Mistä suurella nopeudella pyörivän magneettirenkaan vaihepoikkeama tulee? – Vianetsintäopas robottimagneettienkooderitunnistimelle

Tehokkaissa liikkeenohjaussovelluksissa, kuten servomoottoreissa, robottiliitoksissa ja sähkökaroissa, magneettinen enkooderit ovat saamassa suosiota niiden pienen koon, öljynkestävyyden, tärinän sietokyvyn ja alhaisten kustannusten vuoksi. Monet insinöörit kohtaavat kuitenkin hankalan ongelman nopeiden pyörimistestien aikana:  kooderin ilmoittama kulma poikkeaa roottorin todellisesta asennosta - 'vaihepoikkeama',  joka pahenee nopeuden kasvaessa. Alhaisilla nopeuksilla se voi aiheuttaa vain vähäistä nopeuden aaltoilua ja lisääntynyttä melua, mutta suurilla nopeuksilla se voi johtaa hallinnan epävakauteen.

I. Kuinka robottimagneettinen kooderi 'näkee' kulman?

Tarkastellaanpa lyhyesti magneettisen kooderin perusrakennetta.

Tyypillinen magneettinen kooderi koostuu kolmesta osasta:

1. Magneettirengas : asennettu roottorin päähän tai akselin jatkeeseen, ja sen kehän ympärille on jaettu useita napapareja (vuorotteleva N/S).

2. Magneettinen anturi : yleensä Hall, AMR, GMR, TMR jne., sijoitettu lähelle renkaan pintaa magneettikentän vaihteluiden havaitsemiseksi.

3. Signaalinkäsittelypiiri : vahvistaa, muokkaa ja interpoloi heikkoja anturin signaaleja ja tuottaa lopulta kulma- tai kvadratuuripulsseja.

Kun magneettirengas pyörii, anturi havaitsee jaksottaiset magneettikentän muutokset ja lähettää kvasisini-/kosinusoidisia signaaleja. Ratkaisemalla näiden kahden signaalin vaihe saadaan roottorin kulma.

Ihannetapauksessa magneettikentän jakautuminen on täysin sinimuotoinen ja anturin lähtö vastaa tarkasti mekaanista kulmaa. Kuitenkin nopean pyörimisen aikana tämä 'ihanteellinen vastaavuus' häiriintyy useiden tekijöiden vuoksi, ja vaihepoikkeama ilmenee.

II. Mikä on vaihepoikkeama ja miksi se tulee selvemmäksi suurella nopeudella?

Yksinkertaisesti sanottuna  vaihepoikkeama on ero 'kooderin havaitseman kulman' ja 'todellisen roottorikulman' välillä..

Esimerkiksi jos roottori on todellisuudessa 30°:ssa, mutta kooderi antaa 32°, tuo 2° on vaihepoikkeama. Pienellä nopeudella tämä poikkeama voi olla vain 0,1° ja tuskin havaittavissa; mutta nopeuden kasvaessa poikkeama voi kasvaa useisiin asteisiin tai jopa yli kymmeneen asteeseen, mikä heikentää merkittävästi ohjauksen suorituskykyä.

Miksi poikkeama voimistuu suurella nopeudella? Tärkeimmät syyt ovat seuraavat.

1. Mekaaniset asennusvirheet 'suurennevat'

Täydellinen koaksiaalinen kohdistus magneettirenkaan ja akselin välillä on mahdotonta. Oletetaan, että renkaan epäkeskisyys on 0,05 mm - alhaisella nopeudella anturi voi silti sietää tuloksena olevan kentän vääristymän; suurella nopeudella keskipakovoima ja värähtely lisäävät epäkeskisyyttä, vääristäen magneettista aaltomuotoa ja aiheuttaen jaksollisen vaihepoikkeaman.

Samoin renkaan päätypinnan loppuminen, aksiaalinen välys ja huono dynaaminen tasapaino aiheuttavat ylimääräisiä korkeataajuisia häiriöitä suurella nopeudella.

2. Anturin vastenopeus on riittämätön

Kun rengasnopeus kasvaa, magneettikentän vaihtelun taajuus kasvaa vastaavasti. Esimerkiksi 32-napaisen parin renkaalla nopeudella 10 000 rpm kenttätaajuus on noin 5,3 kHz; 30 000 rpm:llä se ylittää 16 kHz.

Common Hall -antureiden kaistanleveydet voivat olla vain kymmeniä kHz tai jopa pienempiä - suurella nopeudella lähtöamplitudi vaimenee ja vaiheviiveet johtavat kulmavirheisiin. Vaikka anturi itsessään olisi nopea, liiallinen viive myöhemmissä suodatinpiireissä voi myös aiheuttaa vaiheviivettä.

3. Magneettirenkaan kentän laadun heikkeneminen

Suurella nopeudella pyörrevirtahäviöt renkaan sisällä aiheuttavat paikallista kuumenemista. Lämpötilan noustessa remanenssi ja koersitiivisuus muuttuvat, mikä vähentää kentän voimakkuutta ja vääristää aaltomuotoa.

Lisäksi epätasainen magnetointi, liian leveät siirtymävyöhykkeet napojen välillä ja napaparilukujen virheellinen valinta lisäävät kaikki magneettikentän harmonista sisältöä suurella nopeudella, mikä lisää vaihelaskennan virheitä.

4. Sähkömagneettiset häiriöt ja signaalin eheys

Suurilla nopeuksilla korkeataajuiset PWM-virrat moottorin käämeissä, akselivirrat ja lähellä olevat suurteholinjat aiheuttavat häiriöitä. Anturin heikot lähtösignaalit, kun ne ovat saastuneet, aiheuttavat värinää ja virheitä nollapisteen ilmaisussa tai vaihelaskennassa.

III. Vianetsintästrategia: mekaaniset, sähköiset ja algoritmiset lähestymistavat

Yllä mainittujen syiden korjaamiseksi voidaan suorittaa korjaavia toimia kolmella tasolla:  mekaaninen asennus, anturi- ja signaaliketju sekä algoritmin kompensointi..

1. Mekaaninen taso - luo ensin vankka perusta

Monet vaihepoikkeamaongelmat eivät johdu elektroniikasta vaan mekaanisesta asennuksesta.

(1) Ohjaa tiukasti koaksiaalisuutta ja päätypinnan poistoa

Magneettirenkaan asennuksen jälkeen koaksiaalisuuden tulee olla  0,03–0,05 mm:n sisällä ja päätypinnan  0,02 mm:n sisällä . Käytä kutistesovitusta, liimaliitosta tai erityisiä kiinnikkeitä sijoitteluun ja vältä vasaraa, joka voi kallistaa rengasta.

(2) Suorita dynaaminen tasapainotus

Vaikka rengas on kevyt, keskipakovoima suurella nopeudella ei ole merkityksetön. Suorita asennuksen jälkeen yleinen dynaaminen tasapainotus tärinän aiheuttamien signaalivirheiden vähentämiseksi.

(3) Vältä magneettirenkaaseen kohdistuvia aksiaalivoimia

Jos rengas on lähellä moottorin päädyn kantta tai laakereita, suurella nopeudella tapahtuva lämpölaajeneminen voi aiheuttaa aksiaalista siirtymää. Varaa suunnittelussa sopiva aksiaalinen välys tai käytä elastista esijännitysrakennetta.

2. Sähkö- ja signaaliketju -pidä signaalit puhtaina ja oikea-aikaisina

(1) Valitse oikea anturin tyyppi

Nopeissa sovelluksissa suosi  TMR- tai GMR-antureita , koska niiden kaistanleveys on tyypillisesti satoja kHz tai jopa MHz paljon suurempi kuin tavallisten Hall-anturien. Varmista myös, että anturin magneettinen herkkyys ja kylläisyyskenttä vastaavat renkaan ominaisuuksia.

(2) Käytä differentiaalisignaalia

Differentiaalilähtö vaimentaa yhteistilan häiriötä ja parantaa signaalin eheyttä. Jos anturi tuottaa vain yksipäisen ulostulon, lisää etupäähän differentiaalivahvistinaste.

(3) Pienennä suodattimen viivettä

RC-suodattimet ja digitaaliset suodattimet lisäävät vaiheviivettä. Nopeissa sovelluksissa aseta suodattimen katkaisutaajuus riittävän korkeaksi tai käytä  pieniviiveisiä, lineaarivaiheisia  suodattimia. Jos kyseessä on korkeataajuinen kohina, joka on todella poistettava, harkitse tasoittamista kulman laskennan jälkeen sen sijaan, että ylisuodatat raakasignaaleja.

(4) Optimoi renkaan ja anturin välinen ilmarako

Liiallinen ilmaväli vähentää signaalin amplitudia; liian pieni rako voi hankautua tärinästä suurella nopeudella. Tyypillisesti valitaan n ilmaväli renkaan  0,3–1,0 mm:  teknisten tietojen ja anturin herkkyyden perusteella ja määritetään optimaalinen arvo kokeellisesti.

(5) Suorita asianmukainen suojaus ja maadoitus

Käytä suojattuja kierrettyjä parikaapeleita anturin johdotukseen, maadoita suoja yhdestä kohdasta ja pidä kaapeli poissa moottorin voimalinjoista ja suurvirtajäljistä sähkömagneettisen kytkennän vähentämiseksi.

3. Algoritmistaso - käytä 'ohjelmistoa' 'laitteiston' puutteiden korvaamiseen

Laitteiston parannusten jälkeen jäännöspoikkeamat voidaan edelleen korjata algoritmien avulla.

(1) Offline-kalibrointi ja hakutaulukon kompensointi

Hitaiden nopeuksien, vakaan tilan olosuhteissa, käytä erittäin tarkkaa referenssienkooderia (esim. optista kooderia) suorittaaksesi magneettisen kooderin täyden ympyrän kalibroinnin, tallentaaksesi poikkeaman kussakin kohdassa ja rakentaaksesi kompensointitaulukon. Varsinaisen käytön aikana etsi korjaus nykyisen sijainnin perusteella.

Tämä menetelmä eliminoi tehokkaasti jaksolliset vaihepoikkeamat, mutta sillä on rajoitettu vaikutus ylimääräisiin dynaamisiin poikkeamiin, jotka ilmaantuvat suurella nopeudella.

(2) Dynaaminen vaihekompensointi

Jos poikkeamat johtuvat pääasiassa signaaliketjun kiinteästä viiveestä, laske kulmaviive seuraavasti:

missä  w  on kulmanopeus ja t _d on järjestelmän kokonaisviive. Syötä tämä kompensaatio eteenpäin ulostulokulmaan, mikä voi parantaa merkittävästi suurnopeuksien tarkkuutta tietyllä nopeusalueella.

(3) Mukautuva suodatus ja tarkkailijat

Jos kyseessä on satunnainen värinä suurella nopeudella, käytä Kalman-suodattimia, liukutilan tarkkailijoita tai vastaavia menetelmiä enkooderin kulman yhdistämiseksi moottorimalliin, vaimentaen korkeataajuista kohinaa säilyttäen samalla todellisen kulmasignaalin.

(4) Lämpötilan kompensointi

Lämpötilan aiheuttamat muutokset remanenssissa vaikuttavat signaalin amplitudiin. Aseta lämpötila-anturi lähettimen lähelle lämpötila-amplitudi/vaihekompensointimallin luomiseksi ja reaaliaikaisen korjauksen soveltamiseksi.

IV. Lyhyt vianmäärityksen tapaustutkimus

Servomoottorin jaksollinen vaihepoikkeama oli noin 3,5° magneettisesta kooderista nopeudella 15 000 rpm, mikä aiheutti virtasilmukan värähtelyä. Joukkue toimi seuraavasti:

1. Mekaaninen tarkastus : Renkaan koaksiaalisuuden havaittiin olevan 0,08 mm; uudelleenasennuksen jälkeen se pieneni 0,03 mm:iin ja poikkeama laski 2,1 asteeseen.

2. Anturin vaihto : Tavallinen Hall-anturi korvattiin suuremman kaistanleveyden TMR-differentiaalianturilla ja suodattimen katkaisutaajuus nostettiin 20 kHz:stä 100 kHz:iin - poikkeamaa pienennettiin edelleen 0,9°:iin.

3. Algoritmin kompensointi : Kiinteän viiveen myötäkytkentäkompensointi lisättiin, minkä jälkeen suoritettiin täyden ympyrän offline-kalibrointi testipenkissä. Lopullinen suuren nopeuden vaihepoikkeama säädettiin  0,3°:n tarkkuudella , mikä täyttää ohjausvaatimukset.

Tämä tapaus osoittaa, että  yksi toimenpide ratkaisee usein vain osan ongelmasta - mekaanisten, sähköisten ja algoritmisten parannusten yhdistelmä tuottaa parhaat tulokset.

Johtopäätös

Magneettirenkaan vaihepoikkeama robotin magneettienkooderin anturissa suurella nopeudella on luonnostaan ​​monitekijäinen ongelma. Mekaaniset asennusvirheet, riittämätön anturin kaistanleveys, signaaliviiveet, huonontunut magneettikentän laatu ja sähkömagneettiset häiriöt lisääntyvät suurella nopeudella.

Noudata vianmäärityksessä seuraavaa järjestystä:  mekaniikka ensin, sitten sähkö ja sitten algoritmit :

·  Ensinnäkin varmista, että koaksiaalisuus, dynaaminen tasapainotus ja ilmarako ovat vakaasti vakiintuneet;

·  Optimoi sitten anturin valinta ja signaaliketju puhtaiden, vähäviiveisten signaalien takaamiseksi;

·  Käytä lopuksi kalibrointi- ja kompensointialgoritmeja jäännösvirheiden 'hienosäätöön'.

Useimmissa nopeissa sovelluksissa tällaisen systemaattisen korjaamisen jälkeen magneettisen kooderin vaihepoikkeama voidaan pitää hyväksyttävällä alueella, jolloin servojärjestelmä pysyy vakaana ja tarkana jopa suurilla nopeuksilla.