Από πού προέρχεται η απόκλιση φάσης ενός περιστρεφόμενου μαγνητικού δακτυλίου υψηλής ταχύτητας; – Οδηγός αντιμετώπισης προβλημάτων για αισθητήρα μαγνητικού κωδικοποιητή ρομπότ

Σε εφαρμογές ελέγχου κίνησης υψηλής απόδοσης όπως σερβοκινητήρες, αρθρώσεις ρομπότ και ηλεκτρικές άξονες, μαγνητικές Οι κωδικοποιητές κερδίζουν δημοτικότητα λόγω του μικρού τους μεγέθους, της αντοχής στο λάδι, της ανοχής σε κραδασμούς και του χαμηλού κόστους. Ωστόσο, πολλοί μηχανικοί αντιμετωπίζουν ένα ακανθώδες πρόβλημα κατά τη διάρκεια της δοκιμής περιστροφής υψηλής ταχύτητας:  η γωνία που αναφέρεται από τον κωδικοποιητή αποκλίνει από την πραγματική θέση του ρότορα -μια 'απόκλιση φάσης'  που επιδεινώνεται με την αύξηση της ταχύτητας. Σε χαμηλές ταχύτητες μπορεί να προκαλέσει μόνο ελαφρύ κυματισμό ταχύτητας και αυξημένο θόρυβο, αλλά σε υψηλές ταχύτητες μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια του ελέγχου.

I. Πώς ένας αισθητήρας μαγνητικού κωδικοποιητή ρομπότ 'Βλέπει' τη γωνία;

Ας δούμε εν συντομία τη βασική δομή ενός μαγνητικού κωδικοποιητή.

Ένας τυπικός μαγνητικός κωδικοποιητής αποτελείται από τρία μέρη:

1. Μαγνητικός δακτύλιος : τοποθετημένος στο άκρο του ρότορα ή στην προέκταση του άξονα, με πολλαπλά ζεύγη πόλων (N/S εναλλασσόμενα) κατανεμημένα γύρω από την περιφέρειά του.

2. Μαγνητικός αισθητήρας : συνήθως Hall, AMR, GMR, TMR, κ.λπ., τοποθετημένος κοντά στην επιφάνεια του δακτυλίου για να ανιχνεύει τις διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου.

3. Κύκλωμα επεξεργασίας σήματος : ενισχύει, διαμορφώνει και παρεμβάλλει τα αδύναμα σήματα του αισθητήρα, εξάγοντας τελικά παλμούς γωνίας ή τετραγωνισμού.

Καθώς ο μαγνητικός δακτύλιος περιστρέφεται, ο αισθητήρας ανιχνεύει περιοδικές αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο και εξάγει σχεδόν ημιτονοειδή/συνημιτονοειδή σήματα. Με την επίλυση της φάσης αυτών των δύο σημάτων, προκύπτει η γωνία του δρομέα.

Στην ιδανική περίπτωση, η κατανομή του μαγνητικού πεδίου είναι τέλεια ημιτονοειδής και η έξοδος του αισθητήρα αντιστοιχεί αυστηρά στη μηχανική γωνία. Ωστόσο, κατά την περιστροφή υψηλής ταχύτητας, αυτή η 'ιδανική αντιστοιχία' διακόπτεται από πολλούς παράγοντες και προκύπτει απόκλιση φάσης.

II. Τι είναι η απόκλιση φάσης και γιατί γίνεται πιο έντονη σε υψηλή ταχύτητα;

Με απλά λόγια,  η απόκλιση φάσης είναι η διαφορά μεταξύ 'της γωνίας που γίνεται αντιληπτή από τον κωδικοποιητή' και 'της πραγματικής γωνίας του δρομέα'.

Για παράδειγμα, εάν ο ρότορας είναι στην πραγματικότητα στις 30°, αλλά ο κωδικοποιητής βγάζει 32°, αυτή η 2° είναι απόκλιση φάσης. Σε χαμηλή ταχύτητα, αυτή η απόκλιση μπορεί να είναι μόνο 0,1° και ελάχιστα αισθητή. αλλά καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, η απόκλιση μπορεί να ενισχυθεί σε αρκετούς βαθμούς ή ακόμα και πάνω από δέκα μοίρες, υποβαθμίζοντας σημαντικά την απόδοση του ελέγχου.

Γιατί η απόκλιση ενισχύεται σε υψηλή ταχύτητα; Οι κύριοι λόγοι είναι οι εξής.

1. Τα σφάλματα μηχανικής εγκατάστασης 'μεγεθύνονται'

Η τέλεια ομοαξονική ευθυγράμμιση μεταξύ του μαγνητικού δακτυλίου και του άξονα είναι αδύνατη. Ας υποθέσουμε ότι ο δακτύλιος έχει εκκεντρότητα 0,05 mm -σε χαμηλή ταχύτητα, ο αισθητήρας μπορεί ακόμα να ανεχθεί την παραμόρφωση του πεδίου που προκύπτει. σε υψηλή ταχύτητα, η φυγόκεντρη δύναμη και η δόνηση αυξάνουν την εκκεντρότητα, παραμορφώνοντας τη μαγνητική κυματομορφή και προκαλώντας περιοδική απόκλιση φάσης.

Ομοίως, η διαρροή της ακραίας επιφάνειας του δακτυλίου, το αξονικό παιχνίδι και η κακή δυναμική ισορροπία προκαλούν πρόσθετες διαταραχές υψηλής συχνότητας σε υψηλή ταχύτητα.

2. Η ταχύτητα απόκρισης του αισθητήρα είναι ανεπαρκής

Καθώς η ταχύτητα του δακτυλίου αυξάνεται, η συχνότητα της μεταβολής του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται ανάλογα. Για παράδειγμα, με έναν δακτύλιο 32 ζευγών πόλων στις 10.000 rpm, η συχνότητα πεδίου είναι περίπου 5,3 kHz. στις 30.000 σ.α.λ., ξεπερνά τα 16 kHz.

Οι αισθητήρες Common Hall μπορεί να έχουν εύρη ζώνης μόνο δεκάδων kHz ή ακόμη χαμηλότερα -σε υψηλή ταχύτητα, το πλάτος εξόδου μειώνεται και οι καθυστερήσεις φάσης, με αποτέλεσμα σφάλματα γωνίας. Ακόμα κι αν ο ίδιος ο αισθητήρας είναι γρήγορος, η υπερβολική καθυστέρηση στα επόμενα κυκλώματα φίλτρου μπορεί επίσης να προκαλέσει καθυστέρηση φάσης.

3. Υποβάθμιση της ποιότητας του μαγνητικού πεδίου του δακτυλίου

Σε υψηλή ταχύτητα, οι απώλειες δινορευμάτων στο εσωτερικό του δακτυλίου προκαλούν τοπική θέρμανση. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η παραμονή και η καταναγκασμός αλλάζουν, μειώνοντας την ένταση του πεδίου και παραμορφώνοντας την κυματομορφή.

Επιπλέον, η ανομοιόμορφη μαγνήτιση, οι υπερβολικά ευρείες ζώνες μετάβασης μεταξύ των πόλων και η ακατάλληλη επιλογή αριθμών ζευγών πόλων αυξάνουν το αρμονικό περιεχόμενο στο μαγνητικό πεδίο σε υψηλή ταχύτητα, μεγεθύνοντας τα σφάλματα υπολογισμού φάσης.

4. Ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και ακεραιότητα σήματος

Σε υψηλή ταχύτητα, τα ρεύματα PWM υψηλής συχνότητας στις περιελίξεις του κινητήρα, τα ρεύματα του άξονα και τις κοντινές γραμμές υψηλής ισχύος δημιουργούν παρεμβολές. Τα αδύναμα σήματα εξόδου του αισθητήρα, μόλις μολυνθούν, προκαλούν τρεμούλιασμα και σφάλματα στην ανίχνευση μηδενικής διασταύρωσης ή στον υπολογισμό φάσης.

III. Στρατηγική αντιμετώπισης προβλημάτων: μηχανικές, ηλεκτρικές και αλγοριθμικές προσεγγίσεις

Για την αντιμετώπιση των παραπάνω αιτιών, μπορούν να γίνουν διορθωτικές ενέργειες σε τρία επίπεδα:  μηχανική εγκατάσταση, αλυσίδα αισθητήρων και σήματος και αντιστάθμιση αλγορίθμου.

1. Μηχανικό επίπεδο - τοποθετήστε πρώτα μια γερή βάση

Πολλά προβλήματα απόκλισης φάσης δεν προέρχονται από ηλεκτρονικά αλλά από μηχανική εγκατάσταση.

(1) Αυστηρά ελέγξτε την ομοαξονικότητα και τη διαρροή τελικής όψης

Μετά την τοποθέτηση του μαγνητικού δακτυλίου, η ομοαξονικότητα θα πρέπει να διατηρείται εντός  0,03–0,05 mm και η διαρροή τελικής όψης εντός  0,02 mm . Χρησιμοποιήστε εξάρτημα συρρίκνωσης, συγκόλληση κόλλας ή ειδικά εξαρτήματα για τοποθέτηση και αποφύγετε το σφυρί που θα μπορούσε να γείρει τον δακτύλιο.

(2) Εκτελέστε δυναμική εξισορρόπηση

Αν και ο δακτύλιος είναι ελαφρύς, η φυγόκεντρος δύναμη σε υψηλή ταχύτητα δεν είναι αμελητέα. Μετά την εγκατάσταση, πραγματοποιήστε συνολική δυναμική εξισορρόπηση για να μειώσετε τα σφάλματα σήματος που προκαλούνται από κραδασμούς.

(3) Αποφύγετε τις αξονικές δυνάμεις στον μαγνητικό δακτύλιο

Εάν ο δακτύλιος βρίσκεται κοντά στο ακραίο κάλυμμα του κινητήρα ή στα ρουλεμάν, η θερμική διαστολή σε υψηλή ταχύτητα μπορεί να προκαλέσει αξονική μετατόπιση. Διατηρήστε το κατάλληλο αξονικό διάκενο στη σχεδίαση ή υιοθετήστε μια ελαστική δομή προφόρτισης.

2. Ηλεκτρική αλυσίδα και αλυσίδα σημάτων - κρατήστε τα σήματα καθαρά και έγκαιρα

(1) Επιλέξτε τον σωστό τύπο αισθητήρα

Για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας, προτιμήστε  αισθητήρες TMR ή GMR , καθώς το εύρος ζώνης τους φτάνει συνήθως τα εκατοντάδες kHz ή ακόμα και τα MHz - πολύ υψηλότερο από τους συνηθισμένους αισθητήρες Hall. Βεβαιωθείτε επίσης ότι η μαγνητική ευαισθησία και το πεδίο κορεσμού του αισθητήρα ταιριάζουν με τα χαρακτηριστικά του δακτυλίου.

(2) Χρησιμοποιήστε έξοδο διαφορικού σήματος

Η διαφορική έξοδος καταστέλλει τις παρεμβολές κοινής λειτουργίας και βελτιώνει την ακεραιότητα του σήματος. Εάν ο αισθητήρας παρέχει μόνο έξοδο μονού άκρου, προσθέστε μια βαθμίδα διαφορικού ενισχυτή στο μπροστινό μέρος.

(3) Μειώστε την καθυστέρηση φίλτρου

Τα φίλτρα RC και τα ψηφιακά φίλτρα εισάγουν καθυστέρηση φάσης. Σε εφαρμογές υψηλής ταχύτητας, ρυθμίστε τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου αρκετά υψηλή ή χρησιμοποιήστε  γραμμικής φάσης χαμηλής καθυστέρησης .  φίλτρα Για θόρυβο υψηλής συχνότητας που χρειάζεται πραγματικά αφαίρεση, εξετάστε το ενδεχόμενο εξομάλυνσης μετά τον υπολογισμό της γωνίας αντί να υπερφιλτράρετε τα πρωτογενή σήματα.

(4) Βελτιστοποιήστε το διάκενο αέρα μεταξύ δακτυλίου και αισθητήρα

Το υπερβολικό διάκενο αέρα μειώνει το πλάτος του σήματος. ένα πολύ μικρό κενό κινδυνεύει να τρίψει λόγω κραδασμών σε υψηλή ταχύτητα. Συνήθως επιλέξτε ένα διάκενο αέρα  0,3–1,0 mm  με βάση τις προδιαγραφές του δακτυλίου και την ευαισθησία του αισθητήρα και προσδιορίστε τη βέλτιστη τιμή πειραματικά.

(5) Εφαρμόστε κατάλληλη θωράκιση και γείωση

Χρησιμοποιήστε θωρακισμένα καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους για την καλωδίωση αισθητήρα, γειώστε τη θωράκιση σε ένα μόνο σημείο και κρατήστε το καλώδιο μακριά από γραμμές τροφοδοσίας κινητήρα και ίχνη υψηλού ρεύματος για να μειώσετε την ηλεκτρομαγνητική σύζευξη.

3. Επίπεδο αλγορίθμου -χρησιμοποιήστε 'λογισμικό' για να αντισταθμίσετε τις ελλείψεις 'υλισμικού'

Μετά από βελτιώσεις υλικού, οι υπολειπόμενες αποκλίσεις μπορούν να διορθωθούν περαιτέρω με αλγόριθμους.

(1) Βαθμονόμηση εκτός σύνδεσης και αντιστάθμιση πίνακα αναζήτησης

Κάτω από συνθήκες χαμηλής ταχύτητας, σταθερής κατάστασης, χρησιμοποιήστε έναν κωδικοποιητή αναφοράς υψηλής ακρίβειας (π.χ. οπτικό κωδικοποιητή) για να εκτελέσετε βαθμονόμηση πλήρους κύκλου του μαγνητικού κωδικοποιητή, να καταγράψετε την απόκλιση σε κάθε θέση και να δημιουργήσετε έναν πίνακα αντιστάθμισης. Κατά τη διάρκεια της πραγματικής λειτουργίας, αναζητήστε τη διόρθωση με βάση την τρέχουσα θέση.

Αυτή η μέθοδος εξαλείφει αποτελεσματικά τις περιοδικές αποκλίσεις φάσης, αλλά έχει περιορισμένη επίδραση σε πρόσθετες δυναμικές αποκλίσεις που εμφανίζονται σε υψηλή ταχύτητα.

(2) Αντιστάθμιση δυναμικής φάσης

Εάν οι αποκλίσεις προκύπτουν κυρίως από μια σταθερή καθυστέρηση στην αλυσίδα σήματος, υπολογίστε την καθυστέρηση γωνίας ως εξής:

όπου  w  είναι η γωνιακή ταχύτητα και t _d η συνολική καθυστέρηση του συστήματος. Τροφοδοτήστε αυτήν την αντιστάθμιση προς τα εμπρός στη γωνία εξόδου, η οποία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια υψηλής ταχύτητας εντός ενός συγκεκριμένου εύρους στροφών.

(3) Προσαρμοστικό φιλτράρισμα και παρατηρητές

Για τυχαίο jitter σε υψηλή ταχύτητα, χρησιμοποιήστε φίλτρα Kalman, παρατηρητές συρόμενης λειτουργίας ή παρόμοιες μεθόδους για να συγχωνεύσετε τη γωνία του κωδικοποιητή με ένα μοντέλο κινητήρα, καταστέλλοντας τον θόρυβο υψηλής συχνότητας διατηρώντας παράλληλα το σήμα πραγματικής γωνίας.

(4) Αντιστάθμιση θερμοκρασίας

Οι αλλαγές στην παραμονή που προκαλούνται από τη θερμοκρασία επηρεάζουν το πλάτος του σήματος. Τοποθετήστε έναν αισθητήρα θερμοκρασίας κοντά στον κωδικοποιητή για να δημιουργήσετε ένα μοντέλο αντιστάθμισης πλάτους θερμοκρασίας/φάσης και να εφαρμόσετε διόρθωση σε πραγματικό χρόνο.

IV. Σύντομη μελέτη περίπτωσης αντιμετώπισης προβλημάτων

Ένας σερβοκινητήρας εμφάνισε μια περιοδική απόκλιση φάσης περίπου 3,5° από τον μαγνητικό του κωδικοποιητή στις 15.000 rpm, προκαλώντας ταλάντωση βρόχου ρεύματος. Η ομάδα ακολούθησε τα εξής βήματα:

1. Μηχανική επιθεώρηση : Η ομοαξονικότητα του δακτυλίου βρέθηκε να είναι 0,08 mm. μετά την επανεγκατάσταση μειώθηκε στα 0,03 mm και η απόκλιση μειώθηκε στις 2,1°.

2. Αντικατάσταση αισθητήρα : Ο τυπικός αισθητήρας Hall αντικαταστάθηκε με έναν διαφορικό αισθητήρα TMR υψηλότερου εύρους ζώνης και η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου αυξήθηκε από 20 kHz σε 100 kHz - η απόκλιση μειώθηκε περαιτέρω σε 0,9°.

3. Αντιστάθμιση αλγορίθμου : Προστέθηκε αντιστάθμιση τροφοδοσίας σταθερής καθυστέρησης, ακολουθούμενη από βαθμονόμηση εκτός σύνδεσης πλήρους κύκλου στον πάγκο δοκιμών. Η τελική απόκλιση φάσης υψηλής ταχύτητας ελεγχόταν εντός  0,3° , πληρώντας τις απαιτήσεις ελέγχου.

Αυτή η περίπτωση δείχνει ότι  ένα μόνο μέτρο συχνά λύνει μόνο μέρος του προβλήματος - ένας συνδυασμός μηχανικών, ηλεκτρικών και αλγοριθμικών βελτιώσεων αποδίδει τα καλύτερα αποτελέσματα.

Σύναψη

Η απόκλιση φάσης του μαγνητικού δακτυλίου σε έναν αισθητήρα μαγνητικού κωδικοποιητή ρομπότ σε υψηλή ταχύτητα είναι εγγενώς ένα πολυπαραγοντικό πρόβλημα. Τα σφάλματα μηχανικής εγκατάστασης, το ανεπαρκές εύρος ζώνης του αισθητήρα, οι καθυστερήσεις σήματος, η υποβαθμισμένη ποιότητα του μαγνητικού πεδίου και οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές ενισχύονται σε υψηλή ταχύτητα.

Κατά την αντιμετώπιση προβλημάτων, ακολουθήστε την ακολουθία:  πρώτα μηχανικά, μετά ηλεκτρικά και μετά αλγόριθμοι :

·  Πρώτον, βεβαιωθείτε ότι η ομοαξονικότητα, η δυναμική εξισορρόπηση και το διάκενο αέρα έχουν σταθεροποιηθεί.

·  Στη συνέχεια, βελτιστοποιήστε την επιλογή αισθητήρα και την αλυσίδα σήματος για να εγγυηθείτε καθαρά σήματα χαμηλής καθυστέρησης.

·  Τέλος, χρησιμοποιήστε αλγόριθμους βαθμονόμησης και αντιστάθμισης για να 'βελτιστοποιήσετε' τα υπολειπόμενα σφάλματα.

Για τις περισσότερες εφαρμογές υψηλής ταχύτητας, μετά από μια τέτοια συστηματική αποκατάσταση, η απόκλιση φάσης του μαγνητικού κωδικοποιητή μπορεί να διατηρηθεί σε ένα αποδεκτό εύρος, επιτρέποντας στο σερβο σύστημα να παραμένει σταθερό και ακριβές ακόμη και σε υψηλές ταχύτητες.