من أين يأتي انحراف الطور لحلقة مغناطيسية دوارة عالية السرعة؟ – دليل استكشاف الأخطاء وإصلاحها لمستشعر التشفير المغناطيسي للروبوت

في تطبيقات التحكم في الحركة عالية الأداء مثل المحركات المؤازرة، ومفاصل الروبوت، والمغازل الكهربائية، يتم استخدام المغناطيسية تكتسب أجهزة التشفير شعبية بسبب صغر حجمها، ومقاومتها للزيت، وتحملها للاهتزاز، وتكلفتها المنخفضة. ومع ذلك، يواجه العديد من المهندسين مشكلة شائكة أثناء اختبار الدوران عالي السرعة:  انحراف الزاوية التي أبلغ عنها المشفر عن الموضع الفعلي للدوار - 'انحراف الطور'  الذي يزداد سوءًا مع زيادة السرعة. عند السرعات المنخفضة، قد يؤدي ذلك إلى تموج بسيط في السرعة وزيادة الضوضاء، ولكن عند السرعات العالية يمكن أن يؤدي إلى عدم استقرار التحكم.

I. كيف يستطيع مستشعر التشفير المغناطيسي للروبوت 'رؤية' الزاوية؟

دعونا نراجع بإيجاز البنية الأساسية لجهاز التشفير المغناطيسي.

يتكون التشفير المغناطيسي النموذجي من ثلاثة أجزاء:

1. الحلقة المغناطيسية : مثبتة على نهاية العضو الدوار أو امتداد العمود، مع أزواج متعددة من الأقطاب (N/S بالتناوب) موزعة حول محيطها.

2. المستشعر المغناطيسي : عادةً ما يتم وضع Hall وAMR وGMR وTMR وما إلى ذلك بالقرب من سطح الحلقة لاستشعار تغيرات المجال المغناطيسي.

3. دائرة معالجة الإشارة : تعمل على تضخيم وضبط وإدخال إشارات الاستشعار الضعيفة، مما يؤدي في النهاية إلى إخراج نبضات زاوية أو تربيعية.

عندما تدور الحلقة المغناطيسية، يكتشف المستشعر التغيرات الدورية في المجال المغناطيسي ويخرج إشارات شبه جيبية/جيبية. ومن خلال حل مرحلة هاتين الإشارتين، يتم الحصول على زاوية الدوار.

من الناحية المثالية، يكون توزيع المجال المغناطيسي جيبيًا تمامًا، ويتوافق خرج المستشعر بشكل صارم مع الزاوية الميكانيكية. ومع ذلك، في ظل الدوران عالي السرعة، يتم تعطيل هذه 'المراسلة المثالية' بسبب عوامل متعددة، ويظهر انحراف الطور.

ثانيا. ما هو انحراف الطور ولماذا يصبح أكثر وضوحًا عند السرعة العالية؟

ببساطة،  انحراف الطور هو الفرق بين 'الزاوية التي يدركها المشفر' و'الزاوية الحقيقية للدوار'.

على سبيل المثال، إذا كان الجزء المتحرك في الواقع عند 30 درجة ولكن المشفر يخرج 32 درجة، فإن 2 درجة هي انحراف الطور. عند السرعة المنخفضة، قد يكون هذا الانحراف 0.1 درجة فقط وبالكاد يمكن ملاحظته؛ ولكن مع زيادة السرعة، يمكن أن يتضخم الانحراف إلى عدة درجات أو حتى أكثر من عشر درجات، مما يؤدي إلى تدهور أداء التحكم بشكل كبير.

لماذا يتضخم الانحراف بسرعة عالية؟ الأسباب الرئيسية هي كما يلي.

1. يتم تضخيم أخطاء التثبيت الميكانيكية

من المستحيل المحاذاة المحورية المثالية بين الحلقة المغناطيسية والعمود. لنفترض أن الحلقة لديها انحراف مركزي قدره 0.05 مم - عند السرعة المنخفضة، لا يزال بإمكان المستشعر تحمل تشويه المجال الناتج؛ عند السرعة العالية، تزيد قوة الطرد المركزي والاهتزاز من الانحراف المركزي، مما يؤدي إلى تشويه شكل الموجة المغناطيسية والتسبب في انحراف الطور الدوري.

وبالمثل، فإن نفاد وجه نهاية الحلقة، والتشغيل المحوري، والتوازن الديناميكي الضعيف يؤدي إلى اضطرابات إضافية عالية التردد عند السرعة العالية.

2. سرعة استجابة المستشعر غير كافية

ومع زيادة سرعة الحلقة، يزداد تردد تغير المجال المغناطيسي تبعًا لذلك. على سبيل المثال، مع حلقة مكونة من 32 قطبًا عند 10000 دورة في الدقيقة، يبلغ تردد المجال حوالي 5.3 كيلو هرتز؛ عند 30000 دورة في الدقيقة، يتجاوز 16 كيلو هرتز.

قد تحتوي أجهزة استشعار القاعة العامة على نطاق ترددي يصل إلى عشرات كيلوهرتز فقط أو حتى أقل - عند السرعة العالية، يضعف سعة الخرج ويتأخر الطور، مما يؤدي إلى أخطاء في الزاوية. حتى لو كان المستشعر نفسه سريعًا، فإن التأخير المفرط في دوائر التصفية اللاحقة يمكن أن يتسبب أيضًا في تأخر الطور.

3. تدهور جودة المجال المغناطيسي للحلقة

عند السرعة العالية، يؤدي فقدان التيار الدوامي داخل الحلقة إلى تسخين موضعي. مع ارتفاع درجة الحرارة، تتغير الثباتية والقوة، مما يقلل من شدة المجال ويشوه شكل الموجة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن المغنطة غير المنتظمة، ومناطق الانتقال الواسعة للغاية بين الأقطاب، والاختيار غير المناسب لأعداد أزواج الأقطاب، كلها عوامل تزيد من المحتوى التوافقي في المجال المغناطيسي بسرعة عالية، مما يؤدي إلى توسيع أخطاء حساب الطور.

4. التداخل الكهرومغناطيسي وسلامة الإشارة

عند السرعة العالية، تعمل تيارات PWM عالية التردد في ملفات المحرك، وتيارات العمود، وخطوط الطاقة العالية القريبة على توليد تداخل. تتسبب إشارات الخرج الضعيفة للمستشعر، بمجرد تلوثها، في حدوث ارتعاش وخطأ في اكتشاف التقاطع الصفري أو حساب الطور.

ثالثا. استراتيجية استكشاف الأخطاء وإصلاحها: الأساليب الميكانيكية والكهربائية والخوارزمية

لمعالجة الأسباب المذكورة أعلاه، يمكن اتخاذ الإجراءات التصحيحية على ثلاثة مستويات:  التثبيت الميكانيكي، وسلسلة أجهزة الاستشعار والإشارة، وتعويض الخوارزمية.

1. المستوى الميكانيكي-ضع أساسًا متينًا أولاً

العديد من مشاكل انحراف الطور لا تنشأ من الإلكترونيات بل من التركيب الميكانيكي.

(1) التحكم الصارم في المحورية ونفاذ الوجه النهائي

بعد تركيب الحلقة المغناطيسية، يجب الحفاظ على المحورية في حدود  0.03-0.05 مم ، ونفاذ الوجه النهائي في حدود  0.02 مم . استخدم تركيبات الانكماش، أو الروابط اللاصقة، أو التركيبات المخصصة لتحديد المواقع، وتجنب الطرق الذي قد يؤدي إلى إمالة الحلقة.

(2) إجراء التوازن الديناميكي

على الرغم من أن الحلقة خفيفة الوزن، إلا أن قوة الطرد المركزي عند السرعة العالية لا يمكن إهمالها. بعد التثبيت، قم بإجراء التوازن الديناميكي الشامل لتقليل أخطاء الإشارة الناتجة عن الاهتزاز.

(3) تجنب القوى المحورية على الحلقة المغناطيسية

إذا كانت الحلقة قريبة من غطاء نهاية المحرك أو المحامل، فإن التمدد الحراري بسرعة عالية قد يسبب إزاحة محورية. احتفظ بالخلوص المحوري المناسب في التصميم، أو استخدم هيكل التحميل المسبق المرن.

2. سلسلة الكهرباء والإشارة - تحافظ على الإشارات نظيفة وفي الوقت المناسب

(1) اختر نوع المستشعر المناسب

بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة، تفضل  مستشعرات TMR أو GMR ، حيث يصل عرض النطاق الترددي الخاص بها عادةً إلى مئات كيلو هرتز أو حتى ميجا هرتز - وهو أعلى بكثير من مستشعرات Hall العادية. تأكد أيضًا من أن الحساسية المغناطيسية للمستشعر ومجال التشبع يتطابقان مع خصائص الحلقة.

(2) استخدم إخراج الإشارة التفاضلية

يمنع الإخراج التفاضلي تداخل الوضع الشائع ويحسن سلامة الإشارة. إذا كان المستشعر يوفر خرجًا أحادي الطرف فقط، فقم بإضافة مرحلة مضخم تفاضلي في الواجهة الأمامية.

(3) تقليل تأخير التصفية

مرشحات RC والمرشحات الرقمية تقدم تأخير المرحلة. في التطبيقات عالية السرعة، اضبط تردد قطع المرشح على مستوى عالٍ بما فيه الكفاية، أو استخدم  الطور الخطي ذات التأخير المنخفض .  مرشحات بالنسبة للضوضاء عالية التردد التي تحتاج حقًا إلى الإزالة، فكر في التجانس بعد حساب الزاوية بدلاً من الإفراط في تصفية الإشارات الأولية.

(4) تحسين فجوة الهواء بين الحلقة والمستشعر

فجوة الهواء المفرطة تقلل من سعة الإشارة؛ الفجوة الصغيرة جدًا قد تؤدي إلى الاحتكاك بسبب الاهتزاز بسرعة عالية. عادةً ما يتم اختيار فجوة هوائية تبلغ  0.3-1.0 مم  بناءً على مواصفات الحلقة وحساسية المستشعر، وتحديد القيمة المثلى تجريبياً.

(5) تنفيذ التدريع المناسب والتأريض

استخدم كابلات مزدوجة ملتوية محمية لأسلاك المستشعر، وقم بتأريض الدرع عند نقطة واحدة، وأبق الكابل بعيدًا عن خطوط طاقة المحرك وآثار التيار العالي لتقليل الاقتران الكهرومغناطيسي.

3. مستوى الخوارزمية - استخدم 'البرمجيات' للتعويض عن أوجه القصور في 'الأجهزة'

بعد تحسين الأجهزة، يمكن تصحيح الانحرافات المتبقية بشكل أكبر بواسطة الخوارزميات.

(1) المعايرة دون الاتصال بالإنترنت وتعويض جدول البحث

في ظل ظروف الحالة المستقرة والسرعة المنخفضة، استخدم جهاز تشفير مرجعي عالي الدقة (على سبيل المثال، جهاز تشفير بصري) لإجراء معايرة دائرة كاملة لجهاز التشفير المغناطيسي، وتسجيل الانحراف في كل موضع، وإنشاء جدول تعويض. أثناء التشغيل الفعلي، ابحث عن التصحيح بناءً على الوضع الحالي.

تعمل هذه الطريقة على التخلص بشكل فعال من انحرافات الطور الدوري، ولكن لها تأثير محدود على الانحرافات الديناميكية الإضافية التي تظهر بسرعة عالية.

(2) تعويض المرحلة الديناميكية

إذا كانت الانحرافات تنشأ أساساً من تأخير ثابت في سلسلة الإشارة، يتم حساب تأخير الزاوية عن طريق:

حيث  w  هي السرعة الزاوية وt _d هو إجمالي تأخير النظام. قم بتغذية هذا التعويض إلى زاوية الإخراج، مما يمكن أن يحسن بشكل كبير دقة السرعة العالية ضمن نطاق سرعة معين.

(3) التصفية التكيفية والمراقبين

بالنسبة للارتعاش العشوائي عند السرعة العالية، استخدم مرشحات كالمان، أو مراقبي الوضع المنزلق، أو طرق مماثلة لدمج زاوية التشفير مع نموذج المحرك، وقمع الضوضاء عالية التردد مع الحفاظ على إشارة الزاوية الحقيقية.

(4) تعويض درجة الحرارة

تؤثر التغيرات الناجمة عن درجة الحرارة في الثبات على سعة الإشارة. ضع مستشعر درجة الحرارة بالقرب من جهاز التشفير لإنشاء نموذج تعويض درجة الحرارة والسعة/المرحلة وتطبيق التصحيح في الوقت الحقيقي.

رابعا. دراسة حالة مختصرة حول استكشاف الأخطاء وإصلاحها

أظهر محرك سيرفو انحرافًا دوريًا في الطور يبلغ حوالي 3.5 درجة عن التشفير المغناطيسي الخاص به عند 15000 دورة في الدقيقة، مما تسبب في تذبذب حلقة التيار. اتبع الفريق الخطوات التالية:

1. الفحص الميكانيكي : تم العثور على محورية الحلقة 0.08 ملم؛ وبعد إعادة التثبيت تم تخفيضه إلى 0.03 ملم، وانخفض الانحراف إلى 2.1 درجة.

2. استبدال المستشعر : تم استبدال مستشعر Hall القياسي بمستشعر تفاضلي TMR ذي نطاق ترددي أعلى، وتم رفع تردد قطع المرشح من 20 كيلو هرتز إلى 100 كيلو هرتز - كما تم تقليل الانحراف إلى 0.9 درجة.

3. تعويض الخوارزمية : تمت إضافة تعويض التغذية الأمامية للتأخير الثابت، متبوعًا بمعايرة غير متصلة بدائرة كاملة على طاولة الاختبار. تم التحكم في انحراف الطور عالي السرعة النهائي في حدود  0.3 درجة ، مما يلبي متطلبات التحكم.

توضح هذه الحالة أن  إجراءً واحدًا غالبًا ما يحل جزءًا فقط من المشكلة - حيث يؤدي مزيج من التحسينات الميكانيكية والكهربائية والخوارزمية إلى أفضل النتائج.

خاتمة

يعد انحراف الطور للحلقة المغناطيسية في مستشعر التشفير المغناطيسي الآلي بسرعة عالية مشكلة متعددة العوامل بطبيعتها. يتم تضخيم أخطاء التثبيت الميكانيكية، وعرض النطاق الترددي غير الكافي للمستشعر، وتأخير الإشارة، وتدهور جودة المجال المغناطيسي، والتداخل الكهرومغناطيسي بسرعة عالية.

عند استكشاف الأخطاء وإصلاحها، اتبع التسلسل:  الميكانيكا أولاً، ثم الكهربائية، ثم الخوارزميات :

·  أولاً، التأكد من ثبات المحورية والتوازن الديناميكي والفجوة الهوائية؛

·  ثم تحسين اختيار أجهزة الاستشعار وسلسلة الإشارة لضمان إشارات نظيفة ومنخفضة التأخير.

·  وأخيراً، استخدم خوارزميات المعايرة والتعويض 'لضبط' الأخطاء المتبقية.

بالنسبة لمعظم التطبيقات عالية السرعة، بعد هذه المعالجة المنهجية، يمكن الحفاظ على انحراف الطور للمشفر المغناطيسي ضمن نطاق مقبول، مما يسمح لنظام المؤازرة بالبقاء مستقرًا ودقيقًا حتى عند السرعات العالية.