A villanymotorok főtengelyjeladója

Azt gondolhatnánk, hogy az elektromotorok rendkívül egyszerű dolgok a járművekben, ám ez csak féligazság. Tény, jóval kevesebb alkatrészből állnak, azonban számos ezek közül nem is ismert az általános felhasználó számára.

Kitűnő példa erre a cikk alanya, melynek nem kevesebb a feladata, mint a villanymotor forgórésze szöghelyzetének és fordulatszámának megadása a motorvezérlő egység számára. A Rezolver bemutatója következik.

Az akkumulátoros elektromos autók elterjedésének kezdetén a rezolver szerepét Hall-szenzorok töltötték be, azonban idővel a trend elmozdult a mágneses megoldásoktól az induktívak felé. Ennek okát nemsokára érthetővé tesszük a típusok áttekintésével.

Abszolút forgójeladók

Hogy a típus létrejöttének jogosultságát érzékeltessük, előzetesen térjünk át az inkrementális forgójeladókra.

Ennek az iparban gyakran használt megoldásnak számos előnye van, de emellett rendelkezik egy lényeges hátránnyal is: nem képes tárolni a pozícióját és a kimenő impulzusokat sem – azaz külső forrás segítségével kell számolni és tárolni a pozícióját. Amennyiben ezt nem tesszük meg, az energiaellátás megszűnésével teljesen elveszítjük a gép pozícióját, amely ezzel a jeladóval van felszerelve.

Visszakapcsoláskor egy kitüntetett pozícióba kell állítani a gépet (referenciapont), és itt lehetőségünk van zéró értéket adni a számlálónak, így kapjuk meg a kiindulási pozíciót.

Mindemellett minél több ilyen jeladós tengelyünk van egy gépen, annál többször kell megismételni a folyamatot. Ez sok esetben egy gyárnál sem fér bele, egy személygépkocsinál pedig abszolút nem.

És ha már abszolút: ennek a problémának a megoldására hozták létra az abszolút forgójeladókat. Az alapvető különbség az, hogy erről a típusról minden egyes időpillanatban leolvasható az aktuális pozíciója.

A továbbiakban ennek a típusnak a különböző változataival foglalkozunk.

Optikai forgójeladók

Ma ez a leggyakrabban használt típus az abszolút jeladók körében. Működési elvét tekintve nagyon hasonló az inkrementális jeladókhoz, itt is a sötét-világos szegmensek váltakozásának érzékelésével valósítjuk meg a számlálást, de más az érzékelők száma és elrendezése.

Mágneses abszolút forgójeladók

A különbség látszólag ebben az esetben is marginális az inkrementális változatokhoz képest: a működési elv és a mechanikai kialakítás szinte ugyanaz, a belső felépítés viszont kissé eltér. A leolvasó fejek száma, elrendezése és az interface áramkörök különbségeket mutatnak.

Érdekesség, hogy a mágneses abszolút forgójeladók kimenő áramkörei megegyeznek az optikai változatokban által használtakkal, kompatibilitási okokból.

Indukciós abszolút forgójeladók (Rezolverek)

Most érkeztünk el ahhoz az eszközhöz, amit a járműipar valóban hasznosítani tud. A szervomotorokban előszeretettel alkalmazott rezolver nem más, mint egy szöghelyzet érzékelő, amely méri egy körülforduláson belül forgó tengely pillanatnyi szöghelyzetét. A rezolver mechanikai felépítése tipikusan egy kisméretű motorra hasonlít, amely rendelkezik egy forgórésszel (melyet a mérendő tengelyhez kapcsolnak) és egy állórésszel, melytől a kimenő jelet várjuk.

A rezolver visszaadott értékei nem véletlenül különlegesek. Képesek vagyunk abszolút szöghelyzetet visszakapni a jeladótól.

Az általa szolgáltatott jel arányos a tengely elfordulás szögének szinuszával és koszinuszával. Mivel az elfordulás során minden szöghelyzethez a szinusz és koszinusz értékek egyedi kombinációja tartozik, minden egyes pozícióban egyedi értéket képes szolgáltatni

Villamos szempontból nézve a rezolver tulajdonképp egy transzformátor, amelyben a csatolás a primer tekercs és a két szekunder tekercs között úgy változik, mint a forgórész szöghelyzetének szinusza és koszinusza.

Részben az autóipar által gerjesztett hatás okán a rezolverek fejlesztése rohamléptekben zajlik. Egyre gyakoribban a kefementes rezolverek, ahol a primer tekercs gerjesztését egy transzformátoron keresztül végzik, a szekunder tekercselések továbbra is az állórészen találhatók.

Hogy a transzformátorokkal való párhuzamot még inkább érzékeltessük, a rezolvernél is, mint minden traszformátornál, szükség van egy primer oldali gerjesztő, azaz referenciajelre. A referenciajel amplitúdójának modulációja adja a kimenő jelet a két egymásra merőleges elrendezésű szekunder tekercsben. A moduláció a forgórész szögének szinusza és koszinusza szerint történik.

Arról már esett szó, hogy 360°-on belül az értékeket abszolút értelemben képes visszaadni az induktív forgójeladó – arról viszont nem esett szó, hogy mi a helyzet a teljes fordulatok számával.

Nos, amennyiben erre szükség van, a fordulatok számlálását áttételen keresztül további rezolverek végzik.

A rezolver külön tápfeszültséget, azaz áramforrást nem igényel, a működéséhez szükséges referencia jelet a feldolgozó elektronika szolgáltatja. Amennyiben a feldolgozó elektronika jól működik, a rezolver bekapcsolás után azonnal az abszolút szöghelyzet, vagy pozíció értékét szolgáltatja.

Technikai előnyök

Nem véletlen, hogy a rezolverről ritkán hallunk. Ez egy megbízhatóan működő, stabil pont a villanymotoroknál, ráadásul rendkívül pontos. Mindemellett az általa lefedett fordulatszám-tartomány tetemes, és a kimenő jele nagyon jól védett a szórt mágneses mezőkkel szemben. Egyszerűsége okán az anyagfelhasználása is kedvező, hiszen a mágneses megoldással ellentétben itt nincs szükség mágnesre, és a pozícionálása is egyszerű – kis mérete révén akár nyomtatott áramkörre is integrálható.

LX34070, az élő példa

A Microchip nevű arizonai vállalat nemrég dobta piacra a fent megnevezett rezolvert, melyhez nagy reményeket fűz.

„Az LX34070 induktív helyzetérzékelő könnyebb, kisebb, megbízhatóbb motorvezérlési megoldásokat tesz lehetővé, amelyek megfelelnek a szigorú biztonsági követelményeknek, csökkentik a rendszer általános költségeit, zökkenőmentesen és pontosan tudnak működni az autók egyenáramú motorjainak, nagy áramerősségének és mágnesszelepeinek zajos környezetben” – mondta Fanie Duvenhage, a Microchip felelős üzletágának vezetője.

„A tervezők az LX34070 segítségével tovább egyszerűsíthetik az elektromos járművek motorvezérlését, más, funkcionális biztonságra kész Microchip eszközökkel, köztük 8 bites AVR és PIC mikrokontrollereinkkel, 32 bites mikrovezérlőinkkel és dsPIC digitális jelvezérlőinkkel párosítva.”