Odkud pochází fázová odchylka vysokorychlostního rotujícího magnetického prstence? – Průvodce odstraňováním problémů pro senzor magnetického kodéru robota

Ve vysoce výkonných aplikacích řízení pohybu, jako jsou servomotory, klouby robotů a elektrická vřetena, magnetické enkodéry získávají na popularitě díky své malé velikosti, odolnosti vůči oleji, toleranci vůči vibracím a nízké ceně. Mnoho inženýrů se však během vysokorychlostního testování rotace setkává s ožehavým problémem:  úhel hlášený kodérem se odchyluje od skutečné polohy rotoru – což je 'fázová odchylka'  , která se zhoršuje s rostoucí rychlostí. Při nízkých rychlostech může způsobit pouze mírné zvlnění rychlosti a zvýšený hluk, ale při vysokých rychlostech může vést k nestabilitě řízení.

I. Jak „vidí“ robot magnetický snímač kodéru úhel?

Podívejme se stručně na základní strukturu magnetického kodéru.

Typický magnetický kodér se skládá ze tří částí:

1. Magnetický kroužek : namontovaný na konci rotoru nebo na prodloužení hřídele, s několika páry pólů (střídavě N/S) rozmístěnými po jeho obvodu.

2. Magnetický senzor : běžně Hall, AMR, GMR, TMR atd., umístěný blízko povrchu prstence pro snímání změn magnetického pole.

3. Obvod zpracování signálu : zesiluje, upravuje a interpoluje slabé signály snímače, přičemž nakonec vydává úhlové nebo kvadraturní impulsy.

Jak se magnetický kroužek otáčí, senzor detekuje periodické změny magnetického pole a vydává kvazisinusové/kosinusové signály. Rozložením fáze těchto dvou signálů se získá úhel rotoru.

V ideálním případě je rozložení magnetického pole dokonale sinusové a výstup snímače přesně odpovídá mechanickému úhlu. Při vysokorychlostní rotaci je však tato 'ideální korespondence' narušena více faktory a objevuje se fázová odchylka.

II. Co je to fázová odchylka a proč se stává více vyslovovanou při vysoké rychlosti?

Jednoduše řečeno,  fázová odchylka je rozdíl mezi 'úhlem vnímaným kodérem' a 'skutečným úhlem rotoru'.

Pokud je například rotor ve skutečnosti na 30°, ale kodér vydává 32°, tyto 2° jsou fázová odchylka. Při nízké rychlosti může být tato odchylka pouze 0,1° a sotva znatelná; ale jak se rychlost zvyšuje, odchylka se může zesílit na několik stupňů nebo dokonce přes deset stupňů, což výrazně snižuje výkon regulace.

Proč se odchylka zesiluje vysokou rychlostí? Hlavní důvody jsou následující.

1. Chyby mechanické instalace jsou 'zvětšeny'

Dokonalé koaxiální vyrovnání mezi magnetickým kroužkem a hřídelí je nemožné. Předpokládejme, že prstenec má excentricitu 0,05 mm - při nízké rychlosti může snímač stále tolerovat výsledné zkreslení pole; při vysoké rychlosti, odstředivá síla a vibrace zvyšují excentricitu, deformují magnetický tvar vlny a způsobují periodickou fázovou odchylku.

Podobně házení koncového čela prstence, axiální vůle a špatná dynamická rovnováha způsobují další vysokofrekvenční poruchy při vysoké rychlosti.

2. Rychlost odezvy snímače je nedostatečná

Se zvyšující se rychlostí prstence se odpovídajícím způsobem zvyšuje frekvence změn magnetického pole. Například u prstence s 32 pólovými páry při 10 000 ot./min je frekvence pole přibližně 5,3 kHz; při 30 000 ot./min přesahuje 16 kHz.

Běžné Hallovy senzory mohou mít šířky pásma pouze desítky kHz nebo dokonce nižší - při vysoké rychlosti se výstupní amplituda zeslabuje a fázová zpoždění, což má za následek chyby úhlu. I když je samotný snímač rychlý, nadměrné zpoždění v následujících filtračních obvodech může také způsobit zpoždění fáze.

3. Degradace kvality pole magnetického prstence

Při vysoké rychlosti ztráty vířivými proudy uvnitř prstence způsobují lokální zahřívání. Jak teplota stoupá, remanence a koercivita se mění, což snižuje intenzitu pole a deformuje tvar vlny.

Kromě toho nerovnoměrná magnetizace, příliš široké přechodové zóny mezi póly a nesprávný výběr čísel pólových párů zvyšují harmonický obsah v magnetickém poli vysokou rychlostí a zvětšují chyby ve výpočtu fáze.

4. Elektromagnetická interference a integrita signálu

Při vysoké rychlosti generují vysokofrekvenční PWM proudy ve vinutí motoru, hřídelové proudy a blízké vysokovýkonné vedení rušení. Slabé výstupní signály snímače, jakmile jsou kontaminovány, způsobují jitter a chybu při detekci průchodu nulou nebo při výpočtu fáze.

III. Strategie odstraňování problémů: mechanické, elektrické a algoritmické přístupy

K vyřešení výše uvedených příčin lze provést nápravná opatření na třech úrovních:  mechanická instalace, senzorový a signální řetězec a kompenzace algoritmu.

1. Mechanická úroveň - nejprve položte pevný základ

Mnoho problémů s fázovou odchylkou nepochází z elektroniky, ale z mechanické instalace.

(1) Přísně kontrolujte souosost a házení na konci

Po montáži magnetického kroužku by měla být koaxiálnost dodržena v rozmezí  0,03–0,05 mm a házení na čelní straně v rozmezí  0,02 mm . Pro polohování používejte smršťovací fitinky, lepicí spoje nebo vyhrazené přípravky a vyhněte se úderům kladivem, které by mohlo kroužek naklonit.

(2) Proveďte dynamické vyvažování

Přestože je prstenec lehký, odstředivá síla při vysoké rychlosti není zanedbatelná. Po instalaci proveďte celkové dynamické vyvážení, abyste snížili chyby signálu způsobené vibracemi.

(3) Vyhněte se axiálním silám působícím na magnetický kroužek

Pokud je kroužek blízko krytu konce motoru nebo ložisek, může tepelná roztažnost při vysoké rychlosti způsobit axiální posunutí. Vyhraďte si v návrhu vhodnou axiální vůli nebo použijte pružnou předpínací strukturu.

2. Elektrický a signální řetězec - udržujte signály čisté a včasné

(1) Vyberte správný typ snímače

Pro vysokorychlostní aplikace upřednostňujte  snímače TMR nebo GMR , protože jejich šířka pásma obvykle dosahuje stovek kHz nebo dokonce MHz - mnohem vyšší než u běžných Hallových snímačů. Zajistěte také, aby magnetická citlivost a saturační pole snímače odpovídaly charakteristikám prstence.

(2) Použijte výstup diferenciálního signálu

Diferenciální výstup potlačuje rušení v běžném režimu a zlepšuje integritu signálu. Pokud snímač poskytuje pouze výstup s jedním koncem, přidejte na přední konec diferenciální zesilovač.

(3) Snižte zpoždění filtru

RC filtry a digitální filtry zavádějí fázové zpoždění. Ve vysokorychlostních aplikacích nastavte dostatečně vysokou mezní frekvenci filtru nebo použijte  lineární fázové  filtry s nízkým zpožděním. U vysokofrekvenčního šumu, který skutečně potřebuje odstranění, zvažte vyhlazení po výpočtu úhlu spíše než přefiltrování nezpracovaných signálů.

(4) Optimalizujte vzduchovou mezeru mezi kroužkem a snímačem

Nadměrná vzduchová mezera snižuje amplitudu signálu; příliš malá mezera riskuje tření v důsledku vibrací při vysoké rychlosti. Typicky zvolte vzduchovou mezeru  0,3–1,0 mm  na základě specifikací kroužku a citlivosti snímače a optimální hodnotu určete experimentálně.

(5) Proveďte správné stínění a uzemnění

Pro kabeláž snímače používejte stíněné kroucené dvoulinky, stínění uzemněte v jednom bodě a kabel udržujte v dostatečné vzdálenosti od elektrického vedení motoru a vysokoproudových stop, abyste omezili elektromagnetickou vazbu.

3. Úroveň algoritmu – použijte 'software' ke kompenzaci 'hardwarových' nedostatků

Po hardwarových vylepšeních lze zbytkové odchylky dále korigovat pomocí algoritmů.

(1) Offline kalibrace a kompenzace ve vyhledávací tabulce

Za podmínek nízké rychlosti v ustáleném stavu použijte vysoce přesný referenční enkodér (např. optický enkodér) k provedení celokruhové kalibrace magnetického enkodéru, zaznamenejte odchylku v každé poloze a vytvořte kompenzační tabulku. Během skutečného provozu vyhledejte korekci na základě aktuální polohy.

Tato metoda účinně eliminuje periodické fázové odchylky, ale má omezený vliv na dodatečné dynamické odchylky, které se objevují při vysoké rychlosti.

(2) Dynamická fázová kompenzace

Pokud odchylky vznikají hlavně z pevného zpoždění v signálovém řetězci, vypočítejte úhlové zpoždění takto:

kde  w  je úhlová rychlost a t _d je celkové zpoždění systému. Přiveďte tuto kompenzaci dopředu k výstupnímu úhlu, což může výrazně zlepšit vysokorychlostní přesnost v určitém rozsahu rychlostí.

(3) Adaptivní filtrování a pozorovatelé

V případě náhodného jitteru při vysoké rychlosti použijte Kalmanovy filtry, pozorovatele v klouzavém režimu nebo podobné metody ke spojení úhlu kodéru s modelem motoru, čímž se potlačí vysokofrekvenční šum při zachování signálu skutečného úhlu.

(4) Teplotní kompenzace

Změny remanence vyvolané teplotou ovlivňují amplitudu signálu. Umístěte teplotní senzor blízko kodéru, abyste vytvořili model kompenzace teplotní amplitudy/fáze a aplikovali korekci v reálném čase.

IV. Stručná případová studie řešení problémů

Servomotor vykazoval periodickou fázovou odchylku asi 3,5° od svého magnetického kodéru při 15 000 otáčkách za minutu, což způsobovalo oscilaci proudové smyčky. Tým postupoval podle těchto kroků:

1. Mechanická kontrola : Koaxiálnost prstence byla zjištěna 0,08 mm; po opětovné instalaci se snížila na 0,03 mm a odchylka klesla na 2,1°.

2. Výměna snímače : Standardní Hallův snímač byl nahrazen diferenciálním snímačem TMR s vyšší šířkou pásma a mezní frekvence filtru byla zvýšena z 20 kHz na 100 kHz - odchylka dále snížena na 0,9°.

3. Kompenzace algoritmu : Byla přidána dopředná kompenzace s pevným zpožděním, po níž následovala celokruhová offline kalibrace na zkušební stolici. Konečná vysokorychlostní fázová odchylka byla řízena v rozmezí  0,3° , čímž byly splněny požadavky na řízení.

Tento případ ukazuje, že  jediné opatření často řeší pouze část problému – nejlepší výsledky přináší kombinace mechanických, elektrických a algoritmických vylepšení..

Závěr

Fázová odchylka magnetického prstence v senzoru magnetického kodéru robota při vysoké rychlosti je ze své podstaty multifaktoriální problém. Mechanické chyby při instalaci, nedostatečná šířka pásma snímače, zpoždění signálu, zhoršená kvalita magnetického pole a elektromagnetické rušení jsou zesilovány vysokou rychlostí.

Při odstraňování problémů postupujte podle pořadí:  nejprve mechanika, pak elektrika, pak algoritmy :

·  Nejprve zajistěte pevné ustavení souososti, dynamického vyvážení a vzduchové mezery;

·  Poté optimalizujte výběr snímačů a signálový řetězec, aby byly zaručeny čisté signály s nízkým zpožděním;

·  Nakonec použijte kalibrační a kompenzační algoritmy k 'jemnému doladění' zbytkových chyb.

U většiny vysokorychlostních aplikací lze po takovéto systematické nápravě udržet fázovou odchylku magnetického kodéru v přijatelném rozsahu, což umožňuje servosystému zůstat stabilní a přesný i při vysokých rychlostech.