उच्च गति से घूमने वाली चुंबकीय रिंग का चरण विचलन कहाँ से आता है? - रोबोट चुंबकीय एनकोडर सेंसर के लिए समस्या निवारण गाइड

सर्वो मोटर्स, रोबोट जोड़ों और इलेक्ट्रिक स्पिंडल जैसे उच्च-प्रदर्शन गति नियंत्रण अनुप्रयोगों में, चुंबकीय एनकोडर अपने छोटे आकार, तेल प्रतिरोध, कंपन सहनशीलता और कम लागत के कारण लोकप्रियता हासिल कर रहे हैं। हालाँकि, कई इंजीनियरों को हाई-स्पीड रोटेशन परीक्षण के दौरान एक कांटेदार समस्या का सामना करना पड़ता है:  एनकोडर द्वारा रिपोर्ट किया गया कोण रोटर की वास्तविक स्थिति से भटक जाता है - एक 'चरण विचलन'  जो बढ़ती गति के साथ बिगड़ जाता है। कम गति पर यह केवल मामूली गति तरंग और बढ़े हुए शोर का कारण बन सकता है, लेकिन उच्च गति पर यह नियंत्रण में अस्थिरता पैदा कर सकता है।

I. एक रोबोट चुंबकीय एनकोडर सेंसर कोण को 'देखता' कैसे है?

आइए चुंबकीय एनकोडर की मूल संरचना की संक्षेप में समीक्षा करें।

एक विशिष्ट चुंबकीय एनकोडर में तीन भाग होते हैं:

1. चुंबकीय वलय : रोटर सिरे या शाफ्ट एक्सटेंशन पर स्थापित, इसकी परिधि के चारों ओर कई ध्रुव जोड़े (एन/एस वैकल्पिक) वितरित होते हैं।

2. चुंबकीय सेंसर : आमतौर पर हॉल, एएमआर, जीएमआर, टीएमआर आदि, चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता को समझने के लिए रिंग सतह के करीब रखे जाते हैं।

3. सिग्नल प्रोसेसिंग सर्किट : कमजोर सेंसर सिग्नलों को प्रवर्धित, व्यवस्थित और प्रक्षेपित करता है, अंततः कोण या चतुर्भुज दालों को आउटपुट करता है।

जैसे ही चुंबकीय वलय घूमता है, सेंसर आवधिक चुंबकीय क्षेत्र परिवर्तनों का पता लगाता है और अर्ध-साइनसॉइडल/कोसाइनसॉइडल सिग्नल आउटपुट करता है। इन दोनों संकेतों के चरण को हल करके रोटर कोण प्राप्त किया जाता है।

आदर्श रूप से, चुंबकीय क्षेत्र वितरण पूरी तरह से साइनसॉइडल है, और सेंसर आउटपुट सख्ती से यांत्रिक कोण से मेल खाता है। हालाँकि, हाई-स्पीड रोटेशन के तहत, यह 'आदर्श पत्राचार' कई कारकों से बाधित होता है, और चरण विचलन उभरता है।

द्वितीय. चरण विचलन क्या है और यह उच्च गति पर अधिक स्पष्ट क्यों हो जाता है?

सीधे शब्दों में कहें तो,  चरण विचलन 'एनकोडर द्वारा देखे गए कोण' और 'वास्तविक रोटर कोण' के बीच का अंतर है।.

उदाहरण के लिए, यदि रोटर वास्तव में 30° पर है लेकिन एनकोडर 32° आउटपुट देता है, तो वह 2° चरण विचलन है। कम गति पर, यह विचलन केवल 0.1° और बमुश्किल ध्यान देने योग्य हो सकता है; लेकिन जैसे-जैसे गति बढ़ती है, विचलन कई डिग्री या यहां तक ​​कि दस डिग्री से भी अधिक बढ़ सकता है, जिससे नियंत्रण प्रदर्शन में काफी गिरावट आ सकती है।

विचलन तेज़ गति से क्यों बढ़ता है? मुख्य कारण इस प्रकार हैं.

1. यांत्रिक स्थापना त्रुटियाँ ''बढ़ी हुई'' हैं

चुंबकीय वलय और शाफ्ट के बीच पूर्ण समाक्षीय संरेखण असंभव है। मान लीजिए कि रिंग की विलक्षणता 0.05 मिमी है - कम गति पर, सेंसर अभी भी परिणामी क्षेत्र विरूपण को सहन कर सकता है; उच्च गति पर, केन्द्रापसारक बल और कंपन विलक्षणता को बढ़ाते हैं, चुंबकीय तरंग रूप को विकृत करते हैं और आवधिक चरण विचलन का कारण बनते हैं।

इसी तरह, रिंग एंड फेस का रनआउट, अक्षीय खेल और खराब गतिशील संतुलन उच्च गति पर अतिरिक्त उच्च-आवृत्ति गड़बड़ी पेश करते हैं।

2. सेंसर प्रतिक्रिया गति अपर्याप्त है

जैसे-जैसे रिंग की गति बढ़ती है, चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता की आवृत्ति तदनुसार बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, 10,000 आरपीएम पर 32-पोल-जोड़ी रिंग के साथ, फ़ील्ड आवृत्ति लगभग 5.3 किलोहर्ट्ज़ है; 30,000 आरपीएम पर, यह 16 किलोहर्ट्ज़ से अधिक है।

सामान्य हॉल सेंसर में केवल दसियों किलोहर्ट्ज़ या उससे भी कम की बैंडविड्थ हो सकती है - उच्च गति पर, आउटपुट आयाम क्षीण होता है और चरण अंतराल होता है, जिसके परिणामस्वरूप कोण त्रुटियां होती हैं। भले ही सेंसर स्वयं तेज़ हो, बाद के फ़िल्टर सर्किट में अत्यधिक देरी भी चरण अंतराल का कारण बन सकती है।

3. चुंबकीय वलय के क्षेत्र की गुणवत्ता में गिरावट

उच्च गति पर, रिंग के अंदर भंवर धारा के नुकसान के कारण स्थानीय ताप होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अवशेष और बलपूर्वक परिवर्तन होता है, क्षेत्र की ताकत कम हो जाती है और तरंग रूप विकृत हो जाता है।

इसके अलावा, गैर-समान चुंबकत्व, ध्रुवों के बीच अत्यधिक व्यापक संक्रमण क्षेत्र, और ध्रुव-जोड़ी संख्याओं का अनुचित चयन, सभी चुंबकीय क्षेत्र में हार्मोनिक सामग्री को उच्च गति से बढ़ाते हैं, चरण-गणना त्रुटियों को बढ़ाते हैं।

4. विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप और सिग्नल अखंडता

उच्च गति पर, मोटर वाइंडिंग, शाफ्ट धाराओं और आस-पास की उच्च-शक्ति लाइनों में उच्च-आवृत्ति पीडब्लूएम धाराएं हस्तक्षेप उत्पन्न करती हैं। सेंसर के कमजोर आउटपुट सिग्नल, एक बार दूषित होने पर, शून्य-क्रॉसिंग डिटेक्शन या चरण गणना में घबराहट और त्रुटि का कारण बनते हैं।

तृतीय. समस्या निवारण रणनीति: मैकेनिकल, इलेक्ट्रिकल और एल्गोरिथम दृष्टिकोण

उपरोक्त कारणों को संबोधित करने के लिए, तीन स्तरों पर सुधारात्मक कार्रवाई की जा सकती है:  यांत्रिक स्थापना, सेंसर और सिग्नल श्रृंखला, और एल्गोरिदम मुआवजा.

1. यांत्रिक स्तर - पहले एक ठोस नींव रखें

कई चरण विचलन समस्याएं इलेक्ट्रॉनिक्स से नहीं बल्कि यांत्रिक स्थापना से उत्पन्न होती हैं।

(1) समाक्षीयता और एंड-फेस रनआउट को सख्ती से नियंत्रित करें

चुंबकीय रिंग को स्थापित करने के बाद, समाक्षीयता को  0.03-0.05 मिमी के भीतर रखा जाना चाहिए , और अंत-फेस रनआउट को  0.02 मिमी के भीतर रखा जाना चाहिए। स्थिति के लिए सिकुड़न फिटिंग, चिपकने वाली बॉन्डिंग, या समर्पित फिक्स्चर का उपयोग करें, और हथौड़े से मारने से बचें जो रिंग को झुका सकता है।

(2) गतिशील संतुलन बनाना

यद्यपि वलय हल्का है, उच्च गति पर केन्द्रापसारक बल नगण्य नहीं है। स्थापना के बाद, कंपन-प्रेरित सिग्नल त्रुटियों को कम करने के लिए समग्र गतिशील संतुलन का संचालन करें।

(3) चुंबकीय वलय पर अक्षीय बलों से बचें

यदि रिंग मोटर एंड कवर या बीयरिंग के करीब है, तो उच्च गति पर थर्मल विस्तार से अक्षीय विस्थापन हो सकता है। डिज़ाइन में उचित अक्षीय क्लीयरेंस आरक्षित रखें, या एक लोचदार प्रीलोड संरचना अपनाएं।

2. इलेक्ट्रिकल और सिग्नल चेन - सिग्नलों को साफ और समय पर रखें

(1) सही सेंसर प्रकार चुनें

उच्च गति अनुप्रयोगों के लिए,  टीएमआर या जीएमआर सेंसर को प्राथमिकता दें , क्योंकि उनकी बैंडविड्थ आम तौर पर सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ या मेगाहर्ट्ज तक पहुंचती है - जो सामान्य हॉल सेंसर से कहीं अधिक है। यह भी सुनिश्चित करें कि सेंसर की चुंबकीय संवेदनशीलता और संतृप्ति क्षेत्र रिंग की विशेषताओं से मेल खाते हों।

(2) डिफरेंशियल सिग्नल आउटपुट का उपयोग करें

विभेदक आउटपुट सामान्य-मोड हस्तक्षेप को दबाता है और सिग्नल अखंडता में सुधार करता है। यदि सेंसर केवल सिंगल-एंड आउटपुट प्रदान करता है, तो सामने के छोर पर एक अंतर एम्पलीफायर चरण जोड़ें।

(3) फ़िल्टर विलंब कम करें

आरसी फिल्टर और डिजिटल फिल्टर चरण विलंब का परिचय देते हैं। उच्च गति अनुप्रयोगों में, फ़िल्टर कटऑफ़ आवृत्ति को पर्याप्त रूप से उच्च सेट करें, या  कम-विलंब, रैखिक-चरण  फ़िल्टर का उपयोग करें। उच्च-आवृत्ति शोर के लिए जिसे वास्तव में हटाने की आवश्यकता है, कच्चे संकेतों को ओवर-फ़िल्टर करने के बजाय कोण गणना के बाद चिकना करने पर विचार करें।

(4) रिंग और सेंसर के बीच हवा के अंतर को अनुकूलित करें

अत्यधिक वायु अंतराल सिग्नल आयाम को कम कर देता है; बहुत छोटा गैप तेज गति से कंपन के कारण रगड़ने का जोखिम रखता है। आमतौर पर का वायु अंतराल चुनें , और प्रयोगात्मक रूप से इष्टतम मूल्य निर्धारित करें। 0.3-1.0 मिमी  रिंग विनिर्देशों और सेंसर संवेदनशीलता के आधार पर

(5) उचित परिरक्षण और ग्राउंडिंग लागू करें

सेंसर वायरिंग के लिए शील्डेड ट्विस्टेड-पेयर केबल का उपयोग करें, शील्ड को एक बिंदु पर ग्राउंड करें, और विद्युत चुम्बकीय युग्मन को कम करने के लिए केबल को मोटर पावर लाइनों और उच्च-वर्तमान निशानों से दूर रखें।

3. एल्गोरिथम स्तर - 'हार्डवेयर' की कमियों की भरपाई के लिए 'सॉफ़्टवेयर' का उपयोग करें

हार्डवेयर सुधार के बाद, अवशिष्ट विचलन को एल्गोरिदम द्वारा और ठीक किया जा सकता है।

(1) ऑफ़लाइन अंशांकन और लुकअप-टेबल मुआवजा

कम गति, स्थिर-स्थिति स्थितियों के तहत, चुंबकीय एनकोडर का पूर्ण-चक्र अंशांकन करने, प्रत्येक स्थिति में विचलन रिकॉर्ड करने और एक मुआवजा तालिका बनाने के लिए एक उच्च-सटीक संदर्भ एनकोडर (उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल एनकोडर) का उपयोग करें। वास्तविक ऑपरेशन के दौरान, वर्तमान स्थिति के आधार पर सुधार देखें।

यह विधि आवधिक चरण विचलनों को प्रभावी ढंग से समाप्त कर देती है, लेकिन उच्च गति पर दिखाई देने वाले अतिरिक्त गतिशील विचलनों पर इसका सीमित प्रभाव पड़ता है।

(2) गतिशील चरण मुआवजा

यदि विचलन मुख्य रूप से सिग्नल श्रृंखला में एक निश्चित देरी से उत्पन्न होता है, तो कोण विलंब की गणना करें:

जहां  w  कोणीय वेग है और td _कुल सिस्टम विलंब है। इस मुआवजे को आउटपुट कोण पर आगे फ़ीड करें, जो एक निश्चित गति सीमा के भीतर उच्च गति सटीकता में काफी सुधार कर सकता है।

(3) अनुकूली फ़िल्टरिंग और पर्यवेक्षक

उच्च गति पर यादृच्छिक घबराहट के लिए, मोटर मॉडल के साथ एनकोडर कोण को फ़्यूज़ करने के लिए कलमन फ़िल्टर, स्लाइडिंग-मोड पर्यवेक्षकों या इसी तरह के तरीकों का उपयोग करें, वास्तविक कोण सिग्नल को संरक्षित करते हुए उच्च आवृत्ति शोर को दबा दें।

(4) तापमान मुआवजा

अवशेष में तापमान-प्रेरित परिवर्तन सिग्नल आयाम को प्रभावित करते हैं। तापमान-आयाम/चरण क्षतिपूर्ति मॉडल स्थापित करने और वास्तविक समय सुधार लागू करने के लिए एनकोडर के पास एक तापमान सेंसर रखें।

चतुर्थ. संक्षिप्त समस्या निवारण केस अध्ययन

एक सर्वो मोटर ने 15,000 आरपीएम पर अपने चुंबकीय एनकोडर से लगभग 3.5° का आवधिक चरण विचलन प्रदर्शित किया, जिससे करंट-लूप दोलन हुआ। टीम ने इन चरणों का पालन किया:

1. यांत्रिक निरीक्षण : रिंग की समाक्षीयता 0.08 मिमी पाई गई; पुनः स्थापना के बाद इसे घटाकर 0.03 मिमी कर दिया गया, और विचलन 2.1° तक कम हो गया।

2. सेंसर प्रतिस्थापन : मानक हॉल सेंसर को उच्च-बैंडविड्थ टीएमआर अंतर सेंसर से बदल दिया गया था, और फ़िल्टर कटऑफ आवृत्ति को 20 kHz से बढ़ाकर 100 kHz कर दिया गया था - विचलन को और कम करके 0.9° कर दिया गया था।

3. एल्गोरिथम मुआवज़ा : निश्चित-विलंब फ़ीडफ़ॉरवर्ड मुआवज़ा जोड़ा गया, इसके बाद परीक्षण बेंच पर पूर्ण-सर्कल ऑफ़लाइन अंशांकन किया गया। अंतिम उच्च गति चरण विचलन को  0.3° के भीतर नियंत्रित किया गया था।नियंत्रण आवश्यकताओं को पूरा करते हुए

यह मामला दर्शाता है कि  एक एकल उपाय अक्सर समस्या का केवल एक हिस्सा ही हल करता है - यांत्रिक, विद्युत और एल्गोरिथम सुधारों का संयोजन सर्वोत्तम परिणाम देता है.

निष्कर्ष

उच्च गति पर रोबोट चुंबकीय एनकोडर सेंसर में चुंबकीय रिंग का चरण विचलन स्वाभाविक रूप से एक बहुक्रियाशील समस्या है। यांत्रिक स्थापना त्रुटियाँ, अपर्याप्त सेंसर बैंडविड्थ, सिग्नल में देरी, ख़राब चुंबकीय क्षेत्र की गुणवत्ता और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप सभी उच्च गति पर बढ़ जाते हैं।

समस्या निवारण करते समय, अनुक्रम का पालन करें:  पहले यांत्रिकी, फिर विद्युत, फिर एल्गोरिदम :

·  सबसे पहले, सुनिश्चित करें कि समाक्षीयता, गतिशील संतुलन और वायु अंतराल ठोस रूप से स्थापित हैं;

·  फिर स्वच्छ, कम-विलंब सिग्नल की गारंटी के लिए सेंसर चयन और सिग्नल श्रृंखला को अनुकूलित करें;

·  अंत में, अवशिष्ट त्रुटियों को 'फाइन-ट्यून' करने के लिए अंशांकन और क्षतिपूर्ति एल्गोरिदम का उपयोग करें।

अधिकांश उच्च गति अनुप्रयोगों के लिए, इस तरह के व्यवस्थित उपचार के बाद, चुंबकीय एनकोडर के चरण विचलन को स्वीकार्य सीमा के भीतर रखा जा सकता है, जिससे सर्वो प्रणाली उच्च गति पर भी स्थिर और सटीक बनी रह सकती है।