כיצד לפתור סחף זווית של דיסק הקוד המגנטי בחיישני מקודד מגנטי רובוט?

ביישומי בקרת תנועה ברמת דיוק גבוהה כגון מפרקי רובוט, מנועי סרוו וגימבלים, המקודדים המגנטיים הופכים יותר ויותר להתקני הליבה של משוב מיקום, הודות לפעולתם ללא מגע, חסינותם בפני מזהמים וגודלם הקומפקטי. עם זאת, מהנדסים רבים נתקלים בבעיה מתסכלת בפועל -  סחיפה של זווית : קריאת הזווית 'מתרחקת' לאט גם כשהמנוע עומד, או שהדיוק יורד משמעותית עם שינויי טמפרטורה. מאיפה מגיעה סחיפה של זווית דיסק קוד מגנטי וכיצד נוכל לתקן זאת?

1. מהי Angle Drift ומאיפה זה מגיע?

א מקודד מגנטי מזהה את השדה המגנטי המסתובב של מגנט קבוע המחובר לציר המנוע, מוציא אותות סינוס/קוסינוס בהפרש פאזה של 90°, ולאחר מכן מחשב את הזווית באמצעות פונקציה arctangent. בתיאוריה, מדובר בשרשרת מדידה מושלמת. אולם במציאות, גורמים שונים שאינם אידיאליים גורמים לקריאת הזווית לסטות מהערך האמיתי - זהו 'סחף זווית'.

לסיכום, סחיפה בזווית נובעת משלושה היבטים עיקריים:

1.1 שגיאות התקנה מכנית

זהו האשם הנפוץ ביותר. היסט רדיאלי בין המגנט למרכז החישה של החיישן (אקסצנטריות), הזווית בין ציר הסיבוב לנורמלי של השבב (הטיה), ומרווח אוויר מוגזם או משתנה, כולם מעוותים ישירות את אות השדה המגנטי. לדוגמה, אקסצנטריות של 0.3 מ'מ יכולה להציג שגיאת זווית של ±2.1°. בנוסף, מגנטיזציה לא אחידה או צורת מגנט לא סדירה יכולים לגרום לשדה החישה לסטות מצורת הגל הסינוסואידאלית האידיאלית.

1.2 שינויים בטמפרטורת הסביבה

המאפיינים של חיישני הול ומעגלי עיבוד אותות משתנים עם הטמפרטורה. עם עליית הטמפרטורה, עוצמת השדה של המגנט פוחתת, מתח ההיסט של השבב נסחף ומתח הייחוס של ה-ADC משתנה - גורמים אלה משתלבים ומייצרים סחיפה משמעותית של הטמפרטורה בקריאת הזווית. מדידות בפועל מראות שעם איכויות מגנט שונות, סחף הטמפרטורה בנקודת האפס יכול להחמיר מ-+0.02°/℃ ל-+0.15°/℃.

1.3 הפרעות חיצוניות וגורמים דינמיים

שדה מגנטי מפריע רוחבי מעביר את מרכז הדמות של ליסאז'וס, וגורם לשגיאות כמעט בכל הזוויות מלבד 0° ו-180°. יתרה מכך, עיכובי תגובה דינמיים במהלך פעולת מנוע במהירות גבוהה, ורעש אות מאדוות אספקת הכוח, יכולים לגרום לריצוד קריאת הזווית ולהפוך ללא יציב.

2. פתרונות: שילוב של חומרה, כיול ואלגוריתמים

אין 'כדור קסם' אחד לפתרון סחף זווית. דרושה גישה מתואמת בשלוש רמות: התקנה מכנית, כיול שבבים ופיצוי אלגוריתמי.

רמה 1: יסוד חומרה מוצק - עצור שגיאות במקור

התקנה מדויקת היא קו ההגנה הראשון.  מקודדים מגנטיים רגישים למדי לסובלנות הרכבה. בדרך כלל, יש לשמור על מרווח האוויר בין 1.0 מ'מ ל-3.0 מ'מ (2.0 מ'מ הוא אופטימלי), אקסצנטריות קואקסיאליות ≤ 0.05 מ'מ וזווית הטיה ≤ 3°. במהלך ההתקנה, השתמש במד חיוג או בכלי יישור לייזר לכיול. כמו כן, הרחק את המקודד ממקורות הפרעות מגנטיות חזקות כגון פיתולי מנוע וטרנזיסטורי כוח; במידת הצורך, הוסף מגן מגנטי של Permalloy.

בחירת מגנטים היא גם קריטית.  בחר מגנט עגול מגנטיזציה צירית חד זוג עם חוזק שדה פני השטח בין 300 mT ל- 500 mT. למגנטים באיכות נמוכה יש לא רק שדות לא אחידים אלא גם מאפייני טמפרטורה גרועים, אשר מחמירים ישירות את הסחף.

אספקת החשמל ותכנון ה-PCB חייבים לפעול לפי נוהג טוב.  יש לשלוט באדוות הכוח בתוך 10 mV, וקווי האות של SPI צריכים להיות קצרים, באורך שווה ומנתבים בצורה נקייה. אל תניח יציקות נחושת או עקבות מתחת לשבב כדי להפחית הפרעות קיבול טפיליות עם רכיבי החישה המגנטיים.

רמה 2: הפק את המרב מכיול השבבים - גלה את דיוק המפעל בפועל

שבבי מקודד מגנטי מודרניים משלבים בדרך כלל שלבי כיול מרובים, שהם הדרך הישירה ביותר להתמודד עם סחף זווית.

כיול מפעל (רמת שבב):  במהלך בדיקת פרוסות, יצרן השבב כבר מבצע פיצוי DC offset, תיקון חוסר איזון משרעת ותיקון שגיאות נצב, עם פרמטרים המאוחסנים ב-EEPROM על-שבב. זהו ה'בסיס' של הדיוק.

כיול עצמי של המשתמש (רמת המערכת):  לאחר ההתקנה, סובב את המנוע סיבוב אחד שלמה במהירות קבועה. ה-DSP המובנה אוסף נתוני זווית לאורך הסיבוב המלא ומזהה ומפצה באופן אוטומטי על אקסצנטריות ההתקנה, וריאציות של פערי אוויר ושגיאות אחרות. שבבים רבים תומכים בטריגר בלחיצה אחת מבלי לדרוש מארח חיצוני, שהוא מאוד ידידותי לייצור.

פיצוי סחף טמפרטורה דינמי:  השבב עוקב אחר הטמפרטורה בזמן אמת. כאשר הטמפרטורה חורגת מהערך המכויל, הוא מחיל אוטומטית מקדם פיצוי טמפרטורה כדי לתקן את הזווית. לדוגמה, ה-Naxin Micro MT6835 משתמש במערכת כיול תלת שלבים כדי לשמור על סחיפה של טווח טמפרטורות מלא בטווח של ±0.08°.

רמה 3: פיצוי אלגוריתמי - שפר עוד יותר את הדיוק

עבור יישומים הדורשים דיוק גבוה עוד יותר, יש צורך בפיצוי אלגוריתמי נוסף.

כיול מקוון אדפטיבי:  כיול אופליין מסורתי מתקן את פרמטרי הפיצוי ואינו יכול להסתגל לסחיפה ארוכת טווח עקב שינויי טמפרטורה או הזדקנות המגנטים. אלגוריתם אדפטיבי המבוסס על רקורסיביים קטנים (RLS) יכול לעדכן את פרמטרי הפיצוי בזמן אמת, תוך שמירה על שגיאת זווית בטווח של ±0.05 מעלות בכל טווח הטמפרטורות (–40 ℃ עד +125 ℃).

סינון קלמן להפחתת רעש:  לרעש בתדר גבוה הגורם לריצוד זווית, מסנן קלמן מדכא ביעילות רעשי תצפית ומשפר את יציבות פלט הזווית.

פיצוי רשת עצבית:  ניתן לבנות מודל רשת עצבית כך שיתאים למאפייני הסחף של הטמפרטורה; לאחר מספר מצומצם של איטרציות אימון, הוא משיג תיקון סחף טמפרטורה אדפטיבי מדויק ביותר.

3. ביצועים בעולם האמיתי - כמה טוב זה יכול להיות?

עם הגישה המשולבת של 'התקנת חומרה + כיול שבבים + פיצוי אלגוריתמי', מקודדים מגנטיים מודרניים יכולים להשיג דיוק גבוה להפליא:

• ה-MT6816 משיג שגיאת זווית משולבת ברמת המערכת בתוך  ±0.03°.

• ה-MT6835, לאחר כיול, משפר את האי-לינאריות האינטגרלית שלו (INL) מ-±1° ל-  <±0.07° , עם סחיפה של טמפרטורה מלאה  < ±0.08°.

• כמה פתרונות מתקדמים יכולים אפילו לייעל את INL ל-  ±0.03° , תוך עמידה ברמת הדיוק של ±0.05° הנדרש עבור גימבלים וסרוו.

4. סיכום ואאוטלוק

בעיקרו של דבר, סחיפה של זווית דיסק קוד מגנטי היא תוצאה של הפרעות משולבות מגורמים מכניים, תרמיים, אלקטרומגנטיים ואחרים על אות השדה המגנטי. אין תרופה אחת לכל; הפתרון צריך לפעול לפי העיקרון של  'חומרה כבסיס, כיול כעמוד התווך, ואלגוריתמים כגימור' :

1. דיוק ההתקנה הוא הבסיס  - אי אפשר להתעלם מפער אוויר, קואקסיאליות ובחירת מגנטים.

2. כיול שבבים הוא הכלי העיקרי  - עשה שימוש מלא בכיול המפעל ובכיול עצמי של המשתמש.

3. פיצוי אלגוריתמי הוא השלב המתקדם  - עבור תרחישים תובעניים, הכנס סינון אדפטיבי וכיול מקוון.

ככל ששילוב השבבים ממשיך לגדול ואלגוריתמי בינה מלאכותית יוצגו, מקודדים מגנטיים עתידיים יתפתחו לקראת  'חישה עצמית, כיול עצמי ופיצוי עצמי' .  יכולות בשלב זה, סחף זווית כבר לא יהווה כאב ראש למהנדסים, והדיוק והאמינות של מפרקי הרובוט יגיעו לגבהים חדשים.