كيفية حل انحراف زاوية قرص الكود المغناطيسي في أجهزة استشعار التشفير المغناطيسي الروبوتية؟

في تطبيقات التحكم في الحركة عالية الدقة مثل مفاصل الروبوت، والمحركات المؤازرة، والمحورين، أصبحت أجهزة التشفير المغناطيسية بشكل متزايد هي الأجهزة الأساسية لردود الفعل على الموضع، وذلك بفضل تشغيلها بدون اتصال، وحصانتها من الملوثات، وحجمها الصغير. ومع ذلك، يواجه العديد من المهندسين مشكلة محبطة في الممارسة العملية -  انحراف الزاوية : قراءة الزاوية 'تتلاشى' ببطء حتى عندما يكون المحرك ثابتًا، أو تتدهور الدقة بشكل كبير مع تغيرات درجة الحرارة. من أين يأتي انحراف زاوية قرص الكود المغناطيسي، وكيف يمكننا إصلاحه؟

1. ما هو انحراف الزاوية ومن أين يأتي؟

أ يكتشف التشفير المغناطيسي المجال المغناطيسي الدوار للمغناطيس الدائم المتصل بعمود المحرك، ويخرج إشارات الجيب/جيب التمام بفارق طور قدره 90 درجة، ثم يحسب الزاوية عبر وظيفة ظل قوسي. من الناحية النظرية، هذه سلسلة قياس مثالية. ومع ذلك، في الواقع، تتسبب العديد من العوامل غير المثالية في انحراف قراءة الزاوية عن القيمة الحقيقية - وهذا ما يسمى 'انحراف الزاوية'.

باختصار، ينشأ انحراف الزاوية من ثلاثة جوانب رئيسية:

1.1 أخطاء التثبيت الميكانيكية

هذا هو الجاني الأكثر شيوعا. الإزاحة الشعاعية بين المغناطيس ومركز استشعار المستشعر (الانحراف المركزي)، والزاوية بين محور الدوران والرقاقة العادية (الميل)، والفجوة الهوائية المفرطة أو المتقلبة كلها تشوه إشارة المجال المغناطيسي بشكل مباشر. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الانحراف المركزي بمقدار 0.3 مم إلى خطأ زاوية قدره ±2.1 درجة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي المغنطة غير المنتظمة أو الشكل المغناطيسي غير المنتظم إلى انحراف المجال المستشعر عن الشكل الموجي الجيبي المثالي.

1.2 التغيرات في درجات الحرارة المحيطة

تتغير خصائص مستشعرات هول ودوائر معالجة الإشارات مع تغير درجة الحرارة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض قوة مجال المغناطيس، وينحرف جهد إزاحة الشريحة، ويتقلب الجهد المرجعي ADC - تتحد هذه العوامل لإنتاج انحراف كبير في درجة الحرارة في قراءة الزاوية. تظهر القياسات الفعلية أنه مع اختلاف خصائص المغناطيس، يمكن أن يتفاقم انحراف درجة حرارة نقطة الصفر من +0.02 درجة/درجة مئوية إلى +0.15 درجة/درجة مئوية.

1.3 التدخل الخارجي والعوامل الديناميكية

يقوم المجال المغناطيسي المتداخل المستعرض بإزاحة مركز شكل ليساجوس، مما يسبب أخطاء في جميع الزوايا تقريبًا باستثناء 0 درجة و180 درجة. علاوة على ذلك، فإن تأخير الاستجابة الديناميكية أثناء تشغيل المحرك عالي السرعة، وضوضاء الإشارة الناتجة عن تموج مصدر الطاقة، يمكن أن يجعل قراءة الزاوية غير مستقرة وتصبح غير مستقرة.

2. الحلول: مزيج من الأجهزة والمعايرة والخوارزميات

لا توجد 'حل سحري' واحد لحل مشكلة انحراف الزاوية. هناك حاجة إلى نهج منسق على ثلاثة مستويات: التثبيت الميكانيكي، ومعايرة الرقاقة، والتعويض الخوارزمي.

المستوى 1: أساس الأجهزة الصلبة - إيقاف الأخطاء عند المصدر

التثبيت الدقيق هو خط الدفاع الأول.  تعتبر أجهزة التشفير المغناطيسية حساسة جدًا للتفاوتات المتصاعدة. بشكل عام، يجب الحفاظ على فجوة الهواء بين 1.0 مم و3.0 مم (2.0 مم هو الأمثل)، والمركزية الانحراف ≥ 0.05 مم، وزاوية الميل ≥ 3 درجات. أثناء التثبيت، استخدم مقياس القرص أو أداة محاذاة الليزر للمعايرة. أيضًا، احتفظ بجهاز التشفير بعيدًا عن مصادر التداخل المغناطيسي القوية مثل ملفات المحرك وترانزستورات الطاقة؛ إذا لزم الأمر، أضف درعًا مغناطيسيًا من بيرمالوي.

يعد اختيار المغناطيس أمرًا بالغ الأهمية أيضًا.  اختر مغناطيسًا دائريًا مغنطيسيًا محوريًا أحادي الزوج بقوة مجال سطحي تتراوح بين 300 طن متري و500 طن متري. لا تحتوي المغناطيسات منخفضة الجودة على حقول غير مستوية فحسب، بل تحتوي أيضًا على خصائص درجات حرارة سيئة، مما يؤدي إلى تفاقم الانجراف بشكل مباشر.

يجب أن يتبع تصميم مصدر الطاقة وثنائي الفينيل متعدد الكلور الممارسات الجيدة.  يجب التحكم في تموج الطاقة خلال 10 مللي فولت، ويجب أن تكون خطوط إشارة SPI قصيرة ومتساوية الطول وموجهة بشكل نظيف. لا تضع صب النحاس أو آثاره تحت الشريحة لتقليل تداخل السعة الطفيلية مع عناصر الاستشعار المغناطيسي.

المستوى 2: تحقيق أقصى استفادة من معايرة الشريحة - تحقيق دقة المصنع في الممارسة العملية

تتضمن رقائق التشفير المغناطيسي الحديثة عادةً مراحل معايرة متعددة، وهي الطريقة الأكثر مباشرة للتعامل مع انحراف الزاوية.

معايرة المصنع (مستوى الرقاقة):  أثناء اختبار الرقاقة، تقوم الشركة المصنعة للرقاقة بالفعل بإجراء تعويض إزاحة التيار المستمر، وتصحيح خلل السعة، وتصحيح الخطأ التربيعي، مع المعلمات المخزنة في EEPROM الموجود على الرقاقة. هذا هو 'أساس' الدقة.

المعايرة الذاتية للمستخدم (مستوى النظام):  بعد التثبيت، قم بتدوير المحرك دورة كاملة بسرعة ثابتة. يقوم معالج الإشارة الرقمية المدمج بجمع بيانات الزاوية على مدار الدورة الكاملة ويقوم تلقائيًا بتحديد وتعويض انحراف التثبيت وتغيرات فجوة الهواء والأخطاء الأخرى. تدعم العديد من الشرائح التشغيل بنقرة واحدة دون الحاجة إلى مضيف خارجي، وهو أمر سهل الإنتاج للغاية.

تعويض انحراف درجة الحرارة الديناميكي:  تقوم الشريحة بمراقبة درجة الحرارة في الوقت الحقيقي. عندما تنحرف درجة الحرارة عن القيمة المعايرة، فإنها تطبق تلقائيًا معامل تعويض درجة الحرارة لتصحيح الزاوية. على سبيل المثال، يستخدم Naxin Micro MT6835 نظام معايرة ثلاثي المراحل للحفاظ على الانجراف في نطاق درجة الحرارة الكاملة ضمن ±0.08 درجة.

المستوى 3: التعويض الخوارزمي - تحسين الدقة بشكل أكبر

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة أعلى، هناك حاجة إلى تعويض خوارزمي إضافي.

المعايرة التكيفية عبر الإنترنت:  تعمل المعايرة التقليدية خارج الخط على إصلاح معلمات التعويض ولا يمكنها التكيف مع الانجراف طويل المدى بسبب التغيرات في درجات الحرارة أو شيخوخة المغناطيس. يمكن لخوارزمية تكيفية تعتمد على المربعات الصغرى العودية (RLS) تحديث معلمات التعويض في الوقت الفعلي، مع الحفاظ على خطأ الزاوية ضمن ±0.05 درجة عبر نطاق درجة الحرارة الكامل (-40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية).

تصفية كالمان لتقليل الضوضاء:  بالنسبة للضوضاء عالية التردد التي تسبب اهتزاز الزاوية، يقوم مرشح كالمان بقمع ضوضاء المراقبة بشكل فعال وتحسين استقرار إخراج الزاوية.

تعويض الشبكة العصبية:  يمكن بناء نموذج شبكة عصبية ليناسب خصائص الانجراف في درجة الحرارة؛ وبعد عدد محدود من تكرارات التدريب، يحقق تصحيحًا دقيقًا للغاية للانحراف في درجة الحرارة.

3. الأداء في العالم الحقيقي – إلى أي مدى يمكن أن يكون جيدًا؟

من خلال النهج المشترك المتمثل في 'تركيب الأجهزة + معايرة الشريحة + التعويض الخوارزمي'، يمكن لأجهزة التشفير المغناطيسية الحديثة تحقيق دقة عالية بشكل ملحوظ:

• يحقق MT6816 خطأ زاوية متكامل على مستوى النظام ضمن  ±0.03 درجة.

• يقوم MT6835، بعد المعايرة، بتحسين اللاخطية المتكاملة (INL) من ±1° إلى  < ±0.07° ، مع انحراف في درجة الحرارة الكاملة  < ±0.08°.

• يمكن لبعض الحلول المتطورة تحسين INL إلى  ±0.03° ، مما يلبي مستوى الدقة ±0.05° المطلوب للمحورين والمؤازرة.

4. الملخص والتوقعات

في الأساس، انحراف زاوية قرص الكود المغناطيسي هو نتيجة لاضطرابات متراكبة من العوامل الميكانيكية والحرارية والكهرومغناطيسية وغيرها من العوامل على إشارة المجال المغناطيسي. لا يوجد علاج واحد لجميع الأمراض؛ يجب أن يتبع الحل مبدأ  'الأجهزة كقاعدة، والمعايرة باعتبارها الدعامة الأساسية، والخوارزميات باعتبارها النهاية' :

1. دقة التثبيت هي الأساس  - لا يمكن التغاضي عن فجوة الهواء والمحورية واختيار المغناطيس.

2. تعد معايرة الشريحة هي الأداة الأساسية  - يمكنك الاستفادة الكاملة من معايرة المصنع والمعايرة الذاتية للمستخدم.

3. يعد التعويض الخوارزمي خطوة متقدمة  - بالنسبة للسيناريوهات الصعبة، قم بتقديم التصفية التكيفية والمعايرة عبر الإنترنت.

مع استمرار تزايد تكامل الرقائق وإدخال خوارزميات الذكاء الاصطناعي، سوف تتطور أجهزة التشفير المغناطيسية المستقبلية نحو  'الاستشعار الذاتي والمعايرة الذاتية والتعويض الذاتي' .  قدرات عند هذه النقطة، لن يعد انحراف الزاوية مصدر إزعاج للمهندسين، وستصل دقة وموثوقية مفاصل الروبوت إلى آفاق جديدة.