D'où vient la déviation de phase d'un anneau magnétique rotatif à grande vitesse ? – Guide de dépannage pour le capteur d’encodeur magnétique du robot

Dans les applications de contrôle de mouvement hautes performances telles que les servomoteurs, les articulations de robots et les broches électriques, les aimants magnétiques Les codeurs gagnent en popularité en raison de leur petite taille, de leur résistance à l'huile, de leur tolérance aux vibrations et de leur faible coût. Cependant, de nombreux ingénieurs sont confrontés à un problème épineux lors des tests de rotation à grande vitesse :  l'angle signalé par l'encodeur s'écarte de la position réelle du rotor - un « écart de phase »  qui s'aggrave avec l'augmentation de la vitesse. À basse vitesse, cela peut provoquer seulement une légère ondulation de la vitesse et une augmentation du bruit, mais à haute vitesse, cela peut conduire à une instabilité du contrôle.

I. Comment un capteur d'encodeur magnétique de robot « voit-il » l'angle ?

Passons brièvement en revue la structure de base d'un codeur magnétique.

Un codeur magnétique typique se compose de trois parties :

1. Anneau magnétique : monté en bout de rotor ou en bout d'arbre, avec plusieurs paires de pôles (N/S alternés) réparties sur sa circonférence.

2. Capteur magnétique : généralement Hall, AMR, GMR, TMR, etc., placé à proximité de la surface de l'anneau pour détecter les variations du champ magnétique.

3. Circuit de traitement du signal : amplifie, conditionne et interpole les signaux faibles du capteur, produisant finalement des impulsions d'angle ou de quadrature.

Lorsque l'anneau magnétique tourne, le capteur détecte les changements périodiques du champ magnétique et émet des signaux quasi sinusoïdaux/cosinusoïdaux. En résolvant la phase de ces deux signaux, l'angle du rotor est obtenu.

Idéalement, la répartition du champ magnétique est parfaitement sinusoïdale et la sortie du capteur correspond strictement à l'angle mécanique. Cependant, en cas de rotation à grande vitesse, cette « correspondance idéale » est perturbée par de multiples facteurs, et un écart de phase apparaît.

II. Qu'est-ce que l'écart de phase et pourquoi devient-il plus prononcé à grande vitesse ?

En termes simples,  l'écart de phase est la différence entre « l'angle perçu par le codeur » et « l'angle réel du rotor »..

Par exemple, si le rotor est réellement à 30° mais que l'encodeur produit 32°, ces 2° correspondent à un écart de phase. À basse vitesse, cet écart peut être de seulement 0,1° et à peine perceptible ; mais à mesure que la vitesse augmente, l'écart peut s'amplifier jusqu'à plusieurs degrés, voire plus de dix degrés, dégradant considérablement les performances de contrôle.

Pourquoi la déviation s’amplifie-t-elle à grande vitesse ? Les principales raisons sont les suivantes.

1. Les erreurs d'installation mécanique sont « amplifiées »

Un alignement coaxial parfait entre l’anneau magnétique et l’arbre est impossible. Supposons que l'anneau ait une excentricité de 0,05 mm – à basse vitesse, le capteur peut toujours tolérer la distorsion de champ qui en résulte ; à grande vitesse, la force centrifuge et les vibrations augmentent l'excentricité, déformant la forme d'onde magnétique et provoquant une déviation de phase périodique.

De même, le faux-rond de la face d'extrémité de la bague, le jeu axial et un mauvais équilibre dynamique introduisent des perturbations haute fréquence supplémentaires à grande vitesse.

2. La vitesse de réponse du capteur est insuffisante

À mesure que la vitesse de l’anneau augmente, la fréquence de variation du champ magnétique augmente en conséquence. Par exemple, avec un anneau de 32 paires de pôles à 10 000 tr/min, la fréquence du champ est d'environ 5,3 kHz ; à 30 000 tr/min, elle dépasse les 16 kHz.

Les capteurs à effet Hall commun peuvent avoir des bandes passantes de seulement quelques dizaines de kHz, voire inférieures. À haute vitesse, l'amplitude de sortie s'atténue et les retards de phase, entraînant des erreurs d'angle. Même si le capteur lui-même est rapide, un retard excessif dans les circuits de filtrage ultérieurs peut également provoquer un décalage de phase.

3. Dégradation de la qualité du champ de l'anneau magnétique

A grande vitesse, les pertes par courants de Foucault à l’intérieur de l’anneau provoquent un échauffement localisé. À mesure que la température augmente, la rémanence et la coercivité changent, réduisant l'intensité du champ et déformant la forme d'onde.

De plus, une magnétisation non uniforme, des zones de transition trop larges entre les pôles et une mauvaise sélection du nombre de paires de pôles augmentent tous le contenu harmonique dans le champ magnétique à grande vitesse, augmentant ainsi les erreurs de calcul de phase.

4. Interférences électromagnétiques et intégrité du signal

À grande vitesse, les courants PWM haute fréquence dans les enroulements du moteur, les courants d'arbre et les lignes haute puissance à proximité génèrent des interférences. Les faibles signaux de sortie du capteur, une fois contaminés, provoquent une gigue et des erreurs dans la détection du passage à zéro ou dans le calcul de phase.

III. Stratégie de dépannage : approches mécaniques, électriques et algorithmiques

Pour remédier aux causes ci-dessus, des actions correctives peuvent être prises à trois niveaux :  installation mécanique, chaîne de capteurs et de signaux et compensation par algorithme..

1. Niveau mécanique – posez d’abord une base solide

De nombreux problèmes de déviation de phase ne proviennent pas de l’électronique mais de l’installation mécanique.

(1) Contrôler strictement la coaxialité et le faux-rond de la face d'extrémité

Après le montage de l'anneau magnétique, la coaxialité doit être maintenue entre  0,03 et 0,05 mm et le faux-rond de la face d'extrémité entre  0,02 mm . Utilisez un raccord rétractable, un collage ou des fixations dédiées pour le positionnement, et évitez les coups de marteau qui pourraient faire basculer l'anneau.

(2) Effectuer un équilibrage dynamique

Bien que l’anneau soit léger, la force centrifuge à grande vitesse n’est pas négligeable. Après l'installation, effectuez un équilibrage dynamique global pour réduire les erreurs de signal induites par les vibrations.

(3) Évitez les forces axiales sur l'anneau magnétique

Si la bague est proche du couvercle d'extrémité du moteur ou des roulements, la dilatation thermique à grande vitesse peut provoquer un déplacement axial. Réservez un jeu axial approprié dans la conception ou adoptez une structure de précharge élastique.

2. Chaîne électrique et de signalisation : gardez les signaux propres et opportuns

(1) Choisissez le bon type de capteur

Pour les applications à haut débit, préférez  les capteurs TMR ou GMR , car leur bande passante atteint généralement des centaines de kHz, voire des MHz, bien plus élevée que les capteurs Hall ordinaires. Assurez-vous également que la sensibilité magnétique et le champ de saturation du capteur correspondent aux caractéristiques de l'anneau.

(2) Utiliser la sortie de signal différentiel

La sortie différentielle supprime les interférences en mode commun et améliore l'intégrité du signal. Si le capteur ne fournit qu'une sortie asymétrique, ajoutez un étage amplificateur différentiel à l'avant.

(3) Réduire le délai de filtrage

Les filtres RC et les filtres numériques introduisent un retard de phase. Dans les applications à grande vitesse, réglez la fréquence de coupure du filtre suffisamment élevée ou utilisez des filtres  à phase linéaire à faible retard  . Pour le bruit haute fréquence qui doit vraiment être supprimé, envisagez de lisser après le calcul de l'angle plutôt que de surfiltrer les signaux bruts.

(4) Optimiser l'entrefer entre la bague et le capteur

Un entrefer excessif réduit l’amplitude du signal ; un écart trop petit risque de frotter à cause des vibrations à grande vitesse. Choisissez généralement un entrefer de  0,3 à 1,0 mm  en fonction des spécifications de l'anneau et de la sensibilité du capteur, et déterminez expérimentalement la valeur optimale.

(5) Mettre en œuvre un blindage et une mise à la terre appropriés

Utilisez des câbles blindés à paire torsadée pour le câblage du capteur, mettez le blindage à la terre en un seul point et éloignez le câble des lignes électriques du moteur et des traces de courant élevé afin de réduire le couplage électromagnétique.

3. Niveau algorithme - utiliser le « logiciel » pour compenser les déficiences du « matériel »

Après des améliorations matérielles, les écarts résiduels peuvent être davantage corrigés par des algorithmes.

(1) Étalonnage hors ligne et compensation par table de recherche

Dans des conditions stables et à faible vitesse, utilisez un codeur de référence de haute précision (par exemple, un codeur optique) pour effectuer un étalonnage en cercle complet de l'encodeur magnétique, enregistrer l'écart à chaque position et créer un tableau de compensation. Pendant le fonctionnement réel, recherchez la correction en fonction de la position actuelle.

Cette méthode élimine efficacement les écarts de phase périodiques, mais a un effet limité sur les écarts dynamiques supplémentaires qui apparaissent à grande vitesse.

(2) Compensation de phase dynamique

Si les écarts proviennent principalement d'un retard fixe dans la chaîne de signaux, calculez le retard angulaire comme suit :

où  w  est la vitesse angulaire et t _d est le retard total du système. Appliquez cette compensation à l'angle de sortie, ce qui peut améliorer considérablement la précision à grande vitesse dans une certaine plage de vitesse.

(3) Filtrage adaptatif et observateurs

Pour une gigue aléatoire à grande vitesse, utilisez des filtres de Kalman, des observateurs en mode glissant ou des méthodes similaires pour fusionner l'angle du codeur avec un modèle de moteur, supprimant ainsi le bruit haute fréquence tout en préservant le signal d'angle réel.

(4) Compensation de température

Les changements de rémanence induits par la température affectent l’amplitude du signal. Placez un capteur de température à proximité de l'encodeur pour établir un modèle de compensation température-amplitude/phase et appliquer une correction en temps réel.

IV. Brève étude de cas de dépannage

Un servomoteur présentait un écart de phase périodique d'environ 3,5° par rapport à son codeur magnétique à 15 000 tr/min, provoquant une oscillation de la boucle de courant. L’équipe a suivi ces étapes :

1. Contrôle mécanique : La coaxialité de l'anneau a été constatée à 0,08 mm ; après réinstallation, elle a été réduite à 0,03 mm et l'écart est tombé à 2,1°.

2. Remplacement du capteur : Le capteur Hall standard a été remplacé par un capteur différentiel TMR à bande passante plus élevée, et la fréquence de coupure du filtre a été augmentée de 20 kHz à 100 kHz - l'écart a été encore réduit à 0,9°.

3. Compensation d'algorithme : une compensation anticipative à retard fixe a été ajoutée, suivie d'un étalonnage hors ligne en cercle complet sur le banc de test. L'écart de phase final à grande vitesse a été contrôlé à  0,3° près , répondant ainsi aux exigences de contrôle.

Ce cas illustre qu'une  seule mesure ne résout souvent qu'une partie du problème : une combinaison d'améliorations mécaniques, électriques et algorithmiques donne les meilleurs résultats..

Conclusion

La déviation de phase de l’anneau magnétique dans un capteur à codeur magnétique de robot à grande vitesse est intrinsèquement un problème multifactoriel. Les erreurs d'installation mécanique, la bande passante insuffisante du capteur, les retards de signal, la qualité dégradée du champ magnétique et les interférences électromagnétiques sont tous amplifiés à grande vitesse.

Lors du dépannage, suivez la séquence :  mécanique d'abord, puis électrique, puis algorithmes :

·  Premièrement, assurez-vous que la coaxialité, l'équilibrage dynamique et l'entrefer sont solidement établis ;

·  Optimisez ensuite la sélection des capteurs et la chaîne de signaux pour garantir des signaux propres et à faible retard ;

·  Enfin, utilisez des algorithmes d'étalonnage et de compensation pour « affiner » les erreurs résiduelles.

Pour la plupart des applications à grande vitesse, après une telle correction systématique, l'écart de phase du codeur magnétique peut être maintenu dans une plage acceptable, permettant au système d'asservissement de rester stable et précis même à des vitesses élevées.