در سیستم‌های کنترل موتور حیاتی، انتخاب دستگاه بازخورد موقعیت اشتباه، ثبات سیستم، ایمنی و بودجه پروژه را به خطر می‌اندازد. درایوهای کششی وسایل نقلیه الکتریکی، پرس های سروو صنعتی و محرک های هوافضا به شدت به داده های مداوم و دقیق متکی هستند. در حالی که رمزگذارهای نوری در اتاق‌های تمیز کنترل‌شده با آب و هوا، دقت بالایی را ارائه می‌دهند، محیط‌های خشن نیاز به قابلیت اطمینان ناهموار یک رزولور دارند. با این حال، به سادگی انتخاب یک سنسور عمومی هرگز کافی نیست. ناهماهنگی ورق مشخصات اغلب منجر به تخریب حلقه کنترل، ریپل گشتاور و در نهایت خرابی سخت افزار می شود. شما باید پارامترهای فنی خاص سنسور خود را کاملاً درک کنید. این راهنما نحوه ارزیابی و تعیین پارامترهای دقیق یک Resolver را شرح می دهد. ما به شما نشان می دهیم که چگونه می توانید از یکپارچگی بهینه با معماری های مدرن کنترل موتور فرکانس بالا اطمینان حاصل کنید. شما یاد خواهید گرفت که توپولوژی ها، تطبیق الکتریکی، و پیکربندی های جفت قطب را با اطمینان حرکت کنید.
خوراکی های کلیدی
محیط گونه‌شناسی را دیکته می‌کند: بدون براش، عدم تمایل متغیر، و حل‌کننده‌های خانه‌دار هر کدام محدودیت‌های مکانیکی و محیطی مجزایی را ارائه می‌کنند.
تطابق الکتریکی غیرقابل مذاکره است: نسبت تبدیل (TR)، فرکانس تحریک و تغییر فاز باید کاملاً با مبدل Resolver-To-Digital Converter (RDC) منطبق باشد.
عملکرد برابر قطب ها: تطبیق جفت قطب های تفکیک کننده با جفت قطب های موتور، جابجایی را ساده می کند و دقت موقعیت مطلق را به حداکثر می رساند.
ارزیابی توپولوژی های حل کننده در برابر پروفایل های برنامه
قبل از بررسی مشخصات الکتریکی، مهندسان باید معماری فیزیکی صحیح را انتخاب کنند. محدودیت های فضا، سرعت مورد نیاز و قرار گرفتن در معرض محیطی این انتخاب حیاتی را هدایت می کند. شما باید چندین طرح اولیه را در نظر بگیرید. هر کدام مزایای مشخصی را برای کاربردهای خاص ارائه می دهند.
را حسگر حل کننده بدون براش استاندارد صنعتی برای دوام را نشان می دهد. طراحی استاندارد بدون برس، سایش برس را به طور کامل از بین می برد. این یک عمر مکانیکی نظری تقریبا بی نهایت ایجاد می کند. از یک ترانسفورماتور دوار داخلی کوچک برای ارسال سیگنال های تحریک مستقیماً به روتور استفاده می کند. ما این توپولوژی را برای کنترل موتورهای صنعتی مداوم توصیه می کنیم. یکی از اشکالات ردپای فیزیکی است. ترانسفورماتور دوار داخلی به طول محوری اضافی نیاز دارد. شما باید این طول اضافی را در طراحی بدنه موتور خود در نظر بگیرید.
از طرف دیگر، ممکن است یک را انتخاب کنید سنسور حل کننده بی میلی متغیر برای کاربردهای پویا با سرعت بالا. این طرح فاقد سیم پیچی مسی در قسمت چرخان است. در عوض، یک روتور فلزی با شکل خاص، شار مغناطیسی تولید شده توسط استاتور را تعدیل می کند. این یک بسته بسیار فشرده و فوق العاده کم اینرسی ایجاد می کند. آنها به راحتی RPM های شدید را بدون خطر جداسازی سیم پیچ روتور کنترل می کنند. موتورهای کششی وسایل نقلیه الکتریکی اغلب از آنها استفاده می کنند. با این حال، آنها می توانند نسبت به پروفیل های تداخل الکترومغناطیسی خاص (EMI) حساس تر باشند. همچنین باید در حین نصب، کنترل دقیق فاصله هوا را حفظ کنید. اگر شکاف هوا نوسان کند، دامنه سیگنال به سرعت کاهش می یابد.
هنگام تصمیم گیری بین الف حسگر حل‌کننده داخلی و یک واحد بدون فریم، قابلیت‌های خط مونتاژ خود را در نظر بگیرید. یک واحد خانه کاملاً در کارخانه مونتاژ می شود. این شامل بلبرینگ های دقیق خود و یک شفت اختصاصی است. این امکان نصب سریع پلاگین و بازی را فراهم می کند. مقاوم سازی در ماشین آلات موجود یا دکل های آزمایشی بسیار ساده تر است. مبادله اصلی شامل پیچیدگی مکانیکی اضافه می شود. برای اتصال شفت سنسور به شفت موتور به کوپلینگ های انعطاف پذیر نیاز دارید. کوپلینگ ها می توانند باد پیچشی جزئی ایجاد کنند.
برعکس، نسخه‌های بدون فریم روتور را مستقیماً روی شفت موتور میزبان نصب می‌کنند. این باعث صرفه جویی در وزن و فضای ارزشمند می شود. اما طرح‌های بدون قاب مستلزم تحمل سختی برای نصب هستند. آنها نیاز به یکپارچه سازی مکانیکی متخصص دارند. تراز ضعیف منجر به خطاهای موقعیت چرخه ای می شود که حلقه کنترل شما را خراب می کند.
مشخصات الکتریکی بحرانی برای دقت سیستم
هنگامی که یک توپولوژی فیزیکی را انتخاب می کنید، باید پارامترهای الکتریکی را کاملاً تراز کنید. شما سنسور را با یک مبدل Resolver-To-Digital Converter (RDC) جفت خواهید کرد. RDC امواج آنالوگ سینوسی و کسینوس را به داده های زاویه دیجیتال ترجمه می کند.
نسبت تبدیل (TR)
TR نسبت بین ولتاژ تحریک ورودی و حداکثر ولتاژ خروجی را تعریف می کند. استاندارد صنعت معمولاً دقیقاً روی 0.5 قرار می گیرد. عدم تطابق TR منجر به اشباع ورودی RDC می شود. از طرف دیگر، نسبت پایین باعث نسبت سیگنال به نویز ضعیف (SNR) می شود. باید بررسی کنید که محدودیت‌های ورودی RDC شما کاملاً با مقیاس ولتاژ خروجی سنسور مطابقت داشته باشد.
فرکانس و ولتاژ تحریک
فرکانس های تحریک معمولی از 2 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز را شامل می شود. ولتاژ ورودی معمولا بین 4 ولت و 7 ولت RMS اجرا می شود. فرکانس های بالاتر تغییر فاز را کاهش می دهد. آنها ردیابی پویا را در طول شتاب سریع بهبود می بخشند. با این حال، فرکانس‌های بالا می‌توانند نویز کوپلینگ خازنی را در طول کابل‌های طولانی افزایش دهند. هنگام تعیین فرکانس تحریک خود، طول کابل خود را در نظر داشته باشید. فرکانس های پایین تر در مسافت های طولانی بهتر حرکت می کنند.
دقت در مقابل وضوح (واقعیت سیستم)
بسیاری از مهندسان دقت و وضوح را در طراحی سیستم اشتباه می گیرند. سنسور فیزیکی دقت را دیکته می کند. ما این خطای مکانیکی را در دقیقه قوس مانند ± 10 دقیقه قوس اندازه گیری می کنیم. RDC پایین دست وضوح را دیکته می کند. وضوح تعیین می کند که چند مرحله دیجیتالی یک انقلاب کامل را نشان می دهد. یک RDC 12 بیتی 4096 مرحله را ارائه می دهد. یک RDC 16 بیتی 65536 مرحله را ارائه می دهد. از تعیین بیش از حد دقت سنسور بی مورد خودداری کنید. اگر سیستم مکانیکی شما دارای عکس العمل قابل توجهی از دنده است، یک حسگر فوق دقیق تلاش مهندسی را تلف می کند.
Resolver Electrical Specifications Reference
| Parameter. تأثیر |
محدوده معمولی |
بر روی سیستم کنترل |
| نسبت تبدیل (TR) |
0.45 تا 0.5 |
مقیاس ولتاژ خروجی را برای تراشه RDC تعیین می کند. |
| فرکانس تحریک |
2 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز |
بر قابلیت‌های ردیابی پویا و تاخیر فاز تأثیر می‌گذارد. |
| ولتاژ ورودی |
4 Vrms تا 7 Vrms |
قدرت شار مغناطیسی استاتور و وضوح سیگنال را هدایت می کند. |
| دقت |
4± تا 20± دقیقه قوس |
حداکثر خطای زاویه مکانیکی مطلق را تعریف می کند. |
تطبیق جفت‌های قطب برای کارایی کموتاسیون
تعداد قطب ها به طور مستقیم بر کموتاسیون موتورهای AC سنکرون تأثیر می گذارد. شما باید قطب های حسگر را با نیازهای سیستم خود تراز کنید. شمارش قطب های نادرست مهندسی نرم افزار را پیچیده می کند.
رویکرد تک سرعته (جفت 1 قطبی).
طراحی تک سرعته دقیقاً یک جفت قطب الکتریکی دارد. داده های موقعیت مطلق را در یک چرخش مکانیکی کامل 360 درجه ارائه می دهد. این رویکرد مناسب سیستم‌هایی است که نیاز به موقعیت راه‌اندازی مطلق دارند. این به درایو موتور اجازه می دهد تا گشتاور کامل را بلافاصله پس از بوت شدن اعمال کند. از هر گونه روال پیچیده بیدار و تکان دادن که معمولاً در درایوهای بدون حسگر دیده می شود اجتناب می کنید. رباتیک صنعتی به شدت به این قابلیت تک سرعته برای اولیه سازی ایمن متکی است.
رویکرد چند سرعته (چند قطبی).
طرح‌های چند سرعته، تعداد قطب‌های سنسور را مستقیماً با تعداد قطب‌های موتور مطابقت می‌دهند. به عنوان مثال، یک موتور 6 قطبی بهترین جفت را با یک سنسور 6 قطبی دارد. این تقارن مکانیکی درجات الکتریکی را به صورت بومی تراز می کند. این به طور قابل توجهی بار محاسباتی روی پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) شما را کاهش می دهد. شما دقت زاویه الکتریکی بالاتری کسب می کنید. میانگین خطاهای مکانیکی در چندین قطب است.
معاوضه مهندسی اولیه از دست دادن اطلاعات موقعیت مکانیکی مطلق است. خروجی سنسور در هر دور مکانیکی چندین بار تکرار می شود. یک سنسور 6 قطبی در هر چرخش مکانیکی سه چرخه کامل الکتریکی را خروجی می دهد. بدون شاخص مرجع خارجی، زاویه شفت فیزیکی دقیق را نمی دانید. بهترین روش ها دیکته می کند که قبل از سفارش، قطب های موتور خود را با دقت نقشه برداری کنید. عدم تطابق نرم افزار میکروکنترلر شما را مجبور می کند تا درون یابی های ریاضی سنگینی را انجام دهد. این تاخیر غیر ضروری را به حلقه های کنترل سریع شما وارد می کند.
تاب آوری محیطی و تحمل های مکانیکی
محیط های کنترل موتور قطعات الکترونیکی شکننده را مجازات می کنند. شما باید محدودیت های حرارتی و درجه بندی ارتعاشات مکانیکی را به دقت ارزیابی کنید.
درجه بندی دما
سنسورهای صنعتی استاندارد به راحتی بین -40 درجه سانتیگراد تا 155 درجه سانتیگراد کار می کنند. واحدهای هوافضا یا کشش سنگین می توانند بیش از 200 درجه سانتیگراد باشند. گرمای شدید به طور ذاتی مقاومت سیم پیچ مسی داخل استاتور را تغییر می دهد. ویژگی های تغییر دمای سنسور را به طور کامل ارزیابی کنید. اطمینان حاصل کنید که RDC انتخابی شما می تواند این تغییرات دامنه طبیعی را ردیابی و جبران کند. اگر RDC فاقد ویژگی های جبران خودکار باشد، گرمای شدید به شدت دقت اندازه گیری زاویه را کاهش می دهد.
تحمل شوک و لرزش
ارتعاشات شدید رمزگذارهای نوری شیشه ای را به سرعت از بین می برد. حل‌کننده‌ها به دلیل ساختار آنالوگ قوی خود از این شرایط جان سالم به در می‌برند. برای جلوگیری از جدایی روتور داخلی و استاتور، باید رتبه‌بندی‌های نیروی G را ارزیابی کنید. توپولوژی های رلوکتانس متغیر ذاتاً از بارهای ارتعاشی بسیار بالاتر جان سالم به در می برند. آنها کاملاً فاقد سیم پیچی روتور هستند. این یک نقطه شکست اولیه را تحت ضربه شدید حذف می کند.
نصب و تمرکز
معماری‌های بدون قاب چالش‌های مکانیکی پنهان را ارائه می‌کنند. آنها تلورانس ماشینکاری بسیار فشرده در شفت موتور میزبان شما را می طلبند. هر خطای تمرکز مستقیماً به خطاهای موقعیت چرخه ای تبدیل می شود. شما باید این عوامل فیزیکی کلیدی را در حین نصب کنترل کنید:
محدودیت تمرکز روتور به استاتور.
تراز محوری در طول بستن نهایی استاتور.
نرخ انبساط حرارتی شفت موتور فولادی.
تحمل خروجی مجموعه های بلبرینگ.
خروج از مرکز یک مدولاسیون مصنوعی در شکاف هوا ایجاد می کند. این باعث یک خطای یک بار در هر انقلاب در محاسبه زاویه شما می شود.
ریسک های تدارکات و مبادلات یکپارچه سازی
طراحی سیستم شامل سازش های مداوم است. شما باید دقت، دوام فیزیکی و واقعیت های زنجیره تامین را متعادل کنید.
Resolver در مقابل Encoder در مقابل Hall-Effect
ما یک رویکرد کاربردی متعادل را توصیه می کنیم. از حسگرهای جلوه هال برای جابجایی بلوک ساده در جایی که بودجه‌ها بسیار کم است، استفاده کنید. زمانی که به دقت موقعیت مکانی در اتاق های تمیز نیاز دارید، رمزگذارهای نوری را انتخاب کنید. زمانی که خرابی فیلد مطلقاً یک گزینه نیست، یک حل کننده را مشخص کنید. آنها در محیط هایی با گرمای زیاد، تشعشع و گرد و غبار شدید رشد می کنند.
محافظ کابل و EMI
این سنسورها سیگنال های آنالوگ ولتاژ پایین را خروجی می دهند. آنها اغلب درست در کنار اینورترهای کاربید سیلیکون با فرکانس سوئیچینگ بالا (SiC) کار می کنند. کابل‌های طولانی در این محیط‌های پر سر و صدا باعث فساد شدید EMI می‌شوند. برای خطوط سینوس، کسینوس و تحریک به سیم کشی جفت پیچ خورده خاصی نیاز دارید. شما باید از کابل های محافظ بافته شده به شدت استفاده کنید. اتصال زمین مناسب در انتهای RDC مانع از تحریف حلقه های زمین در امواج سینوسی ظریف می شود.
قفل فروشنده در مقابل در دسترس بودن COTS
پیکربندی های سیم پیچ سفارشی زمان خرید را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. آنها شما را در یک وابستگی تک تامین کننده به دام می اندازند. پیش‌فرض از استانداردهای TR و امپدانس تجاری (COTS) انعطاف‌پذیری زنجیره تامین را تضمین می‌کند. قطعات استاندارد تضمین می کنند که می توانید جایگزین های مستقیم را در طول یک بحران جهانی به سرعت تهیه کنید. همیشه ردپای امپدانس استاندارد را در اولویت قرار دهید، مگر اینکه برنامه به شدت نیاز به سیم پیچی سفارشی داشته باشد.
نمودار مقایسه فناوری بازخورد
| فناوری |
بهترین محیط |
قدرت کلید |
محدودیت اصلی |
| حل کننده |
خشن، با درجه حرارت بالا، لرزش بالا |
دوام و قابلیت اطمینان فوق العاده |
به تراشه پردازش RDC خارجی نیاز دارد |
| رمزگذار نوری |
محیط های تمیز و کنترل شده با آب و هوا |
وضوح دیجیتال فوق العاده بالا |
دیسک های شیشه ای شکننده به راحتی می شکنند |
| جلوه هال |
صنعتی پایه، فضای محدود |
ادغام بسیار فشرده و ساده |
دقت پایین و وضوح ضعیف |
نتیجه گیری
تعیین دستگاه بازخورد مناسب مستلزم متعادل کردن محدودیت‌های مکانیکی فیزیکی با معماری الکتریکی شما است. شما باید پارامترهایی مانند نسبت تبدیل، تعداد قطب ها و سازگاری RDC را کاملاً تراز کنید.
محیط را ترسیم کنید: محدودیت های دما و ارتعاش را که برنامه شما در این زمینه با آن مواجه خواهد شد را مشخص کنید.
تعیین تعداد قطب: قطب های حسگر را با قطب های موتور خود مطابقت دهید تا منطق نرم افزار کموتاسیون را ساده کنید.
مشخصات الکتریکی را تراز کنید: بررسی کنید که نسبت تبدیل و فرکانس تحریک کاملاً با برد کنترل شما مطابقت دارند.
برنامه ای برای EMI: برای محافظت از سیگنال های آنالوگ در برابر نویز سوئیچینگ اینورتر، پروتکل های محافظ کابل سختگیرانه را اجرا کنید.
فرآیند طراحی خود را با ایجاد نمایه ای واضح از محدودیت های مکانیکی خود شروع کنید. در اوایل چرخه توسعه، بین طرح های خانه دار یا بدون قاب تصمیم بگیرید. سپس مستقیماً با مهندسان برنامه مشورت کنید. برای تست تناسب مکانیکی روی نیمکت خود، برگه های مشخصات نمونه را درخواست کنید. همیشه قبل از حرکت به سمت تولید حجمی، سازگاری RDC را در سیستم‌های نمونه اولیه تأیید کنید. انجام این مراحل یک سیستم کنترل موتور قوی و پاسخگو را تضمین می کند.
سوالات متداول
س: آیا می توانم از یک حل کننده چند قطبی برای موقعیت مکانیکی مطلق استفاده کنم؟
پاسخ: خیر. حل کننده های چند قطبی موقعیت الکتریکی مطلق را در یک زمین قطبی فراهم می کنند. با این حال، سیگنال چندین بار در هر چرخش مکانیکی تکرار می شود. شما نمی توانید زاویه مکانیکی دقیق شفت را هنگام راه اندازی بدون سنسورهای اضافی یا روال های بیدار و لرزش تعیین کنید.
س: یک حل کننده بی میلی متغیر با یک حل کننده بدون براش سنتی چه تفاوتی دارد؟
پاسخ: واحدهای بدون جاروبک سنتی از یک ترانسفورماتور دوار برای انتقال نیرو به سیم‌پیچ‌های روتور استفاده می‌کنند. واحدهای رلوکتانس متغیر هیچ سیم پیچی روی روتور ندارند. آنها برای تغییر شار مغناطیسی بین سیم پیچ های استاتور به یک روتور فلزی با شکل خاص متکی هستند. این باعث می شود آنها قوی و قادر به کنترل سرعت های بالاتر باشند.
س: نسبت تبدیل استاندارد (TR) برای حل کننده های کنترل موتور چیست؟
A: استاندارد صنعتی برای اکثر برنامه های کاربردی کنترل موتور 0.5 است. گاهی اوقات تراشه‌های قدیمی RDC به نسبت‌های 0.45 یا سفارشی نیاز دارند. همیشه قبل از سفارش مشخصات RDC خود را بررسی کنید تا از اشباع سیگنال جلوگیری کنید.
س: چرا تغییر فاز هنگام انتخاب یک رزولور حیاتی است؟
A: تغییر فاز تاخیر بین سیگنال تحریک و خروجی سینوسی/کسینوس است. باعث خطاهای زاویه پویا در دورهای بالا می شود. شما باید این تأخیر را کمی تعیین کنید تا RDC یا DSP شما بتواند به صورت دیجیتالی تأخیر را در حین کار با سرعت بالا جبران کند.
