Mogłoby się wydawać, że silniki elektryczne to niezwykle proste urządzenia, ale nie jest tak do końca. W rzeczywistości składają się z mniejszej liczby części niż jednostki spalinowe, jednak ogół użytkowników nie potrafiłby nawet podać nazwy wielu z nich. Doskonałym przykładem jest właśnie omawiane tutaj urządzenie, którego zadaniem jest przesyłanie jednostce sterującej silnikiem informacji o położeniu kątowym i prędkości obrotowej wirnika. Komponent ten nosi nazwę rezolwera.

Na wczesnym etapie popularności samochodów zasilanych elektrycznie, funkcję rezolwera spełniały tzw. czujniki Halla, ale z czasem nastąpił zwrot ku rozwiązaniom na bazie indukcji. Przyczynę tego zjawiska wyjaśnimy pokrótce w ramach przeglądu rezolwerów różnych typów.

Bezwzględne enkodery obrotowe

Aby unaocznić doniosłość tego wynalazku, opowiedzmy najpierw o przyrostowych enkoderach obrotowych.

Urządzenie to, często stosowane w przemyśle, posiada wiele zalet, ale i jedną istotną wadę, mianowicie nie może przechowywać informacji o położeniu ani impulsów wychodzących. Te muszą być obliczane i zapisywane do zewnętrznego źródła, w przeciwnym razie związana z nimi informacja zniknie wraz z odcięciem zasilania maszyny.

Po ponownym włączeniu maszyna wyposażona w tego typu enkoder musi zostać ustawiona do wybranej pozycji (punktu odniesienia) i w tym momencie mamy możliwość nadania licznikowi wartości zerowej, uzyskując tym samym pozycję wyjściową.

Im więcej jednak maszyna ma osi obsługiwanych przez enkodery, tym bardziej czasochłonny staje się ten proces. W środowisku zakładów produkcyjnych jest on bardzo uciążliwy, a w przypadku samochodu zupełnie niemożliwy.

Temu problemowi naprzeciw wychodzą właśnie enkodery bezwzględne. Ten typ różni się od poprzedniego tym, że można odczytać z niego aktualną pozycję w dowolnym czasie.

W dalszej części artykułu powiemy więcej o różnych typach enkoderów bezwzględnych.

Optyczne enkodery obrotowe

Obecnie jest to najczęściej stosowany typ enkodera bezwzględnego. Jeśli chodzi o zasadę działania, jest bardzo podobny do enkoderów przyrostowych – tutaj również zliczanie realizowane jest poprzez naprzemienne wykrywanie segmentów ciemnych i jasnych. W przypadku enkoderów optycznych jednak różna jest ich liczba i układ głowic.

Bezwzględne magnetyczne enkodery obrotowe

Również w tym przypadku różnice są niewielkie w porównaniu z wersjami przyrostowymi: zasada działania i konstrukcja mechaniczna są prawie identyczne, choć budowa wewnętrzna jest nieco inna. Różne są również liczba i rozmieszczenie głowic skanujących oraz obwody interfejsu.

Ciekawe jest to, że obwody wyjściowe bezwzględnych magnetycznych enkoderów obrotowych są takie same jak te stosowane w wersjach optycznych, co zapewnia ich kompatybilność.

Bezwzględne indukcyjne enkodery obrotowe (rezolwery)

Docieramy do urządzenia, którego potencjał dla branży motoryzacyjnej jest kolosalny. Rezolwer powszechnie stosowany w serwomotorach to nic innego jak czujnik położenia kątowego, który mierzy chwilowe położenie kątowe obracającej się osi w trakcie jednego obrotu. Budowa mechaniczna rezolwera przypomina zazwyczaj mały silniczek wyposażony w część obrotową (która jest połączona z obsługiwaną osią) oraz element stojanowy, który emituje sygnał wyjściowy.

Wartości zwracane przez rezolwer mają konkretny sens i cel, umożliwiają bowiem ustalenie bezwzględnej pozycji kątowej.

Sygnał, który wysyła rezolwer jest proporcjonalny do sinusa i cosinusa kąta obrotu osi. Ponieważ każda pozycja kątowa w trakcie obrotu cechuje się unikalnym połączeniem wartości sinusów i cosinusów, nadajnik wysyła inną wartość dla każdego położenia.

Z elektrycznego punktu widzenia rezolwer jest właściwie transformatorem, w którym sprzężenie między uzwojeniem pierwotnym a dwoma uzwojeniami wtórnymi zmienia się jako funkcja sinusa i cosinusa położenia kątowego wirnika.

Rozwój rezolwerów postępuje w szybkim tempie, częściowo dzięki inicjatywie samego przemysłu motoryzacyjnego. Coraz częściej spotykane są rezolwery bezszczotkowe, w których uzwojenie pierwotne jest wzbudzane przez transformator, zaś uzwojenie wtórne owinięte jest wokół stojanu.

Rezolwer jak każdy transformator wymaga wzbudzenia po stronie pierwotnej, czyli sygnału odniesienia. Modulacja amplitudy sygnału odniesienia daje sygnał wyjściowy w dwóch prostopadłych względem siebie uzwojeniach wtórnych. Modulacja ta zależy od sinusa i cosinusa kąta obrotu wirnika.

Indukcyjny enkoder obrotowy może dawać wartości w zakresie 360° w sensie absolutnym, ale jak dotąd nie wspomnieliśmy o całkowitej liczbie obrotów.

Otóż jeśli jest to konieczne, to liczeniem obrotów zajmują się dodatkowe rezolwery (poprzez transmisję).

Rezolwer nie wymaga osobnego zasilania, czyli źródła prądu, ponieważ sygnał odniesienia niezbędny do jego pracy jest dostarczany przez układy elektroniczne. Jeśli elektronika działa dobrze, rezolwer podaje wartość bezwzględnego położenia kątowego lub pozycji natychmiast po włączeniu.

Zalety techniczne

To nie przypadek, że rzadko słyszymy o rezolwerze. Jest to stabilny i niezawodny element silników elektrycznych, a do tego niezwykle dokładny. Obsługuje również ogromny zakres prędkości obrotowych, a wytwarzany sygnał jest dobrze zabezpieczony przed rozproszonym polem magnetycznym. Dzięki jego prostocie, nie potrzeba do jego budowy wielu materiałów, gdyż w przeciwieństwie do rozwiązań magnetycznych, nie wymaga magnesu, a jego pozycjonowanie jest także proste. Z racji niewielkich rozmiarów możliwe jest jego wdrukowanie w płytkę krzemową.

LX34070 – przykład

Arizońska firma Microchip wprowadziła niedawno na rynek wspomniany rezolwer z dużymi nadziejami.

– Indukcyjny czujnik położenia LX34070 umożliwia stosowanie lżejszych, mniejszych i bardziej niezawodnych rozwiązań w zakresie sterowania silnikami, które spełniają surowe wymagania bezpieczeństwa, zmniejszają całkowite koszty systemu oraz działają płynnie i dokładnie w trudnym środowisku samochodowych silników napędzanych prądem stałym, dużych prądów i cewek – powiedział Fanie Duvenhage, wiceprezes firmy Microchip.

– Projektanci mogą wykorzystać LX34070 do dalszego uproszczenia sterowania silnikami pojazdów elektrycznych w połączeniu z innymi funkcjonalnymi, gotowymi do użytku urządzeniami bezpieczeństwa firmy Microchip, w tym naszymi 8-bitowymi mikrokontrolerami AVR i PIC, 32-bitowymi mikrokontrolerami i cyfrowymi sterownikami sygnału dsPIC. – dodał Duvenhage.