Woher kommt die Phasenabweichung eines schnell rotierenden Magnetrings? – Leitfaden zur Fehlerbehebung für den magnetischen Encodersensor des Roboters

In Hochleistungs-Bewegungssteuerungsanwendungen wie Servomotoren, Robotergelenken und elektrischen Spindeln, magnetisch Encoder erfreuen sich aufgrund ihrer geringen Größe, Ölbeständigkeit, Vibrationstoleranz und geringen Kosten zunehmender Beliebtheit. Allerdings stoßen viele Ingenieure bei Hochgeschwindigkeitsrotationstests auf ein heikles Problem:  Der vom Encoder gemeldete Winkel weicht von der tatsächlichen Position des Rotors ab – eine „Phasenabweichung“,  die sich mit zunehmender Geschwindigkeit verschlimmert. Bei niedrigen Geschwindigkeiten kann es nur zu leichten Drehzahlschwankungen und erhöhtem Geräusch kommen, bei hohen Geschwindigkeiten kann es jedoch zu einer Instabilität der Steuerung kommen.

I. Wie erkennt ein magnetischer Encodersensor eines Roboters den Winkel?

Sehen wir uns kurz den Grundaufbau eines magnetischen Encoders an.

Ein typischer magnetischer Encoder besteht aus drei Teilen:

1. Magnetring : am Rotorende oder an der Wellenverlängerung montiert, mit mehreren Polpaaren (N/S alternierend) über den Umfang verteilt.

2. Magnetischer Sensor : üblicherweise Hall, AMR, GMR, TMR usw., nahe der Ringoberfläche platziert, um Magnetfeldschwankungen zu erfassen.

3. Signalverarbeitungsschaltung : Verstärkt, bereitet und interpoliert die schwachen Sensorsignale und gibt letztendlich Winkel- oder Quadraturimpulse aus.

Während sich der Magnetring dreht, erkennt der Sensor periodische Magnetfeldänderungen und gibt quasi-sinusförmige/kosinusförmige Signale aus. Durch Auflösung der Phase dieser beiden Signale erhält man den Rotorwinkel.

Im Idealfall ist die Magnetfeldverteilung perfekt sinusförmig und der Sensorausgang entspricht genau dem mechanischen Winkel. Bei Hochgeschwindigkeitsrotationen wird diese „ideale Übereinstimmung“ jedoch durch mehrere Faktoren gestört und es kommt zu Phasenabweichungen.

II. Was ist Phasenabweichung und warum wird sie bei hoher Geschwindigkeit ausgeprägter?

Einfach ausgedrückt  ist die Phasenabweichung die Differenz zwischen „dem vom Encoder wahrgenommenen Winkel“ und „dem wahren Rotorwinkel“..

Wenn sich der Rotor beispielsweise tatsächlich auf 30° befindet, der Encoder jedoch 32° ausgibt, handelt es sich bei diesen 2° um eine Phasenabweichung. Bei niedriger Geschwindigkeit beträgt diese Abweichung möglicherweise nur 0,1° und ist kaum wahrnehmbar. Mit zunehmender Geschwindigkeit kann sich die Abweichung jedoch auf mehrere Grad oder sogar über zehn Grad verstärken, was die Steuerungsleistung erheblich beeinträchtigt.

Warum verstärkt sich die Abweichung bei hoher Geschwindigkeit? Die Hauptgründe sind wie folgt.

1. Mechanische Installationsfehler werden „vergrößert“

Eine perfekte koaxiale Ausrichtung zwischen Magnetring und Welle ist nicht möglich. Angenommen, der Ring weist eine Exzentrizität von 0,05 mm auf – bei niedriger Geschwindigkeit kann der Sensor die resultierende Feldverzerrung noch tolerieren; Bei hoher Geschwindigkeit erhöhen Zentrifugalkraft und Vibration die Exzentrizität, verzerren die magnetische Wellenform und verursachen periodische Phasenabweichungen.

Ebenso führen Unrundheit der Ringstirnfläche, axiales Spiel und ein schlechtes dynamisches Gleichgewicht zu zusätzlichen hochfrequenten Störungen bei hoher Geschwindigkeit.

2. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors ist unzureichend

Mit zunehmender Ringgeschwindigkeit nimmt die Frequenz der Magnetfeldschwankung entsprechend zu. Beispielsweise beträgt die Feldfrequenz bei einem 32-Polpaar-Ring bei 10.000 U/min etwa 5,3 kHz; bei 30.000 U/min übersteigt sie 16 kHz.

Herkömmliche Hall-Sensoren haben möglicherweise Bandbreiten von nur einigen zehn kHz oder sogar weniger – bei hoher Geschwindigkeit nimmt die Ausgangsamplitude ab und es kommt zu Phasenverzögerungen, was zu Winkelfehlern führt. Auch wenn der Sensor selbst schnell ist, kann eine übermäßige Verzögerung in nachfolgenden Filterkreisen ebenfalls zu Phasenverzögerungen führen.

3. Verschlechterung der Feldqualität des Magnetrings

Bei hoher Geschwindigkeit verursachen Wirbelstromverluste im Ring eine lokale Erwärmung. Wenn die Temperatur steigt, ändern sich Remanenz und Koerzitivfeldstärke, wodurch die Feldstärke verringert und die Wellenform verzerrt wird.

Darüber hinaus erhöhen eine ungleichmäßige Magnetisierung, zu breite Übergangszonen zwischen den Polen und eine falsche Auswahl der Polpaarzahlen den Oberwellengehalt im Magnetfeld bei hoher Geschwindigkeit, was zu größeren Fehlern bei der Phasenberechnung führt.

4. Elektromagnetische Störungen und Signalintegrität

Bei hoher Geschwindigkeit erzeugen hochfrequente PWM-Ströme in Motorwicklungen, Wellenströme und nahegelegene Hochleistungsleitungen Störungen. Die schwachen Ausgangssignale des Sensors verursachen, sobald sie verunreinigt sind, Jitter und Fehler bei der Nulldurchgangserkennung oder Phasenberechnung.

III. Fehlerbehebungsstrategie: Mechanische, elektrische und algorithmische Ansätze

Um die oben genannten Ursachen zu beheben, können Korrekturmaßnahmen auf drei Ebenen ergriffen werden:  mechanische Installation, Sensor- und Signalkette sowie Algorithmuskompensation.

1. Mechanische Wasserwaage – legen Sie zunächst ein solides Fundament

Viele Phasenabweichungsprobleme haben ihren Ursprung nicht in der Elektronik, sondern in der mechanischen Installation.

(1) Kontrollieren Sie die Koaxialität und den Endflächenschlag genau

Nach der Montage des Magnetrings sollte die Koaxialität innerhalb von  0,03–0,05 mm und der Endflächenschlag innerhalb von  0,02 mm gehalten werden . Verwenden Sie zum Positionieren Schrumpfen, Kleben oder spezielle Vorrichtungen und vermeiden Sie Hämmerschläge, die den Ring verkanten könnten.

(2) Dynamisches Auswuchten durchführen

Obwohl der Ring leicht ist, ist die Zentrifugalkraft bei hoher Geschwindigkeit nicht zu vernachlässigen. Führen Sie nach der Installation einen dynamischen Gesamtabgleich durch, um vibrationsbedingte Signalfehler zu reduzieren.

(3) Vermeiden Sie axiale Kräfte auf den Magnetring

Befindet sich der Ring in der Nähe des Motorenddeckels oder der Lager, kann die Wärmeausdehnung bei hoher Drehzahl zu einer axialen Verschiebung führen. Reservieren Sie bei der Konstruktion einen angemessenen Axialspielraum oder übernehmen Sie eine elastische Vorspannungsstruktur.

2. Elektrische und Signalkette – sorgen Sie dafür, dass die Signale sauber und zeitnah sind

(1) Wählen Sie den richtigen Sensortyp

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bevorzugen Sie  TMR- oder GMR-Sensoren , da ihre Bandbreite typischerweise Hunderte von kHz oder sogar MHz erreicht und damit weitaus höher ist als bei gewöhnlichen Hall-Sensoren. Stellen Sie außerdem sicher, dass die magnetische Empfindlichkeit und das Sättigungsfeld des Sensors mit den Eigenschaften des Rings übereinstimmen.

(2) Differenzsignalausgang verwenden

Der Differenzausgang unterdrückt Gleichtaktstörungen und verbessert die Signalintegrität. Wenn der Sensor nur einen Single-Ended-Ausgang liefert, fügen Sie am Frontend eine Differenzverstärkerstufe hinzu.

(3) Filterverzögerung reduzieren

RC-Filter und digitale Filter führen zu einer Phasenverzögerung. Stellen Sie bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen die Filtergrenzfrequenz ausreichend hoch ein oder verwenden Sie  linearphasige  Filter mit geringer Verzögerung. Bei hochfrequentem Rauschen, das wirklich entfernt werden muss, sollten Sie eine Glättung nach der Winkelberechnung in Betracht ziehen, anstatt die Rohsignale zu stark zu filtern.

(4) Luftspalt zwischen Ring und Sensor optimieren

Ein zu großer Luftspalt verringert die Signalamplitude. Bei einem zu kleinen Spalt besteht die Gefahr von Reibung aufgrund von Vibrationen bei hoher Geschwindigkeit. Wählen Sie in der Regel einen Luftspalt von  0,3–1,0 mm  basierend auf den Ringspezifikationen und der Sensorempfindlichkeit und ermitteln Sie den optimalen Wert experimentell.

(5) Sorgen Sie für eine ordnungsgemäße Abschirmung und Erdung

Verwenden Sie für die Sensorverkabelung abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel, erden Sie die Abschirmung an einem einzigen Punkt und halten Sie das Kabel von Motorstromleitungen und Hochstromleitungen fern, um elektromagnetische Kopplungen zu reduzieren.

3. Algorithmusebene – Verwenden Sie „Software“, um „Hardware“-Mängel auszugleichen

Nach Verbesserungen der Hardware können verbleibende Abweichungen durch Algorithmen weiter korrigiert werden.

(1) Offline-Kalibrierung und Lookup-Table-Kompensation

Verwenden Sie unter langsamen, stationären Bedingungen einen hochpräzisen Referenzencoder (z. B. einen optischen Encoder), um eine Vollkreiskalibrierung des magnetischen Encoders durchzuführen, die Abweichung an jeder Position aufzuzeichnen und eine Kompensationstabelle zu erstellen. Suchen Sie während des tatsächlichen Betriebs nach der Korrektur basierend auf der aktuellen Position.

Diese Methode eliminiert effektiv periodische Phasenabweichungen, hat jedoch nur begrenzte Auswirkungen auf zusätzliche dynamische Abweichungen, die bei hoher Geschwindigkeit auftreten.

(2) Dynamische Phasenkompensation

Wenn Abweichungen hauptsächlich durch eine feste Verzögerung in der Signalkette verursacht werden, berechnen Sie die Winkelverzögerung wie folgt:

Dabei ist  w  die Winkelgeschwindigkeit und t _d die Gesamtsystemverzögerung. Leiten Sie diese Kompensation auf den Abtriebswinkel weiter, wodurch die Hochgeschwindigkeitsgenauigkeit innerhalb eines bestimmten Geschwindigkeitsbereichs deutlich verbessert werden kann.

(3) Adaptive Filterung und Beobachter

Bei zufälligem Jitter bei hoher Geschwindigkeit verwenden Sie Kalman-Filter, Sliding-Mode-Beobachter oder ähnliche Methoden, um den Encoderwinkel mit einem Motormodell zu verknüpfen und so hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken und gleichzeitig das wahre Winkelsignal beizubehalten.

(4) Temperaturkompensation

Temperaturbedingte Änderungen der Remanenz beeinflussen die Signalamplitude. Platzieren Sie einen Temperatursensor in der Nähe des Encoders, um ein Temperatur-Amplituden-/Phasen-Kompensationsmodell zu erstellen und eine Echtzeitkorrektur anzuwenden.

IV. Kurze Fallstudie zur Fehlerbehebung

Ein Servomotor wies bei 15.000 U/min eine periodische Phasenabweichung von etwa 3,5° von seinem magnetischen Encoder auf, was zu Stromschleifenschwingungen führte. Das Team folgte diesen Schritten:

1. Mechanische Prüfung : Die Koaxialität des Rings wurde mit 0,08 mm ermittelt; Nach dem erneuten Einbau reduzierte er sich auf 0,03 mm und die Abweichung sank auf 2,1°.

2. Sensoraustausch : Der Standard-Hall-Sensor wurde durch einen TMR-Differenzialsensor mit höherer Bandbreite ersetzt und die Filtergrenzfrequenz wurde von 20 kHz auf 100 kHz angehoben – die Abweichung wurde weiter auf 0,9° reduziert.

3. Algorithmuskompensation : Feedforward-Kompensation mit fester Verzögerung wurde hinzugefügt, gefolgt von einer Vollkreis-Offline-Kalibrierung auf dem Prüfstand. Die endgültige Hochgeschwindigkeits-Phasenabweichung wurde auf  0,3° kontrolliert und erfüllte damit die Kontrollanforderungen.

Dieser Fall zeigt, dass  eine einzelne Maßnahme oft nur einen Teil des Problems löst – eine Kombination aus mechanischen, elektrischen und algorithmischen Verbesserungen liefert die besten Ergebnisse.

Abschluss

Die Phasenabweichung des Magnetrings in einem magnetischen Encodersensor eines Roboters bei hoher Geschwindigkeit ist von Natur aus ein multifaktorielles Problem. Mechanische Installationsfehler, unzureichende Sensorbandbreite, Signalverzögerungen, verschlechterte Magnetfeldqualität und elektromagnetische Störungen werden mit hoher Geschwindigkeit verstärkt.

Befolgen Sie bei der Fehlerbehebung die Reihenfolge:  zuerst die Mechanik, dann die Elektrik, dann die Algorithmen :

·  Stellen Sie zunächst sicher, dass die Koaxialität, der dynamische Ausgleich und der Luftspalt stabil sind.

·  Optimieren Sie anschließend die Sensorauswahl und die Signalkette, um saubere Signale mit geringer Verzögerung zu gewährleisten.

·  Verwenden Sie abschließend Kalibrierungs- und Kompensationsalgorithmen, um Restfehler zu „feinabstimmen“.

Bei den meisten Hochgeschwindigkeitsanwendungen kann die Phasenabweichung des magnetischen Encoders nach einer solchen systematischen Behebung in einem akzeptablen Bereich gehalten werden, sodass das Servosystem auch bei hohen Geschwindigkeiten stabil und genau bleibt.