạch vào một chip duy nhất để đơn giản hóa thiết kế hệ thống.
· Phát triển các giao diện được tiêu chuẩn hóa (ví dụ: SPI, CAN) để tích hợp liền mạch với các bộ điều khiển chính.
· Cung cấp bộ dụng cụ phát triển toàn diện, bao gồm thiết kế tham chiếu, thư viện phần mềm và các công cụ hiệu chỉnh.
Hướng đổi mới và xu hướng trong tương lai
Đổi mới vật chất sẽ mang lại những đột phá về hiệu suất cho những người giải quyết miễn cưỡng. Vật liệu tổng hợp từ tính mềm (SMC) mới với các tính chất từ đẳng hướng ba chiều có thể tối ưu hóa phân bố từ trường và giảm độ méo sóng hài. Trong khi đó, các vật liệu cách điện ổn định nhiệt độ cao và lớp phủ chống ăn mòn sẽ mở rộng phạm vi môi trường hoạt động của cảm biến.
Trí thông minh là một hướng quan trọng khác cho những người giải quyết miễn cưỡng trong tương lai. Bằng cách tích hợp các bộ vi xử lý và giao diện giao tiếp, người giải quyết có thể đạt được:
· Chức năng tự chẩn đoán : Theo dõi thời gian thực về sức khỏe cảm biến và dự đoán tuổi thọ còn lại.
· Bồi thường thích ứng : Điều chỉnh tự động các tham số bù dựa trên thay đổi môi trường (ví dụ: nhiệt độ).
· Giao diện nối mạng : Hỗ trợ các giao thức giao tiếp nâng cao như Ethernet công nghiệp, tạo điều kiện tích hợp vào các hệ thống IoT (IIoT) công nghiệp.
Về mặt mở rộng ứng dụng , những người giải quyết miễn cưỡng đang tiến lên hai hướng: hướng tới các ứng dụng chính xác cao cấp hơn (ví dụ, thiết bị sản xuất chất bán dẫn, robot y tế) đòi hỏi độ phân giải và độ tin cậy cao hơn, và hướng tới các ứng dụng kinh tế và phổ biến hơn (ví dụ: thiết bị gia dụng, công cụ điện) thông qua thiết kế đơn giản và sản xuất hàng loạt.
Một xu hướng đặc biệt đáng chú ý là ứng dụng của những người giải quyết miễn cưỡng trong các phương tiện năng lượng mới thế hệ tiếp theo . Khi các hệ thống động cơ phát triển theo tốc độ và tích hợp cao hơn, các cảm biến vị trí phải đáp ứng các yêu cầu đòi hỏi khắt khe hơn:
· Hỗ trợ cho tốc độ cực cao vượt quá 20.000 vòng / phút.
· Dung sai cho nhiệt độ trên 150 ° C.
· Khả năng tương thích với các thiết kế niêm phong hệ thống làm mát bằng dầu.
· Kích thước cài đặt nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn.
Tiêu chuẩn hóa và tiến bộ công nghiệp hóa
Khi công nghệ giải quyết miễn cưỡng trưởng thành, các nỗ lực tiêu chuẩn hóa cũng đang tiến triển. Trung Quốc đã thiết lập các tiêu chuẩn quốc gia như GB/T 31996-2015 Thông số kỹ thuật chung cho người giải quyết để điều chỉnh các số liệu hiệu suất sản phẩm và phương pháp thử nghiệm. Về công nghiệp hóa, công nghệ giải quyết miễn cưỡng của Trung Quốc đã đạt đến cấp độ quốc tế.
Có thể thấy trước là với sự tiến bộ và công nghiệp hóa công nghệ, người giải quyết miễn cưỡng sẽ thay thế các cảm biến truyền thống trong nhiều lĩnh vực hơn, trở thành giải pháp chính cho 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.
