Kuidas lahendada magnetkoodiketta nurga triivimine roboti magnetkodeerija andurites?

Kõrge täpsusega liikumisjuhtimise rakendustes, nagu robotliigendid, servomootorid ja kardaanid, muutuvad magnetkodeerijad tänu nende kontaktivabale toimimisele, saasteainetele vastupidavusele ja kompaktsele suurusele üha enam põhilisteks asenditagasisideseadmeteks. Kuid paljud insenerid puutuvad praktikas kokku masendava probleemiga –  nurga triiviga : nurga näit 'eksib' aeglaselt isegi siis, kui mootor seisab või täpsus halveneb oluliselt temperatuurimuutustega. Kust tuleb magnetkoodiketta nurga triiv ja kuidas seda parandada?

1. Mis on nurgatriiv ja kust see tuleb?

A magnetkooder tuvastab mootori võllile kinnitatud püsimagneti pöörleva magnetvälja, väljastab siinus/koosinussignaalid 90° faasierinevusega ja arvutab seejärel nurga arktangensi funktsiooni abil. Teoreetiliselt on see täiuslik mõõtmisahel. Tegelikkuses aga põhjustavad mitmesugused mitteideaalsed tegurid nurga näidu tegelikust väärtusest kõrvalekaldumist – see on 'nurga triiv'.

Kokkuvõttes tuleneb nurga triiv kolmest peamisest aspektist:

1.1 Mehaanilise paigalduse vead

See on kõige levinum süüdlane. Radiaalne nihe magneti ja anduri sensori keskpunkti vahel (ekstsentrilisus), pöörlemistelje ja kiibi normaalse vaheline nurk (kalle) ning liigne või kõikuv õhupilu moonutavad magnetvälja signaali otseselt. Näiteks 0,3 mm ekstsentrilisus võib tekitada nurgavea ±2,1°. Lisaks võib ebaühtlane magnetiseerimine või ebakorrapärane magneti kuju põhjustada tajutava välja kõrvalekalde ideaalsest siinuslainekujust.

1.2 Ümbritseva õhu temperatuuri kõikumised

Halli andurite ja signaalitöötlusahelate omadused muutuvad koos temperatuuriga. Temperatuuri tõustes magneti väljatugevus väheneb, kiibi nihkepinge triivib ja ADC võrdluspinge kõigub – need tegurid koos tekitavad nurganäidus olulise temperatuuri triivi. Tegelikud mõõtmised näitavad, et erineva magnetikvaliteediga võib nullpunkti temperatuuri triiv halveneda +0,02 °/℃ kuni +0,15 °/℃.

1.3 Välised häired ja dünaamilised tegurid

Ristsuunaline segav magnetväli nihutab Lissajouse figuuri keskpunkti, põhjustades vigu peaaegu kõigi nurkade all, välja arvatud 0° ja 180°. Lisaks võivad dünaamilised reageerimisviivitused mootori kiirel töötamisel ja toiteallika pulsatsioonist tulenev signaalimüra muuta nurga lugemise värisema ja muutuda ebastabiilseks.

2. Lahendused: riistvara, kalibreerimise ja algoritmide kombinatsioon

Nurgatriivi lahendamiseks ei ole ühtegi 'võlukuuli'. Koordineeritud lähenemine on vajalik kolmel tasandil: mehaaniline paigaldamine, kiibi kalibreerimine ja algoritmiline kompenseerimine.

Tase 1: Solid Hardware Foundation – peatage vead allikas

Täpne paigaldamine on esimene kaitseliin.  Magnetkodeerijad on paigaldustolerantside suhtes üsna tundlikud. Üldiselt tuleks õhupilu hoida vahemikus 1,0 mm kuni 3,0 mm (optimaalne on 2,0 mm), koaksiaalsuse ekstsentrilisus ≤ 0,05 mm ja kaldenurk ≤ 3°. Paigaldamise ajal kasutage kalibreerimiseks sihvermõõturit või laserjoondustööriista. Samuti hoidke koodrit eemal tugevatest magnetiliste häirete allikatest, nagu mootori mähised ja jõutransistorid; vajadusel lisa Permalloy magnetkaitse.

Magneti valik on samuti kriitiline.  Valige ühe paari aksiaalne magnetiseeriv ringmagnet, mille pinnaväljatugevus on vahemikus 300 mT kuni 500 mT. Madala kvaliteediga magnetitel pole mitte ainult ebaühtlased väljad, vaid ka halvad temperatuuriomadused, mis halvendavad otseselt triivi.

Toiteallikas ja PCB projekteerimine peavad järgima head tava.  Toite pulsatsiooni tuleks reguleerida 10 mV piires ning SPI signaaliliinid peaksid olema lühikesed, võrdse pikkusega ja puhtalt marsruuditud. Ärge asetage kiibi alla vasejääke ega -jälgi, et vähendada parasiitmahtuvuse häireid magnetitundlike elementide töös.

Tase 2: kasutage kiibi kalibreerimisest maksimumi – tehke tehase täpsus praktikas

Kaasaegsed magnetkooderi kiibid sisaldavad tavaliselt mitut kalibreerimisetappi, mis on kõige otsesem viis nurga triivi käsitlemiseks.

Tehase kalibreerimine (kiibi tase):  kiibi testimise ajal teostab kiibi tootja juba alalisvoolu nihke kompenseerimist, amplituudi tasakaalustamatuse korrigeerimist ja kvadratuursete vigade korrigeerimist, kusjuures parameetrid on salvestatud kiibile EEPROM-i. See on täpsuse 'vundament'.

Kasutaja isekalibreerimine (süsteemi tase):  pärast paigaldamist pöörake mootorit ühe täispöörde võrra püsiva kiirusega. Sisseehitatud DSP kogub nurgaandmeid täispöörde jooksul ning tuvastab ja kompenseerib automaatselt paigalduse ekstsentrilisuse, õhuvahe erinevused ja muud vead. Paljud kiibid toetavad ühe klõpsuga päästikut ilma välist hosti vajamata, mis on väga tootmissõbralik.

Dünaamiline temperatuuri triivi kompenseerimine:  kiip jälgib temperatuuri reaalajas. Kui temperatuur kaldub kalibreeritud väärtusest kõrvale, rakendab see nurga korrigeerimiseks automaatselt temperatuuri kompensatsioonikoefitsienti. Näiteks Naxin Micro MT6835 kasutab kolmeastmelist kalibreerimissüsteemi, et hoida kogu temperatuurivahemiku triivi ±0,08° piires.

Tase 3: Algoritmiline kompenseerimine – täpsuse edasine parandamine

Veelgi suuremat täpsust nõudvate rakenduste jaoks on vaja täiendavat algoritmilist kompensatsiooni.

Adaptiivne võrgukalibreerimine:  traditsiooniline off-line kalibreerimine fikseerib kompensatsiooniparameetrid ega suuda kohaneda temperatuurimuutustest või magneti vananemisest tingitud pikaajalise triiviga. Recursive Least Squares (RLS) põhinev adaptiivne algoritm suudab kompensatsiooni parameetreid reaalajas värskendada, hoides nurga vea ±0,05° piires kogu temperatuurivahemikus (–40 ℃ kuni +125 ℃).

Kalmani filtreerimine müra vähendamiseks:  nurgavärinat põhjustava kõrgsagedusliku müra jaoks summutab Kalmani filter tõhusalt vaatlusmüra ja parandab nurga väljundi stabiilsust.

Närvivõrgu kompenseerimine:  temperatuuritriivi karakteristikutega sobitamiseks saab luua närvivõrgu mudeli; pärast piiratud arvu treeningute kordusi saavutab see ülitäpse adaptiivse temperatuuri triivi korrigeerimise.

3. Reaalmaailma jõudlus – kui hea see võib olla?

Kombineeritud lähenemisviisiga 'riistvara paigaldamine + kiibi kalibreerimine + algoritmiline kompensatsioon' suudavad kaasaegsed magnetkodeerijad saavutada märkimisväärselt suure täpsuse:

• MT6816 saavutab süsteemitasemel integreeritud nurga vea  ±0,03° piires.

• MT6835 parandab pärast kalibreerimist oma integraalset mittelineaarsust (INL) ±1°-lt  < ±0,07° -le, täistemperatuuri triiviga  < ±0,08°.

• Mõned tipplahendused võivad isegi optimeerida INL-i väärtuseni  ±0,03° , mis vastab kardaanide ja servode jaoks nõutavale ±0,05° taseme täpsusele.

4. Kokkuvõte ja väljavaade

Sisuliselt on magnetkoodi ketta nurga triiv tingitud mehaanilistest, termilistest, elektromagnetilistest ja muudest magnetväljasignaali mõjutavatest häiretest. Ei ole ühtset kõikehõlmavat ravi; lahendus peaks järgima põhimõtet  'riistvara kui alus, kalibreerimine kui põhiosa ja algoritmid kui viimistleja' :

1. Paigaldustäpsus on aluseks  – tähelepanuta ei saa jätta õhuvahet, koaksiaalsust ja magneti valikut.

2. Kiibi kalibreerimine on peamine tööriist  – kasutage täielikult tehase kalibreerimist ja kasutaja enesekalibreerimist.

3. Algoritmiline kompenseerimine on edasijõudnud samm  – nõudlike stsenaariumide jaoks võtke kasutusele adaptiivne filtreerimine ja võrgukalibreerimine.

Kuna kiipide integreerimine suureneb ja AI-algoritmid võetakse kasutusele, arenevad tulevased magnetkodeerijad  'isetundliku, isekalibreeriva ja isekompenseeriva'  võimaluste poole. Sel hetkel ei valmista nurgatriiv enam inseneridele peavalu ning robotliidete täpsus ja töökindlus saavutavad uued kõrgused.