מהיכן מגיעה סטיית השלב של טבעת מגנטית מסתובבת במהירות גבוהה? – מדריך לפתרון בעיות עבור חיישן מקודד מגנטי של רובוט

ביישומי בקרת תנועה בעלי ביצועים גבוהים כגון מנועי סרוו, מפרקי רובוט וצירים חשמליים, מגנטיים המקודדים צוברים פופולריות בשל גודלם הקטן, עמידותם בשמן, סובלנות רעידות ועלותם הנמוכה. עם זאת, מהנדסים רבים נתקלים בבעיה קוצנית במהלך בדיקת סיבוב במהירות גבוהה:  הזווית המדווחת על ידי המקודד חורגת מהמיקום האמיתי של הרוטור - 'סטיית פאזה'  שמחמירה עם עליית המהירות. במהירויות נמוכות זה עלול לגרום רק לאדוות מהירות קלות ולרעש מוגבר, אבל במהירויות גבוהות זה יכול להוביל לאי יציבות שליטה.

א. כיצד חיישן מקודד מגנטי רובוט 'רואה' את הזווית?

הבה נסקור בקצרה את המבנה הבסיסי של מקודד מגנטי.

מקודד מגנטי טיפוסי מורכב משלושה חלקים:

1. טבעת מגנטית : מותקנת על קצה הרוטור או על הארכת הציר, עם זוגות קטבים מרובים (N/S לסירוגין) מפוזרים סביב היקפו.

2. חיישן מגנטי : בדרך כלל הול, AMR, GMR, TMR וכו', ממוקמים קרוב למשטח הטבעת כדי לחוש שינויים בשדה המגנטי.

3. מעגל עיבוד אותות : מגביר, תנאי ומאינטרפולציה של אותות החיישנים החלשים, ובסופו של דבר מוציא פולסים של זווית או ריבוע.

כאשר הטבעת המגנטית מסתובבת, החיישן מזהה שינויים תקופתיים בשדה המגנטי ומוציא אותות מעין-סינוסואידיים/קוסינוסואידים. על ידי פתרון הפאזה של שני האותות הללו, מתקבלת זווית הרוטור.

באופן אידיאלי, חלוקת השדה המגנטי היא סינוסואידאלית לחלוטין, ופלט החיישן תואם בהחלט לזווית המכנית. עם זאת, בסיבוב מהיר, ה'התכתבות אידיאלית' זו מופרעת על ידי מספר גורמים, ומופיעה סטיית פאזה.

II. מהי סטיית שלב ומדוע היא הופכת בולטת יותר במהירות גבוהה?

במילים פשוטות,  סטיית פאזה היא ההבדל בין 'הזווית הנתפסת על ידי המקודד' לבין 'זווית הרוטור האמיתית'.

לדוגמה, אם הרוטור נמצא למעשה ב-30° אבל המקודד מוציא 32°, 2° זה הוא סטיית פאזה. במהירות נמוכה, סטייה זו עשויה להיות רק 0.1° ובקושי מורגשת; אבל ככל שהמהירות עולה, הסטייה יכולה להתגבר לכמה מעלות או אפילו למעלה מעשר מעלות, מה שפוגע משמעותית בביצועי הבקרה.

מדוע סטייה מתגברת במהירות גבוהה? הסיבות העיקריות הן כדלקמן.

1. שגיאות התקנה מכניות הן 'מוגדלת'

יישור קואקסיאלי מושלם בין הטבעת המגנטית לבין הפיר אינו אפשרי. נניח שלטבעת יש אקסצנטריות של 0.05 מ'מ -במהירות נמוכה, החיישן עדיין יכול לסבול את עיוות השדה שנוצר; במהירות גבוהה, כוח צנטריפוגלי ורטט מגבירים את האקסצנטריות, מעוותים את צורת הגל המגנטית וגורמים לסטיית פאזה תקופתית.

באופן דומה, יציאה של קצה הטבעת, משחק צירי ואיזון דינמי לקוי מציגים הפרעות נוספות בתדר גבוה במהירות גבוהה.

2. מהירות התגובה של החיישן אינה מספקת

ככל שמהירות הטבעת עולה, התדירות של שינוי השדה המגנטי עולה בהתאם. לדוגמה, עם טבעת בת 32 קוטבים ב-10,000 סל'ד, תדר השדה הוא כ-5.3 קילו-הרץ; ב-30,000 סל'ד, הוא עולה על 16 קילו-הרץ.

חיישני הול נפוצים עשויים להיות בעלי רוחב פס של עשרות קילוהרץ בלבד או אפילו נמוך יותר -במהירות גבוהה, משרעת המוצא מוחלשת ופיגור פאזה, וכתוצאה מכך שגיאות זווית. גם אם החיישן עצמו מהיר, עיכוב מופרז במעגלי הסינון הבאים עלול גם לגרום לפיגור פאזה.

3. פגיעה באיכות השדה של הטבעת המגנטית

במהירות גבוהה, הפסדי זרם מערבולת בתוך הטבעת גורמים לחימום מקומי. עם עליית הטמפרטורה, המשתנות והכפייה משתנות, מפחיתות את עוצמת השדה ומעוותות את צורת הגל.

בנוסף, מגנטיזציה לא אחידה, אזורי מעבר רחבים מדי בין קטבים ובחירה לא נכונה של מספרי צמד קטבים, כולם מגדילים את התוכן ההרמוני בשדה המגנטי במהירות גבוהה, ומגדילים שגיאות חישוב פאזה.

4. הפרעות אלקטרומגנטיות ושלמות האות

במהירות גבוהה, זרמי PWM בתדירות גבוהה בפיתולי מנוע, זרמי פיר וקווי כוח סמוכים יוצרים הפרעות. אותות הפלט החלשים של החיישן, ברגע שהם מזוהמים, גורמים לריצוד ושגיאה בזיהוי חציית אפס או בחישוב פאזה.

III. אסטרטגיית פתרון בעיות: גישות מכניות, חשמליות ואלגוריתמיות

כדי לטפל בסיבות הנ'ל, ניתן לבצע פעולות מתקנות בשלוש רמות:  התקנה מכנית, חיישן ושרשרת האותות ופיצוי אלגוריתמים.

1. מפלס מכאני -הנח תחילה בסיס יציב

בעיות סטיית פאזות רבות נובעות לא מאלקטרוניקה אלא מהתקנה מכנית.

(1) שליטה קפדנית על קואקסיאליות ותקיעת קצה הקצה

לאחר הרכבת הטבעת המגנטית, הקואקסיאליות צריכה להישמר בטווח של  0.03-0.05 מ'מ , ויציאה של קצה הפנים בתוך  0.02 מ'מ . השתמש בהתאמת כיווץ, הדבקה או מתקנים ייעודיים למיצוב, והימנע מפטיש שעלול להטות את הטבעת.

(2) בצע איזון דינמי

למרות שהטבעת קלת משקל, הכוח הצנטריפוגלי במהירות גבוהה אינו מבוטל. לאחר ההתקנה, בצע איזון דינמי כולל כדי להפחית שגיאות אות הנגרמות על ידי רטט.

(3) הימנע מכוחות צירים על הטבעת המגנטית

אם הטבעת קרובה לכיסוי קצה המנוע או למיסבים, התפשטות תרמית במהירות גבוהה עלולה לגרום לתזוזה צירית. שמור על מרווח צירי מתאים בתכנון, או אמצו מבנה של עומס קדם אלסטי.

2. שרשרת חשמל ואותות -לשמור על האותות נקיים ובזמן

(1) בחר את סוג החיישן הנכון

עבור יישומים מהירים, העדיפו  חיישני TMR או GMR , שכן רוחב הפס שלהם מגיע בדרך כלל למאות קילו-הרץ או אפילו מגה-הרץ - גבוה בהרבה מחיישני הול רגילים. כמו כן ודא שהרגישות המגנטית ושדה הרוויה של החיישן תואמים את מאפייני הטבעת.

(2) השתמש בפלט אות דיפרנציאלי

פלט דיפרנציאלי מדכא הפרעות במצב משותף ומשפר את שלמות האות. אם החיישן מספק רק פלט חד-קצה, הוסף שלב מגבר דיפרנציאלי בקצה הקדמי.

(3) צמצם את עיכוב המסנן

מסנני RC ומסננים דיגיטליים מציגים השהיית פאזה. ביישומים במהירות גבוהה, הגדר את תדירות החיתוך של המסנן גבוה מספיק, או השתמש  פאזות ליניאריות עם השהייה נמוכה .  במסנני עבור רעש בתדר גבוה שבאמת צריך הסרה, שקול החלקה לאחר חישוב הזווית במקום סינון יתר של האותות הגולמיים.

(4) ייעל את מרווח האוויר בין הטבעת לחיישן

מרווח אוויר מוגזם מפחית את משרעת האות; מרווח קטן מדי עלול לשפשף עקב רטט במהירות גבוהה. בדרך כלל בחר מרווח אוויר של  0.3-1.0 מ'מ  על סמך מפרטי הטבעת ורגישות החיישן, וקבע את הערך האופטימלי בניסוי.

(5) ליישם מיגון והארקה נאותים

השתמש בכבלים מסוככים בזוג מעוות עבור חיווט חיישנים, הארק את המגן בנקודה אחת והרחיק את הכבל מקווי מתח של המנוע ועקבות זרם גבוה כדי להפחית צימוד אלקטרומגנטי.

3. רמת אלגוריתם - השתמש ב'תוכנה' כדי לפצות על ליקויים ב'חומרה'

לאחר שיפורים בחומרה, סטיות שיוריות ניתנות לתיקון נוסף על ידי אלגוריתמים.

(1) כיול לא מקוון ופיצוי לטבלת חיפוש

בתנאים של מהירות נמוכה ומצב יציב, השתמש במקודד ייחוס בעל דיוק גבוה (למשל, מקודד אופטי) כדי לבצע כיול מעגל מלא של המקודד המגנטי, לתעד את הסטייה בכל מיקום ולבנות טבלת פיצוי. במהלך הפעולה בפועל, חפש את התיקון בהתבסס על המיקום הנוכחי.

שיטה זו מבטלת למעשה סטיות פאזה תקופתיות, אך יש לה השפעה מוגבלת על סטיות דינמיות נוספות המופיעות במהירות גבוהה.

(2) פיצוי פאזה דינמי

אם סטיות נובעות בעיקר מהשהייה קבועה בשרשרת האותות, חשב את ההשהיה של הזווית על ידי:

כאשר  w  היא מהירות זוויתית ו-t _d הוא השהיה הכוללת של המערכת. הזינו את הפיצוי הזה קדימה לזווית הפלט, מה שיכול לשפר משמעותית את הדיוק במהירות גבוהה בטווח מהירות מסוים.

(3) סינון מסתגל ומשקיפים

עבור ריצוד אקראי במהירות גבוהה, השתמש במסנני קלמן, משקיפים במצב הזזה או שיטות דומות כדי למזג את זווית המקודד עם דגם מנוע, תוך דיכוי רעש בתדר גבוה תוך שמירה על אות הזווית האמיתית.

(4) פיצוי טמפרטורה

שינויים בהשראת טמפרטורה משפיעים על משרעת האות. הנח חיישן טמפרטורה ליד המקודד כדי ליצור מודל פיצוי טמפרטורה-משרעת/פאזה ולהחיל תיקון בזמן אמת.

IV. תיאור מקרה קצר לפתרון בעיות

מנוע סרוו הציג סטיית פאזה מחזורית של כ-3.5 מעלות מהמקודד המגנטי שלו ב-15,000 סל'ד, מה שגרם לתנודת לולאת זרם. הצוות ביצע את הצעדים הבאים:

1. בדיקה מכנית : נמצא שהקואקסיאליות של הטבעת היא 0.08 מ'מ; לאחר התקנה מחדש הוא הצטמצם ל-0.03 מ'מ, והסטייה ירדה ל-2.1°.

2. החלפת חיישן : חיישן ה- Hall הסטנדרטי הוחלף בחיישן דיפרנציאלי TMR בעל רוחב פס גבוה יותר, ותדר החיתוך של המסנן הועלה מ-20 קילו-הרץ ל-100 קילו-הרץ - סטייה הופחתה עוד יותר ל-0.9°.

3. פיצוי אלגוריתם : נוסף פיצוי היזון קדימה בהשהייה קבועה, ואחריו כיול לא מקוון של מעגל מלא על ספסל הבדיקה. סטיית הפאזה הסופית במהירות גבוהה נשלטה בטווח של  0.3° , ועומדת בדרישות הבקרה.

מקרה זה ממחיש שמדד  בודד פותר לעתים קרובות רק חלק מהבעיה - שילוב של שיפורים מכניים, חשמליים ואלגוריתמיים מניב את התוצאות הטובות ביותר.

מַסְקָנָה

סטיית שלב של הטבעת המגנטית בחיישן מקודד מגנטי רובוט במהירות גבוהה היא מטבעה בעיה רב-גורמית. שגיאות התקנה מכניות, רוחב פס חיישן לא מספיק, עיכובי אות, ירידה באיכות השדה המגנטי והפרעות אלקטרומגנטיות - כולם מוגברים במהירות גבוהה.

בעת פתרון בעיות, עקוב אחר הרצף:  תחילה מכניקה, אחר כך חשמל, ואז אלגוריתמים :

·  ראשית, ודא כי קואקסיאליות, איזון דינמי ופער אוויר מבוססים בצורה מוצקה;

·  לאחר מכן ייעל את בחירת החיישנים ואת שרשרת האותות כדי להבטיח אותות נקיים עם עיכוב נמוך;

·  לבסוף, השתמש באלגוריתמי כיול ופיצוי כדי 'לכוונן' שגיאות שיוריות.

עבור רוב היישומים המהירים, לאחר תיקון שיטתי כזה, ניתן לשמור על סטיית הפאזה של המקודד המגנטי בטווח מקובל, מה שמאפשר למערכת הסרוו להישאר יציבה ומדויקת גם במהירויות גבוהות.