انحراف فاز یک حلقه مغناطیسی دوار با سرعت بالا از کجا می آید؟ – راهنمای عیب یابی سنسور رمزگذار مغناطیسی ربات

در کاربردهای کنترل حرکت با کارایی بالا مانند موتورهای سروو، اتصالات ربات و دوک های الکتریکی، مغناطیسی انکودرها به دلیل اندازه کوچک، مقاومت در برابر روغن، تحمل لرزش و هزینه کم محبوبیت پیدا می کنند. با این حال، بسیاری از مهندسان در طول آزمایش چرخش با سرعت بالا با یک مشکل خاردار مواجه می شوند:  زاویه گزارش شده توسط رمزگذار از موقعیت واقعی روتور منحرف می شود - 'انحراف فاز'  که با افزایش سرعت بدتر می شود. در سرعت‌های پایین ممکن است فقط موج‌های خفیف سرعت و افزایش نویز ایجاد کند، اما در سرعت‌های بالا می‌تواند منجر به ناپایداری کنترل شود.

I. سنسور رمزگذار مغناطیسی ربات چگونه زاویه را 'می بیند' می کند؟

بیایید به طور خلاصه ساختار اصلی یک رمزگذار مغناطیسی را مرور کنیم.

یک رمزگذار مغناطیسی معمولی از سه بخش تشکیل شده است:

1. حلقه مغناطیسی : بر روی انتهای روتور یا پسوند شافت نصب شده است، با چندین جفت قطب (N/S متناوب) که در اطراف محیط آن توزیع شده است.

2. سنسور مغناطیسی : معمولاً هال، AMR، GMR، TMR و غیره، نزدیک به سطح حلقه قرار می گیرند تا تغییرات میدان مغناطیسی را حس کنند.

3. مدار پردازش سیگنال : سیگنال‌های سنسور ضعیف را تقویت، شرایط و درون‌یابی می‌کند و در نهایت پالس‌های زاویه یا مربع را تولید می‌کند.

با چرخش حلقه مغناطیسی، سنسور تغییرات میدان مغناطیسی دوره ای را تشخیص می دهد و سیگنال های شبه سینوسی/هم سینوسی را خروجی می دهد. با حل فاز این دو سیگنال، زاویه روتور به دست می آید.

در حالت ایده آل، توزیع میدان مغناطیسی کاملاً سینوسی است و خروجی سنسور کاملاً با زاویه مکانیکی مطابقت دارد. با این حال، تحت چرخش با سرعت بالا، این 'تطابق ایده آل' توسط عوامل متعدد مختل می شود و انحراف فاز ظاهر می شود.

II. انحراف فاز چیست و چرا در سرعت بالا بیشتر مشخص می شود؟

به بیان ساده،  انحراف فاز تفاوت بین 'زاویه درک شده توسط رمزگذار' و 'زاویه روتور واقعی' است..

برای مثال، اگر روتور در واقع در 30 درجه باشد اما رمزگذار خروجی 32 درجه داشته باشد، آن 2 درجه انحراف فاز است. در سرعت کم، این انحراف ممکن است فقط 0.1 درجه باشد و به سختی قابل توجه باشد. اما با افزایش سرعت، انحراف می تواند تا چندین درجه یا حتی بیش از ده درجه تقویت شود و عملکرد کنترل را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

چرا انحراف در سرعت بالا تقویت می شود؟ دلایل اصلی به شرح زیر است.

1. خطاهای نصب مکانیکی 'بزرگنمایی' هستند

تراز کواکسیال کامل بین حلقه مغناطیسی و شفت غیرممکن است. فرض کنید حلقه دارای خروج از مرکز 0.05 میلی متر است - در سرعت کم، سنسور همچنان می تواند اعوجاج میدان حاصل را تحمل کند. در سرعت بالا، نیروی گریز از مرکز و ارتعاش، خروج از مرکز را افزایش می دهد، شکل موج مغناطیسی را مخدوش می کند و باعث انحراف فاز دوره ای می شود.

به طور مشابه، ریزش صفحه انتهایی حلقه، بازی محوری و تعادل دینامیکی ضعیف باعث ایجاد اختلالات فرکانس بالا در سرعت بالا می شود.

2. سرعت پاسخ سنسور ناکافی است

با افزایش سرعت حلقه، فرکانس تغییرات میدان مغناطیسی متناسب با آن افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، با یک حلقه 32 جفت قطبی در 10000 دور در دقیقه، فرکانس میدان حدود 5.3 کیلوهرتز است. در 30000 دور در دقیقه، از 16 کیلوهرتز فراتر می رود.

سنسورهای Common Hall ممکن است پهنای باند فقط ده ها کیلوهرتز یا حتی کمتر داشته باشند - در سرعت بالا، دامنه خروجی کاهش می یابد و تاخیر فاز، که منجر به خطاهای زاویه می شود. حتی اگر خود سنسور سریع باشد، تاخیر بیش از حد در مدارهای فیلتر بعدی نیز می تواند باعث تاخیر فاز شود.

3. کاهش کیفیت میدان مغناطیسی حلقه

در سرعت بالا، تلفات جریان گردابی در داخل رینگ باعث گرمایش موضعی می شود. با افزایش دما، ماندگاری و اجبار تغییر می کند و قدرت میدان را کاهش می دهد و شکل موج را مخدوش می کند.

علاوه بر این، مغناطش غیریکنواخت، مناطق انتقال بیش از حد گسترده بین قطب ها، و انتخاب نامناسب اعداد جفت قطب، همگی محتوای هارمونیک را در میدان مغناطیسی با سرعت بالا افزایش می دهند و خطاهای محاسبه فاز را بزرگ می کنند.

4. تداخل الکترومغناطیسی و یکپارچگی سیگنال

در سرعت بالا، جریان‌های PWM با فرکانس بالا در سیم‌پیچ‌های موتور، جریان‌های شافت و خطوط پرقدرت مجاور تداخل ایجاد می‌کنند. سیگنال های خروجی ضعیف سنسور، پس از آلوده شدن، باعث لرزش و خطا در تشخیص عبور از صفر یا محاسبه فاز می شود.

III. استراتژی عیب یابی: رویکردهای مکانیکی، الکتریکی و الگوریتمی

برای رفع علل فوق، اقدامات اصلاحی را می توان در سه سطح انجام داد:  نصب مکانیکی، سنسور و زنجیره سیگنال، و جبران الگوریتم..

1. سطح مکانیکی - ابتدا یک پایه محکم بگذارید

بسیاری از مشکلات انحراف فاز نه از الکترونیک بلکه از نصب مکانیکی ناشی می شود.

(1) کواکسیالیته و خروجی انتهایی را به شدت کنترل کنید

پس از نصب حلقه مغناطیسی، هم محوری باید در  0.03-0.05 میلی متر و خروجی انتهایی در  0.02 میلی متر حفظ شود . از اتصالات کوچک، چسباندن چسب یا وسایل اختصاصی برای قرار دادن استفاده کنید و از چکش زدن که می تواند حلقه را کج کند، خودداری کنید.

(2) تعادل پویا را انجام دهید

اگرچه حلقه سبک وزن است، نیروی گریز از مرکز در سرعت بالا قابل چشم پوشی نیست. پس از نصب، تعادل دینامیکی کلی را برای کاهش خطاهای سیگنال ناشی از لرزش انجام دهید.

(3) از نیروهای محوری روی حلقه مغناطیسی خودداری کنید

اگر حلقه نزدیک درپوش انتهایی موتور یا یاتاقان ها باشد، انبساط حرارتی در سرعت بالا ممکن است باعث جابجایی محوری شود. فاصله محوری مناسب را در طراحی رزرو کنید، یا یک ساختار پیش بار الاستیک اتخاذ کنید.

2. زنجیره برق و سیگنال - سیگنال ها را تمیز و به موقع نگه دارید

(1) نوع سنسور مناسب را انتخاب کنید

برای کاربردهای پرسرعت،  سنسورهای TMR یا GMR را ترجیح دهید ، زیرا پهنای باند آنها معمولاً به صدها کیلوهرتز یا حتی مگاهرتز می رسد - بسیار بیشتر از سنسورهای هال معمولی. همچنین اطمینان حاصل کنید که حساسیت مغناطیسی و میدان اشباع حسگر با ویژگی های حلقه مطابقت دارد.

(2) از خروجی سیگنال دیفرانسیل استفاده کنید

خروجی دیفرانسیل تداخل حالت مشترک را سرکوب می کند و یکپارچگی سیگنال را بهبود می بخشد. اگر سنسور فقط خروجی تک سر ارائه می کند، یک مرحله تقویت کننده دیفرانسیل در انتهای جلو اضافه کنید.

(3) تاخیر فیلتر را کاهش دهید

فیلترهای RC و فیلترهای دیجیتال تاخیر فاز را معرفی می کنند. در کاربردهای با سرعت بالا، فرکانس قطع فیلتر را به اندازه کافی بالا تنظیم کنید یا از فیلترهای  فاز خطی با تاخیر کم استفاده کنید  . برای نویز با فرکانس بالا که واقعاً نیاز به حذف دارد، به جای فیلتر کردن بیش از حد سیگنال های خام، صاف کردن پس از محاسبه زاویه را در نظر بگیرید.

(4) فاصله هوا بین حلقه و سنسور را بهینه کنید

شکاف هوای بیش از حد دامنه سیگنال را کاهش می دهد. یک شکاف خیلی کوچک به دلیل ارتعاش در سرعت بالا خطر مالش را دارد. به طور معمول بر اساس مشخصات حلقه و حساسیت سنسور یک شکاف هوایی  0.3-1.0 میلی متر را انتخاب کنید  و مقدار بهینه را به صورت تجربی تعیین کنید.

(5) محافظ و زمین مناسب را اجرا کنید

برای سیم‌کشی سنسور از کابل‌های جفت تاب‌دار محافظ استفاده کنید، محافظ را در یک نقطه زمین کنید و کابل را از خطوط برق موتور و جریان‌های بالا دور نگه دارید تا اتصال الکترومغناطیسی را کاهش دهید.

3. سطح الگوریتم - از 'نرم افزار' برای جبران کمبودهای 'سخت افزار' استفاده کنید

پس از بهبود سخت افزار، انحرافات باقیمانده را می توان با الگوریتم ها اصلاح کرد.

(1) کالیبراسیون آفلاین و جبران جدول جستجو

در شرایط با سرعت کم و حالت پایدار، از یک رمزگذار مرجع با دقت بالا (به عنوان مثال، رمزگذار نوری) برای انجام کالیبراسیون دایره کامل رمزگذار مغناطیسی، ثبت انحراف در هر موقعیت و ساخت جدول جبران استفاده کنید. در طول عملیات واقعی، اصلاح را بر اساس موقعیت فعلی جستجو کنید.

این روش به طور موثر انحرافات فاز دوره ای را حذف می کند، اما تأثیر محدودی بر انحرافات دینامیکی اضافی دارد که با سرعت بالا ظاهر می شوند.

(2) جبران فاز پویا

اگر انحرافات عمدتاً از تأخیر ثابت در زنجیره سیگنال ناشی می‌شوند، تأخیر زاویه را با روش زیر محاسبه کنید:

که در آن  w  سرعت زاویه ای و t _d کل تاخیر سیستم است. این جبران را به سمت زاویه خروجی تغذیه کنید، که می تواند به طور قابل توجهی دقت سرعت بالا را در یک محدوده سرعت مشخص بهبود بخشد.

(3) فیلتر و ناظر تطبیقی

برای لرزش تصادفی در سرعت بالا، از فیلترهای کالمن، مشاهدهگرهای حالت لغزشی یا روش‌های مشابه استفاده کنید تا زاویه رمزگذار را با یک مدل موتور ترکیب کنید، و همزمان با حفظ سیگنال زاویه واقعی، نویز فرکانس بالا را سرکوب کنید.

(4) جبران دما

تغییرات ناشی از دما در پسماند بر دامنه سیگنال تاثیر می گذارد. یک سنسور دما را در نزدیکی رمزگذار قرار دهید تا یک مدل جبران دما-دامنه/فاز ایجاد شود و تصحیح بلادرنگ اعمال شود.

IV. عیب یابی مختصر مطالعه موردی

یک سروو موتور یک انحراف فاز دوره ای در حدود 3.5 درجه از رمزگذار مغناطیسی خود در 15000 دور در دقیقه نشان می دهد که باعث نوسان حلقه جریان می شود. تیم مراحل زیر را دنبال کرد:

1. بازرسی مکانیکی : هم محوری حلقه 0.08 میلی متر بود. پس از نصب مجدد به 0.03 میلی متر کاهش یافت و انحراف به 2.1 درجه کاهش یافت.

2. جایگزینی سنسور : سنسور استاندارد هال با سنسور دیفرانسیل TMR با پهنای باند بالاتر جایگزین شد و فرکانس قطع فیلتر از 20 کیلوهرتز به 100 کیلوهرتز افزایش یافت - انحراف بیشتر به 0.9 درجه کاهش یافت.

3. جبران الگوریتم : جبران پیشخور تاخیر ثابت اضافه شد و به دنبال آن کالیبراسیون آفلاین دایره کامل روی میز آزمایش اضافه شد. انحراف فاز نهایی با سرعت بالا تا  0.3 درجه کنترل شد و الزامات کنترل را برآورده کرد.

این مورد نشان می دهد که  یک اندازه گیری واحد اغلب تنها بخشی از مسئله را حل می کند - ترکیبی از پیشرفت های مکانیکی، الکتریکی و الگوریتمی بهترین نتایج را به همراه دارد..

نتیجه گیری

انحراف فاز حلقه مغناطیسی در سنسور رمزگذار مغناطیسی ربات در سرعت بالا ذاتاً یک مشکل چند عاملی است. خطاهای نصب مکانیکی، پهنای باند ناکافی حسگر، تاخیر سیگنال، کاهش کیفیت میدان مغناطیسی و تداخل الکترومغناطیسی همگی با سرعت بالا تقویت می شوند.

هنگام عیب یابی، این ترتیب را دنبال کنید:  ابتدا مکانیک، سپس الکتریکی، سپس الگوریتم :

·  اول، اطمینان حاصل کنید که هم محوری، تعادل دینامیکی، و شکاف هوا به طور محکم ایجاد شده اند.

·  سپس انتخاب سنسور و زنجیره سیگنال را برای تضمین سیگنال های تمیز و کم تاخیر بهینه کنید.

·  در نهایت، از الگوریتم های کالیبراسیون و جبران برای 'تنظیم دقیق' خطاهای باقیمانده استفاده کنید.

برای اکثر کاربردهای با سرعت بالا، پس از چنین اصلاح سیستماتیک، انحراف فاز رمزگذار مغناطیسی را می توان در محدوده قابل قبولی نگه داشت و به سیستم سروو اجازه می دهد حتی در سرعت های بالا پایدار و دقیق بماند.