¿De dónde proviene la desviación de fase de un anillo magnético giratorio de alta velocidad? – Guía de solución de problemas para el sensor codificador magnético del robot

En aplicaciones de control de movimiento de alto rendimiento, como servomotores, articulaciones de robots y husillos eléctricos, magnético Los codificadores están ganando popularidad debido a su pequeño tamaño, resistencia al aceite, tolerancia a las vibraciones y bajo costo. Sin embargo, muchos ingenieros encuentran un problema espinoso durante las pruebas de rotación de alta velocidad:  el ángulo informado por el codificador se desvía de la posición real del rotor, una 'desviación de fase'  que empeora con el aumento de la velocidad. A bajas velocidades puede provocar sólo una ligera fluctuación de velocidad y un aumento de ruido, pero a altas velocidades puede provocar inestabilidad en el control.

I. ¿Cómo 've' el ángulo un sensor codificador magnético de robot?

Repasemos brevemente la estructura básica de un codificador magnético.

Un codificador magnético típico consta de tres partes:

1. Anillo magnético : montado en el extremo del rotor o extensión del eje, con múltiples pares de polos (N/S alternados) distribuidos por su circunferencia.

2. Sensor magnético : comúnmente Hall, AMR, GMR, TMR, etc., colocado cerca de la superficie del anillo para detectar variaciones del campo magnético.

3. Circuito de procesamiento de señales : amplifica, acondiciona e interpola las señales débiles del sensor y, en última instancia, genera pulsos de ángulo o cuadratura.

A medida que el anillo magnético gira, el sensor detecta cambios periódicos en el campo magnético y emite señales cuasi sinusoidales/cosinusoidales. Resolviendo la fase de estas dos señales se obtiene el ángulo del rotor.

Idealmente, la distribución del campo magnético es perfectamente sinusoidal y la salida del sensor corresponde estrictamente al ángulo mecánico. Sin embargo, bajo rotación de alta velocidad, esta 'correspondencia ideal' se ve alterada por múltiples factores y surge una desviación de fase.

II. ¿Qué es la desviación de fase y por qué se vuelve más pronunciada a alta velocidad?

En pocas palabras,  la desviación de fase es la diferencia entre 'el ángulo percibido por el codificador' y 'el ángulo verdadero del rotor'..

Por ejemplo, si el rotor está realmente a 30° pero el codificador genera 32°, esos 2° son una desviación de fase. A baja velocidad, esta desviación puede ser de sólo 0,1° y apenas perceptible; pero a medida que aumenta la velocidad, la desviación puede amplificarse hasta varios grados o incluso más de diez grados, degradando significativamente el rendimiento del control.

¿Por qué la desviación se amplifica a alta velocidad? Las principales razones son las siguientes.

1. Los errores de instalación mecánica se 'magnifican'

Es imposible una alineación coaxial perfecta entre el anillo magnético y el eje. Supongamos que el anillo tiene una excentricidad de 0,05 mm; a baja velocidad, el sensor aún puede tolerar la distorsión de campo resultante; a alta velocidad, la fuerza centrífuga y la vibración aumentan la excentricidad, distorsionando la forma de onda magnética y provocando una desviación de fase periódica.

De manera similar, el descentramiento de la cara del extremo del anillo, el juego axial y el equilibrio dinámico deficiente introducen perturbaciones adicionales de alta frecuencia a alta velocidad.

2. La velocidad de respuesta del sensor es insuficiente.

A medida que aumenta la velocidad del anillo, la frecuencia de variación del campo magnético aumenta en consecuencia. Por ejemplo, con un anillo de 32 pares de polos a 10.000 rpm, la frecuencia de campo es de aproximadamente 5,3 kHz; a 30.000 rpm, supera los 16 kHz.

Los sensores Hall comunes pueden tener anchos de banda de sólo decenas de kHz o incluso menos; a alta velocidad, la amplitud de salida se atenúa y se retrasa la fase, lo que resulta en errores de ángulo. Incluso si el sensor en sí es rápido, un retraso excesivo en los circuitos de filtro posteriores también puede causar un retraso de fase.

3. Degradación de la calidad del campo del anillo magnético.

A alta velocidad, las pérdidas por corrientes parásitas dentro del anillo provocan un calentamiento localizado. A medida que aumenta la temperatura, la remanencia y la coercitividad cambian, lo que reduce la intensidad del campo y distorsiona la forma de onda.

Además, la magnetización no uniforme, las zonas de transición excesivamente amplias entre los polos y la selección inadecuada de los números de pares de polos aumentan el contenido armónico en el campo magnético a alta velocidad, aumentando los errores de cálculo de fases.

4. Interferencia electromagnética e integridad de la señal.

A alta velocidad, las corrientes PWM de alta frecuencia en los devanados del motor, las corrientes del eje y las líneas de alta potencia cercanas generan interferencias. Las débiles señales de salida del sensor, una vez contaminadas, provocan fluctuaciones y errores en la detección de cruce por cero o en el cálculo de fase.

III. Estrategia de resolución de problemas: enfoques mecánicos, eléctricos y algorítmicos

Para abordar las causas anteriores, se pueden tomar acciones correctivas en tres niveles:  instalación mecánica, cadena de sensores y señales, y compensación de algoritmos..

1. Nivel mecánico: primero coloque una base sólida

Muchos problemas de desviación de fase no se originan en la electrónica sino en la instalación mecánica.

(1) Controle estrictamente la coaxialidad y el descentramiento del extremo

Después de montar el anillo magnético, la coaxialidad debe mantenerse entre  0,03 y 0,05 mm y la desviación del extremo entre  0,02 mm . Utilice ajuste por contracción, unión adhesiva o accesorios específicos para el posicionamiento y evite martillazos que podrían inclinar el anillo.

(2) Realizar equilibrio dinámico

Aunque el anillo es liviano, la fuerza centrífuga a alta velocidad no es despreciable. Después de la instalación, realice un equilibrio dinámico general para reducir los errores de señal inducidos por la vibración.

(3) Evite fuerzas axiales en el anillo magnético.

Si el anillo está cerca de la cubierta del extremo del motor o de los cojinetes, la expansión térmica a alta velocidad puede provocar un desplazamiento axial. Reserve un juego axial apropiado en el diseño o adopte una estructura de precarga elástica.

2. Cadena eléctrica y de señales: mantenga las señales limpias y oportunas

(1) Elija el tipo de sensor correcto

Para aplicaciones de alta velocidad, prefiera  los sensores TMR o GMR , ya que su ancho de banda suele alcanzar cientos de kHz o incluso MHz, mucho más que los sensores Hall normales. Asegúrese también de que la sensibilidad magnética y el campo de saturación del sensor coincidan con las características del anillo.

(2) Utilice salida de señal diferencial

La salida diferencial suprime la interferencia de modo común y mejora la integridad de la señal. Si el sensor solo proporciona una salida de un solo extremo, agregue una etapa de amplificador diferencial en el extremo frontal.

(3) Reducir el retraso del filtro

Los filtros RC y los filtros digitales introducen un retraso de fase. En aplicaciones de alta velocidad, establezca la frecuencia de corte del filtro lo suficientemente alta o utilice filtros  de fase lineal de bajo retardo  . Para el ruido de alta frecuencia que realmente necesita eliminación, considere suavizar después del cálculo del ángulo en lugar de filtrar excesivamente las señales sin procesar.

(4) Optimice el espacio de aire entre el anillo y el sensor.

Un espacio de aire excesivo reduce la amplitud de la señal; un espacio demasiado pequeño corre el riesgo de rozar debido a la vibración a alta velocidad. Normalmente, elija un espacio de aire de  0,3 a 1,0 mm  según las especificaciones del anillo y la sensibilidad del sensor, y determine el valor óptimo experimentalmente.

(5) Implementar blindaje y conexión a tierra adecuados

Utilice cables de par trenzado blindados para el cableado del sensor, conecte a tierra el blindaje en un solo punto y mantenga el cable alejado de líneas eléctricas del motor y trazas de alta corriente para reducir el acoplamiento electromagnético.

3. Nivel de algoritmo: utilice 'software' para compensar las deficiencias de 'hardware'

Después de las mejoras del hardware, las desviaciones residuales se pueden corregir mediante algoritmos.

(1) Calibración fuera de línea y compensación de tabla de consulta

En condiciones de estado estable y de baja velocidad, utilice un codificador de referencia de alta precisión (por ejemplo, un codificador óptico) para realizar la calibración de círculo completo del codificador magnético, registrar la desviación en cada posición y crear una tabla de compensación. Durante la operación real, busque la corrección según la posición actual.

Este método elimina eficazmente las desviaciones de fase periódicas, pero tiene un efecto limitado sobre las desviaciones dinámicas adicionales que aparecen a alta velocidad.

(2) Compensación de fase dinámica

Si las desviaciones surgen principalmente de un retraso fijo en la cadena de señal, calcule el retraso angular mediante:

donde  w  es la velocidad angular y t _d es el retraso total del sistema. Avance esta compensación hasta el ángulo de salida, lo que puede mejorar significativamente la precisión de alta velocidad dentro de un cierto rango de velocidad.

(3) Filtrado adaptativo y observadores.

Para fluctuaciones aleatorias a alta velocidad, utilice filtros de Kalman, observadores de modo deslizante o métodos similares para fusionar el ángulo del codificador con un modelo de motor, suprimiendo el ruido de alta frecuencia y preservando la señal del ángulo real.

(4) Compensación de temperatura

Los cambios en la remanencia inducidos por la temperatura afectan la amplitud de la señal. Coloque un sensor de temperatura cerca del codificador para establecer un modelo de compensación de temperatura-amplitud/fase y aplicar corrección en tiempo real.

IV. Breve estudio de caso de solución de problemas

Un servomotor exhibió una desviación de fase periódica de aproximadamente 3,5° con respecto a su codificador magnético a 15.000 rpm, lo que provocó una oscilación del bucle de corriente. El equipo siguió estos pasos:

1. Inspección mecánica : Se encontró que la coaxialidad del anillo era de 0,08 mm; después de la reinstalación se redujo a 0,03 mm y la desviación cayó a 2,1°.

2. Reemplazo del sensor : el sensor Hall estándar fue reemplazado por un sensor diferencial TMR de mayor ancho de banda y la frecuencia de corte del filtro se elevó de 20 kHz a 100 kHz; la desviación se redujo aún más a 0,9°.

3. Compensación del algoritmo : se agregó una compensación anticipada de retardo fijo, seguida de una calibración fuera de línea de círculo completo en el banco de pruebas. La desviación de fase final de alta velocidad se controló dentro de  0,3° , cumpliendo con los requisitos de control.

Este caso ilustra que  una sola medida a menudo resuelve sólo una parte del problema: una combinación de mejoras mecánicas, eléctricas y algorítmicas produce los mejores resultados..

Conclusión

La desviación de fase del anillo magnético en un sensor codificador magnético de robot a alta velocidad es inherentemente un problema multifactorial. Los errores de instalación mecánica, el ancho de banda insuficiente del sensor, los retrasos en la señal, la calidad degradada del campo magnético y las interferencias electromagnéticas se amplifican a alta velocidad.

Al solucionar problemas, siga la secuencia:  primero la mecánica, luego la eléctrica y luego los algoritmos :

·  En primer lugar, garantizar que la coaxialidad, el equilibrio dinámico y el entrehierro estén sólidamente establecidos;

·  Luego optimice la selección del sensor y la cadena de señales para garantizar señales limpias y con bajo retardo;

·  Finalmente, utilice algoritmos de calibración y compensación para 'afinar' los errores residuales.

Para la mayoría de las aplicaciones de alta velocidad, después de dicha corrección sistemática, la desviación de fase del codificador magnético se puede mantener dentro de un rango aceptable, lo que permite que el servosistema permanezca estable y preciso incluso a altas velocidades.