چگونه می توان دریفت زاویه دیسک کد مغناطیسی را در حسگرهای رمزگذار مغناطیسی ربات حل کرد؟

در کاربردهای کنترل حرکت با دقت بالا مانند اتصالات ربات، موتورهای سروو و گیمبال ها، رمزگذارهای مغناطیسی به دلیل عملکرد غیر تماسی، مصونیت در برابر آلاینده ها و اندازه فشرده، به طور فزاینده ای به دستگاه های بازخورد موقعیت اصلی تبدیل می شوند. با این حال، بسیاری از مهندسان در عمل با یک مشکل ناامیدکننده مواجه می‌شوند -  رانش زاویه : خواندن زاویه به آرامی 'خاموش می‌شود' حتی وقتی موتور ثابت است یا دقت با تغییرات دما به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. رانش زاویه دیسک کد مغناطیسی از کجا می آید و چگونه می توانیم آن را برطرف کنیم؟

1. Angle Drift چیست و از کجا می آید؟

الف رمزگذار مغناطیسی میدان مغناطیسی دوار یک آهنربای دائمی متصل به شفت موتور را تشخیص می‌دهد، سیگنال‌های سینوسی/کسینوسی را با اختلاف فاز 90 درجه خروجی می‌دهد و سپس زاویه را از طریق تابع قوس الکتریکی محاسبه می‌کند. در تئوری، این یک زنجیره اندازه گیری کامل است. با این حال، در واقعیت، عوامل مختلف غیر ایده‌آل باعث می‌شوند که خواندن زاویه از مقدار واقعی منحرف شود - این 'انحراف زاویه' است.

به طور خلاصه، رانش زاویه از سه جنبه اصلی سرچشمه می گیرد:

1.1 خطاهای نصب مکانیکی

این شایع ترین مقصر است. انحراف شعاعی بین آهنربا و مرکز حسگر حسگر (خروج از مرکز)، زاویه بین محور چرخش و تراشه نرمال (شیب)، و شکاف هوای بیش از حد یا نوسان، همگی مستقیماً سیگنال میدان مغناطیسی را منحرف می‌کنند. برای مثال، خروج از مرکز 0.3 میلی متر می تواند خطای زاویه ± 2.1 درجه ایجاد کند. علاوه بر این، مغناطیسی غیر یکنواخت یا شکل نامنظم آهنربا می تواند باعث شود که میدان حس شده از شکل موج سینوسی ایده آل منحرف شود.

1.2 تغییرات دمای محیط

ویژگی های سنسور هال و مدارهای پردازش سیگنال با دما تغییر می کند. با افزایش دما، قدرت میدان آهنربا کاهش می‌یابد، ولتاژ آفست تراشه تغییر می‌کند، و ولتاژ مرجع ADC نوسان می‌کند - این عوامل با هم ترکیب می‌شوند تا تغییر دما قابل توجهی را در خواندن زاویه ایجاد کنند. اندازه گیری های واقعی نشان می دهد که با کیفیت های مختلف آهنربا، رانش دمای نقطه صفر می تواند از +0.02 درجه در ℃ به + 0.15 درجه / ℃ بدتر شود.

1.3 تداخل خارجی و عوامل پویا

یک میدان مغناطیسی تداخلی عرضی، مرکز شکل Lissajous را جابه‌جا می‌کند و تقریباً در همه زوایا به جز 0 و 180 درجه خطا ایجاد می‌کند. علاوه بر این، تأخیر در پاسخ دینامیکی در حین کارکرد موتور با سرعت بالا و نویز سیگنال ناشی از ریپل منبع تغذیه، می‌تواند باعث تحریک زاویه خواندن و ناپایدار شدن آن شود.

2. راه حل ها: ترکیبی از سخت افزار، کالیبراسیون و الگوریتم ها

هیچ 'گلوله جادویی' برای حل تغییر زاویه وجود ندارد. یک رویکرد هماهنگ در سه سطح مورد نیاز است: نصب مکانیکی، کالیبراسیون تراشه، و جبران الگوریتمی.

سطح 1: پایه سخت افزار جامد - توقف خطاها در منبع

نصب دقیق اولین خط دفاعی است.  رمزگذارهای مغناطیسی به تلورانس های نصب بسیار حساس هستند. به طور کلی، شکاف هوا باید بین 1.0 میلی متر و 3.0 میلی متر (2.0 میلی متر بهینه است)، خروج از مرکز هم محوری ≤ 0.05 میلی متر، و زاویه شیب ≤ 3 درجه نگه داشته شود. در حین نصب، از یک عدد سنج یا ابزار تراز لیزری برای کالیبراسیون استفاده کنید. همچنین، رمزگذار را از منابع تداخل مغناطیسی قوی مانند سیم‌پیچ‌های موتور و ترانزیستورهای قدرت دور نگه دارید. در صورت لزوم، یک سپر مغناطیسی Permalloy اضافه کنید.

انتخاب آهنربا نیز حیاتی است.  یک آهنربای دایره ای مغناطیسی محوری تک جفت با قدرت میدان سطحی بین 300 mT و 500 mT انتخاب کنید. آهنرباهای با کیفیت پایین نه تنها میدان های ناهمواری دارند، بلکه ویژگی های دمایی ضعیفی نیز دارند که مستقیماً رانش را بدتر می کند.

منبع تغذیه و طراحی PCB باید از تمرین خوب پیروی کند.  ریپل برق باید در ولتاژ 10 میلی ولت کنترل شود و خطوط سیگنال SPI باید کوتاه، با طول مساوی و به طور تمیز هدایت شوند. برای کاهش تداخل خازنی انگلی با عناصر حسگر مغناطیسی، از ریختن یا آثار مسی زیر تراشه خودداری کنید.

سطح 2: از کالیبراسیون تراشه حداکثر استفاده را ببرید - دقت کارخانه را در عمل درک کنید

تراشه‌های رمزگذار مغناطیسی مدرن معمولاً چندین مرحله کالیبراسیون را در خود جای می‌دهند که مستقیم‌ترین راه برای رسیدگی به رانش زاویه است.

کالیبراسیون کارخانه (سطح تراشه):  در طول آزمایش ویفر، سازنده تراشه قبلاً جبران افست DC، اصلاح عدم تعادل دامنه و تصحیح خطای مربعات را با پارامترهای ذخیره شده در EEPROM روی تراشه انجام می دهد. این 'بنیاد' دقت است.

خود کالیبراسیون کاربر (سطح سیستم):  پس از نصب، موتور را یک دور کامل با سرعت ثابت بچرخانید. DSP داخلی داده‌های زاویه را در تمام چرخش جمع‌آوری می‌کند و به طور خودکار خروج از مرکز نصب، تغییرات فاصله هوا و سایر خطاها را شناسایی و جبران می‌کند. بسیاری از تراشه‌ها از یک ماشه با یک کلیک بدون نیاز به میزبان خارجی پشتیبانی می‌کنند که بسیار سازگار با تولید است.

جبران حرکت پویا دما:  تراشه دما را در زمان واقعی نظارت می کند. هنگامی که دما از مقدار کالیبره شده منحرف می شود، به طور خودکار یک ضریب جبران دما را برای اصلاح زاویه اعمال می کند. به عنوان مثال، Naxin Micro MT6835 از یک سیستم کالیبراسیون سه مرحله‌ای استفاده می‌کند تا تغییر دامنه دمایی کامل را در ±0.08 درجه نگه دارد.

سطح 3: جبران الگوریتمی - بهبود بیشتر دقت

برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالاتری دارند، جبران الگوریتمی اضافی مورد نیاز است.

کالیبراسیون آنلاین تطبیقی:  کالیبراسیون آفلاین سنتی پارامترهای جبران را برطرف می کند و به دلیل تغییرات دما یا پیری آهنربا نمی تواند با رانش طولانی مدت سازگار شود. یک الگوریتم تطبیقی ​​مبتنی بر حداقل مربعات بازگشتی (RLS) می تواند پارامترهای جبران را در زمان واقعی به روز کند و خطای زاویه را در محدوده ± 0.05 درجه در سراسر محدوده دمایی کامل (-40 ℃ تا +125 ℃) حفظ کند.

فیلتر کالمن برای کاهش نویز:  برای نویز با فرکانس بالا که باعث لرزش زاویه می شود، فیلتر کالمن به طور موثری نویز مشاهده را سرکوب می کند و ثبات خروجی زاویه را بهبود می بخشد.

جبران شبکه عصبی:  یک مدل شبکه عصبی را می توان برای تناسب با ویژگی های رانش دما ایجاد کرد. پس از تعداد محدودی از تکرارهای آموزشی، به تصحیح رانش دما تطبیقی ​​بسیار دقیقی دست می یابد.

3. عملکرد دنیای واقعی - چقدر می تواند خوب باشد؟

با رویکرد ترکیبی 'نصب سخت افزار + کالیبراسیون تراشه + جبران الگوریتمی'، رمزگذارهای مغناطیسی مدرن می توانند به دقت بسیار بالایی دست یابند:

• MT6816 به خطای زاویه یکپارچه در سطح سیستم در  ±0.03 درجه می رسد.

• MT6835، پس از کالیبراسیون، غیرخطی یکپارچه (INL) خود را از ± 1 درجه به  <0.07 ± درجه ، با رانش کامل دما  < ± 0.08 درجه بهبود می بخشد..

• برخی از راه حل های سطح بالا حتی می توانند INL را تا  0.03 ± درجه بهینه کنند و دقت سطح 0.05 ± را برای گیمبال ها و سرووها برآورده کنند.

4. خلاصه و چشم انداز

در اصل، رانش زاویه دیسک کد مغناطیسی نتیجه اختلالات مکانیکی، حرارتی، الکترومغناطیسی و سایر عوامل روی سیگنال میدان مغناطیسی است. هیچ درمان واحدی وجود ندارد. راه حل باید از اصل  'سخت افزار به عنوان پایه، کالیبراسیون به عنوان پایه اصلی، و الگوریتم ها به عنوان تکمیل کننده' پیروی کند :

1. دقت نصب اساس است  - شکاف هوا، هم محوری و انتخاب آهنربا را نمی توان نادیده گرفت.

2. کالیبراسیون تراشه ابزار اصلی است  - از کالیبراسیون کارخانه و کالیبراسیون خود کاربر به طور کامل استفاده کنید.

3. جبران الگوریتمی مرحله پیشرفته است  - برای سناریوهای سخت، فیلتر تطبیقی ​​و کالیبراسیون آنلاین را معرفی کنید.

با ادامه افزایش ادغام تراشه و معرفی الگوریتم‌های هوش مصنوعی، رمزگذارهای مغناطیسی آینده به سمت  'خود سنجش، خود کالیبره، و خود جبرانی' تکامل خواهند یافت.  قابلیت‌های در آن نقطه، رانش زاویه دیگر برای مهندسان دردسرساز نخواهد بود و دقت و قابلیت اطمینان اتصالات ربات به ارتفاعات جدیدی خواهد رسید.