
磁阻旋转变压器对极数的选择是一个系统工程,需要综合考虑最终想要达到的分辨率/精度、与之配套的电机的特性以及解算系统的能力。
以下是选择磁阻旋转变压器对极数的详细考量和步骤:
核心原则
对极数的基本作用:对极数决定了旋转变压器在一个机械周期内输出的电周期数。
单对极(1X): 转一圈,电气角度变化360°。它只能分辨0~360°内的绝对位置,无法区分具体在哪一圈。
多对极(nX): 转一圈,电气角度变化 n × 360°。它可以将一圈机械角度“放大”为 n 圈电角度,从而大大提高在一个机械周期内的分辨率和绝对位置精度。
选择对极数的三大关键因素
1. 系统精度与分辨率要求
这是最直接的驱动因素。您需要的精度直接决定了所需的最小对极数。
计算公式:
机械角度分辨率 ≈ 360° / (极对数 × 解算芯片位数)
例如,使用一个10位(1024分辨率)的解算芯片(RDC):
单对极(1X):分辨率 ≈ 360° / 1024 ≈ 0.35°
四对极(4X):分辨率 ≈ 360° / (4 × 1024) = 360° / 4096 ≈ 0.088°
结论: 在RDC分辨率相同的情况下,对极数越高,系统能反馈的最小机械角度变化就越小,精度越高。
2. 匹配伺服电机的极对数
这是伺服系统中至关重要的一点,直接关系到控制的性能和效率。
核心要求:旋转变压器的对极数必须等于伺服电机的磁极对数。
为什么?
1. 电气角度对齐: 伺服驱动器需要知道转子磁场的绝对位置(即电气角度),才能施加正确的矢量控制,产生最大的转矩。电机的电气角度周期与其磁极对数相关。
2. 同步: 旋转变压器的电气角度周期必须与电机的电气角度周期完全同步。如果电机是4对极,那么它转一圈的电气周期就是2个(4对极对应2个N-S对,一个完整电气
周期是360°电角度,对应一对磁极)。因此,旋转变压器也需要是4对极,这样它输出的电周期才能与电机本身的电气周期一一对应。
3. 避免复杂换算: 如果极对数不匹配,驱动器需要进行额外的、非整数的角度换算,这会引入误差和复杂性,降低控制性能,甚至在启动时可能导致失步或抖动。
如何确定电机极对数?
查看电机铭牌或规格书。
公式:电机极对数 = 电机极数 / 2。例如,一个8极电机,其极对数就是4。
3. 多圈绝对位置需求
单对极(1X)旋变: 只能提供一圈内的绝对位置。如果应用需要知道电机从开机位置起总共转了多少圈(即多圈绝对位置),单靠单对极旋变是无法实现的。必须额外配备多圈电池
模块或使用机械齿轮式多圈绝对值编码器。
多对极(nX)旋变: 其本身也只是一圈内的绝对位置。要实现多圈,同样需要额外的电池模块或机械齿轮结构。对极数的选择在这里不直接影响多圈能力,但它决定了单圈内的绝对位置精度。
选择流程
您可以遵循以下流程图来系统性地做出选择:
A开始选择对极数 --> B确定配套电机类型;
B -- 伺服电机 --> C查阅电机铭牌/规格书获取电机极对数;
C -- D选择旋变对极数等于电机极对数;
B -- 普通电机/非匹配场景 -- E明确系统精度要求;
E -- F根据精度和RDC分辨率计算所需最小对极数;
F -- G在满足精度的范围内选择标准对极数产品;
D & G -- H确认解算系统支持;
H -- I完成选择;
```
举例说明
1. 场景一:高精度伺服电机
电机:永磁同步伺服电机,极对数为4(即8极电机)。
精度要求:用于高精度数控机床,要求高动态响应和平稳的低速转矩。
选择:必须选择4对极的磁阻旋转变压器。这样旋变输出的每一个电周期都对应电机的一个电气周期,驱动器可以直接使用该信号进行最优的磁场定向控制(FOC)。
2. 场景二:普通精度位置反馈
设备: 一个低速旋转的雷达天线或一个机械臂的关节,使用普通感应电机。
精度要求: 需要绝对位置反馈,分辨率要求为0.1°。
解算芯片:采用12位(4096分辨率)RDC。
计算:
单对极分辨率:360°/4096 ≈ 0.088° (已满足要求)
但考虑到安装误差、信号质量等因素,可能会留有余量。可以选择2对极,将理论分辨率提高到0.044°,这样系统鲁棒性更强。在这种情况下,对极数的选择主要基于
精度计算,没有与电机极对数匹配的强制要求。
其他注意事项
解算芯片(RDC)的支持:确保您选择的RDC能够支持多对极旋变的解算。大多数现代RDC都支持可编程的极对数设置。
信号频率:对极数越高,在相同转速下,输出信号的频率(电频率)也越高。需要确保RDC和后续电路能处理这个频率。公式:`电频率 = (转速 RPM / 60) 极对数`。
成本与可用性:通常,对极数越高,旋变的制造工艺越复杂,成本也可能略高。在满足要求的前提下,优先选择常见、标准化的对极数产品(如1, 2, 4, 5, 6, 8对极)。
最简明的选择指南:
1. 如果用于伺服电机,99%的情况下的答案是:旋变对极数 = 电机极对数。 这是首选且必须遵守的规则。
2. 如果用于非伺服电机或普通位置检测,首先根据您的精度要求和解算芯片分辨率计算出所需的对极数,然后在满足要求的范围内选择一个合适的标准产品。
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