Kust tuleb suurel kiirusel pöörleva magnetrõnga faasihälve? – Roboti magnetkodeerija anduri tõrkeotsingu juhend

Suure jõudlusega liikumisjuhtimisrakendustes, nagu servomootorid, robotliigendid ja elektrilised spindlid, magnet kodeerijad koguvad populaarsust nende väiksuse, õlikindluse, vibratsioonitaluvuse ja madalate kulude tõttu. Paljud insenerid puutuvad aga suurel kiirusel pöörlemise testimisel kokku keerulise probleemiga:  koodri teatatud nurk erineb rootori tegelikust asendist – 'faasihälve',  mis kiiruse suurenedes süveneb. Madalatel kiirustel võib see põhjustada vaid väikest kiiruse pulsatsiooni ja suurenenud müra, kuid suurel kiirusel võib see põhjustada kontrolli ebastabiilsust.

I. Kuidas roboti magnetkodeerija andur 'näeb' nurka?

Vaatame lühidalt üle magnetkodeerija põhistruktuuri.

Tüüpiline magnetkooder koosneb kolmest osast:

1. Magnetrõngas : paigaldatud rootori otsale või võlli pikendusele, mitme pooluse paariga (vahelduvad N/S) ümber selle ümbermõõdu.

2. Magnetandur : tavaliselt Hall, AMR, GMR, TMR jne, mis asetatakse rõnga pinna lähedale, et tajuda magnetvälja muutusi.

3. Signaalitöötlusahel : võimendab, konditsioneerib ja interpoleerib nõrku anduri signaale, väljastades lõpuks nurga- või kvadratuurimpulsse.

Magnetrõnga pöörlemisel tuvastab andur perioodilisi magnetvälja muutusi ja väljastab kvaasisinusoidseid/kosinusoidseid signaale. Lahendades nende kahe signaali faasi, saadakse rootori nurk.

Ideaalis on magnetvälja jaotus täiesti sinusoidne ja anduri väljund vastab rangelt mehaanilisele nurgale. Kuid kiire pöörlemise korral häirivad seda 'ideaalset kirjavahetust' mitmed tegurid ja ilmnevad faasihälbed.

II. Mis on faasihälve ja miks see suurel kiirusel rohkem väljendub?

Lihtsamalt öeldes  on faasihälve erinevus 'kooderi poolt tajutava nurga' ja 'rootori tegeliku nurga' vahel..

Näiteks kui rootor on tegelikult 30°, aga kooder väljastab 32°, on see 2° faasihälve. Väikesel kiirusel võib see kõrvalekalle olla vaid 0,1° ja vaevumärgatav; kuid kiiruse kasvades võib hälve võimenduda mitme kraadini või isegi üle kümne kraadi, halvendades oluliselt juhtimise jõudlust.

Miks hälve võimendub suurel kiirusel? Peamised põhjused on järgmised.

1. Mehaanilised paigaldusvead on 'suurendatud'

Täiuslik koaksiaalne joondamine magnetrõnga ja võlli vahel on võimatu. Oletame, et rõnga ekstsentrilisus on 0,05 mm - madalal kiirusel talub andur sellest tulenevat väljamoonutust; suurel kiirusel suurendavad tsentrifugaaljõud ja vibratsioon ekstsentrilisust, moonutades magnetlainekuju ja põhjustades perioodilisi faasihälbeid.

Samamoodi põhjustavad rõnga otsapinna väljavool, aksiaalne lõtk ja halb dünaamiline tasakaal suurel kiirusel täiendavaid kõrgsageduslikke häireid.

2. Anduri reageerimiskiirus on ebapiisav

Rõnga kiiruse kasvades suureneb vastavalt ka magnetvälja varieerumise sagedus. Näiteks 32-pooluselise paariga rõngaga kiirusel 10 000 p/min on välja sagedus umbes 5,3 kHz; kiirusel 30 000 pööret minutis ületab see 16 kHz.

Common Halli anduritel võib ribalaius olla vaid kümneid kHz või isegi madalam – suurel kiirusel väljundamplituud nõrgeneb ja faasiviivitused põhjustavad nurgavigu. Isegi kui andur ise on kiire, võib liigne viivitus järgnevates filtriahelates põhjustada ka faasiviivitust.

3. Magnetrõnga välja kvaliteedi halvenemine

Suurel kiirusel põhjustavad pöörisvoolukaod rõnga sees lokaalset kuumenemist. Temperatuuri tõustes muutuvad remanents ja koertsitiivsus, vähendades väljatugevust ja moonutades lainekuju.

Lisaks suurendavad ebaühtlane magnetiseerimine, liiga laiad üleminekutsoonid pooluste vahel ja pooluste paaride arvu ebaõige valik suurendavad suurel kiirusel magnetvälja harmoonilist sisaldust, suurendades faasiarvutusvigu.

4. Elektromagnetilised häired ja signaali terviklikkus

Suurel kiirusel tekitavad häireid kõrgsageduslikud PWM-voolud mootori mähistes, võllivoolud ja lähedalasuvate suure võimsusega liinid. Anduri nõrgad väljundsignaalid, kui need on saastunud, põhjustavad värinat ja tõrkeid nullpunkti tuvastamisel või faasi arvutamisel.

III. Tõrkeotsingu strateegia: mehaanilised, elektrilised ja algoritmilised lähenemisviisid

Ülaltoodud põhjuste kõrvaldamiseks saab parandusmeetmeid võtta kolmel tasandil:  mehaaniline paigaldus, andur ja signaaliahel ning algoritmi kompenseerimine.

1. Mehaaniline tase - kõigepealt lao tugev alus

Paljud faasihälbeprobleemid ei tulene mitte elektroonikast, vaid mehaanilisest paigaldusest.

(1) Kontrollige rangelt koaksiaalsust ja otsapinna väljavoolu

Pärast magnetrõnga paigaldamist peaks koaksiaalsus jääma vahemikku  0,03–0,05 mm ja otsapinna väljavoolu vahemikku  0,02 mm . Kasutage positsioneerimiseks kokkutõmbuvat liitmikku, kleepuvat liimi või spetsiaalseid kinnitusvahendeid ja vältige haamriga löömist, mis võib rõngast kallutada.

(2) Tehke dünaamiline tasakaalustamine

Kuigi rõngas on kerge, ei ole tsentrifugaaljõud suurel kiirusel tähtsusetu. Pärast paigaldamist viige läbi üldine dünaamiline tasakaalustamine, et vähendada vibratsioonist põhjustatud signaalivigu.

(3) Vältige magnetrõngale aksiaalseid jõude

Kui rõngas on mootori otsakatte või laagrite lähedal, võib suurel kiirusel toimuv soojuspaisumine põhjustada aksiaalset nihet. Jälgige konstruktsioonis sobiv aksiaalne kliirens või kasutage elastset eelkoormusstruktuuri.

2. Elektri- ja signaaliahel - hoia signaalid puhtad ja õigeaegsed

(1) Valige õige anduri tüüp

Kiirete rakenduste jaoks eelistage  TMR- või GMR-andureid , kuna nende ribalaius ulatub tavaliselt sadadesse kHz või isegi MHz, mis on palju suurem kui tavalistel Halli anduritel. Samuti veenduge, et anduri magnetiline tundlikkus ja küllastusväli vastaksid rõnga omadustele.

(2) Kasutage diferentsiaalsignaali väljundit

Diferentsiaalväljund summutab tavarežiimi häireid ja parandab signaali terviklikkust. Kui andur annab ainult ühe otsaga väljundit, lisage esiotsa diferentsiaalvõimendi aste.

(3) Vähendage filtri viivitust

RC-filtrid ja digitaalfiltrid toovad sisse faasiviivituse. Kiiretes rakendustes seadke filtri väljalülitussagedus piisavalt kõrgeks või kasutage  väikese viivitusega lineaarfaasifiltreid  . Tõeliselt eemaldamist vajava kõrgsagedusliku müra korral kaaluge nurga arvutamise järel silumist, mitte toorsignaalide ülefiltreerimist.

(4) Optimeerige rõnga ja anduri vaheline õhupilu

Liigne õhuvahe vähendab signaali amplituudi; liiga väike vahe võib suurel kiirusel vibratsiooni tõttu hõõrduda. Tavaliselt valige õhupilu  0,3–1,0 mm ning määrake optimaalne väärtus katseliselt. rõnga spetsifikatsioonide ja anduri tundlikkuse põhjal

(5) Rakendage korralik varjestus ja maandus

Kasutage anduri juhtmestiku jaoks varjestatud keerdpaarkaableid, maandage varjestus ühes punktis ja hoidke kaabel eemal mootori elektriliinidest ja kõrge voolu jälgedest, et vähendada elektromagnetilist sidestust.

3. Algoritmi tase – 'riistvara' puuduste kompenseerimiseks kasutage 'tarkvara'

Pärast riistvara täiustamist saab jääkhälbeid algoritmide abil täiendavalt korrigeerida.

(1) Võrguühenduseta kalibreerimine ja otsingutabeli kompenseerimine

Madala kiirusega püsiseisundi tingimustes kasutage ülitäpset etalonkoodrit (nt optilist kodeerijat), et teostada magnetkooderi täisringi kalibreerimine, registreerida kõrvalekalded igas asendis ja koostada kompensatsioonitabel. Tegeliku töö ajal otsige parandus praeguse asukoha alusel.

See meetod kõrvaldab tõhusalt perioodilised faasihälbed, kuid sellel on piiratud mõju täiendavatele dünaamilistele kõrvalekalletele, mis ilmnevad suurel kiirusel.

(2) Dünaamiline faasikompensatsioon

Kui kõrvalekalded tulenevad peamiselt signaaliahela fikseeritud viivitusest, arvutage nurga viivitus järgmiselt:

kus  w  on nurkkiirus ja t _d on kogu süsteemi viivitus. Viige see kompensatsioon edasi väljundnurgale, mis võib teatud kiirusvahemikus märkimisväärselt parandada suure kiiruse täpsust.

(3) Adaptiivne filtreerimine ja vaatlejad

Juhusliku värina korral suurel kiirusel kasutage Kalmani filtreid, libisemisrežiimi vaatlejaid või sarnaseid meetodeid, et ühendada kodeerija nurk mootorimudeliga, summutades kõrgsagedusmüra, säilitades samal ajal tõelise nurga signaali.

(4) Temperatuuri kompenseerimine

Temperatuurist põhjustatud remanentsi muutused mõjutavad signaali amplituudi. Temperatuuri-amplituudi/faasikompensatsiooni mudeli loomiseks ja reaalajas korrektsiooni rakendamiseks asetage anduri lähedusse temperatuuriandur.

IV. Lühike veaotsingu juhtumiuuring

Servomootoril ilmnes 15 000 pööret minutis perioodiline faasihälve umbes 3,5° magnetkodeerijast, põhjustades vooluahela võnkumisi. Meeskond järgis järgmisi samme:

1. Mehaaniline kontroll : rõnga koaksiaalsuseks leiti 0,08 mm; pärast uuesti paigaldamist vähenes see 0,03 mm-ni ja kõrvalekalle langes 2,1 °-ni.

2. Anduri asendamine : standardne Halli andur asendati suurema ribalaiusega TMR diferentsiaalanduriga ja filtri väljalülitussagedust tõsteti 20 kHz-lt 100 kHz-le - hälvet vähendati veelgi 0,9 °-ni.

3. Algoritmi kompenseerimine : lisati fikseeritud viivitusega edasisuunamise kompensatsioon, millele järgnes täisringi võrguühenduseta kalibreerimine katsestendil. Lõplikku suure kiirusega faasihälvet kontrolliti  0,3° täpsusega , mis vastab kontrollinõuetele.

See juhtum illustreerib, et  üks meede lahendab sageli vaid osa probleemist – mehaaniliste, elektriliste ja algoritmiliste täiustuste kombinatsioon annab parima tulemuse.

Järeldus

Magnetrõnga faasihälve roboti magnetkodeerija anduris suurel kiirusel on oma olemuselt mitmefaktoriline probleem. Mehaanilised paigaldusvead, anduri ebapiisav ribalaius, signaali viivitused, halvenenud magnetvälja kvaliteet ja elektromagnetilised häired võimenduvad suurel kiirusel.

Veaotsingul järgige järjestust:  kõigepealt mehaanika, seejärel elektriline, seejärel algoritmid :

·  Esiteks veenduge, et koaksiaalsus, dünaamiline tasakaalustamine ja õhuvahe on kindlalt fikseeritud;

·  Seejärel optimeerige anduri valik ja signaaliahel, et tagada puhtad ja väikese viivitusega signaalid;

·  Lõpuks kasutage jääkvigade 'peenhäälestamiseks' kalibreerimis- ja kompensatsioonialgoritme.

Enamiku kiirete rakenduste puhul saab pärast sellist süstemaatilist parandamist hoida magnetkodeerija faasihälvet vastuvõetavas vahemikus, võimaldades servosüsteemil püsida stabiilsena ja täpsena isegi suurtel kiirustel.