Odakle dolazi odstupanje faze rotirajućeg magnetskog prstena velike brzine? – Vodič za rješavanje problema za senzor robotskog magnetskog kodera

U aplikacijama za kontrolu kretanja visokih performansi kao što su servo motori, spojevi robota i električna vretena, magnetski koderi postaju sve popularniji zbog svoje male veličine, otpornosti na ulje, tolerancije na vibracije i niske cijene. Međutim, mnogi inženjeri susreću se s teškim problemom tijekom testiranja rotacije velike brzine:  kut koji prijavljuje enkoder odstupa od stvarnog položaja rotora - 'fazno odstupanje'  koje se pogoršava povećanjem brzine. Pri malim brzinama može uzrokovati samo neznatno valovitost brzine i povećanu buku, ali pri velikim brzinama može dovesti do nestabilnosti upravljanja.

I. Kako senzor robotskog magnetskog kodera 'vidi' kut?

Pogledajmo ukratko osnovnu strukturu magnetskog kodera.

Tipični magnetski enkoder sastoji se od tri dijela:

1. Magnetski prsten : montiran na kraju rotora ili produžetku osovine, s višestrukim parovima polova (N/S naizmjenično) raspoređenih oko njegovog opsega.

2. Magnetski senzor : obično Hall, AMR, GMR, TMR, itd., postavljen blizu površine prstena da osjeti varijacije magnetskog polja.

3. Krug za obradu signala : pojačava, kondicionira i interpolira slabe signale senzora, u konačnici izlazeći kutne ili kvadraturne impulse.

Kako se magnetski prsten okreće, senzor detektira periodične promjene magnetskog polja i emitira kvazisinusoidalne/kosinusoidalne signale. Odvajanjem faze ova dva signala dobiva se kut rotora.

U idealnom slučaju, distribucija magnetskog polja je savršeno sinusna, a izlaz senzora strogo odgovara mehaničkom kutu. Međutim, pod velikom brzinom rotacije, ova 'idealna korespondencija' je poremećena višestrukim čimbenicima, te dolazi do faznog odstupanja.

II. Što je odstupanje faze i zašto postaje izraženije pri velikoj brzini?

Jednostavno rečeno,  odstupanje faze je razlika između 'kuta koji percipira enkoder' i 'pravog kuta rotora'.

Na primjer, ako je rotor zapravo na 30°, ali enkoder daje 32°, tih 2° je fazno odstupanje. Pri maloj brzini ovo odstupanje može biti samo 0,1° i jedva primjetno; ali kako se brzina povećava, odstupanje se može pojačati na nekoliko stupnjeva ili čak preko deset stupnjeva, značajno degradirajući performanse upravljanja.

Zašto se odstupanje pojačava velikom brzinom? Glavni razlozi su sljedeći.

1. Pogreške mehaničke instalacije su 'uvećane'

Savršeno koaksijalno poravnanje između magnetskog prstena i osovine je nemoguće. Pretpostavimo da prsten ima ekscentricitet od 0,05 mm - pri maloj brzini, senzor još uvijek može tolerirati rezultirajuće izobličenje polja; pri velikoj brzini, centrifugalna sila i vibracije povećavaju ekscentricitet, izobličujući oblik magnetskog vala i uzrokujući periodično fazno odstupanje.

Slično tome, odstupanje čeone površine prstena, aksijalna zračnost i loša dinamička ravnoteža uvode dodatne visokofrekventne smetnje pri velikoj brzini.

2. Brzina odziva senzora je nedovoljna

Kako se brzina prstena povećava, frekvencija varijacije magnetskog polja raste u skladu s tim. Na primjer, s prstenom od 32 para polova pri 10 000 o/min, frekvencija polja je oko 5,3 kHz; pri 30 000 okretaja u minuti prelazi 16 kHz.

Uobičajeni Hallovi senzori mogu imati pojasne širine od samo desetaka kHz ili čak i niže - pri velikoj brzini, izlazna amplituda se smanjuje i fazna kašnjenja, što rezultira kutnim pogreškama. Čak i ako je sam senzor brz, prekomjerno kašnjenje u sljedećim krugovima filtera također može uzrokovati fazno kašnjenje.

3. Degradacija kvalitete polja magnetskog prstena

Pri velikim brzinama, gubici vrtložnih struja unutar prstena uzrokuju lokalizirano zagrijavanje. Kako temperatura raste, remanencija i koercitivnost se mijenjaju, smanjujući jakost polja i iskrivljujući valni oblik.

Osim toga, nejednolika magnetizacija, pretjerano široke prijelazne zone između polova i nepravilan odabir brojeva parova polova povećavaju sadržaj harmonika u magnetskom polju pri velikoj brzini, povećavajući pogreške u proračunu faze.

4. Elektromagnetske smetnje i cjelovitost signala

Pri velikim brzinama, visokofrekventne PWM struje u namotima motora, struje osovine i obližnji vodovi velike snage stvaraju smetnje. Slabi izlazni signali senzora, jednom kontaminirani, uzrokuju podrhtavanje i pogrešku u otkrivanju prelaska nule ili izračunavanju faze.

III. Strategija rješavanja problema: mehanički, električni i algoritamski pristupi

Kako bi se riješili gore navedeni uzroci, korektivne radnje mogu se poduzeti na tri razine:  mehanička instalacija, senzor i lanac signala te kompenzacija algoritma.

1. Mehanička razina - prvo postavite čvrst temelj

Mnogi problemi s odstupanjem faze ne potječu od elektronike, već od mehaničke instalacije.

(1) Strogo kontrolirajte koaksijalnost i čeono odstupanje

Nakon montaže magnetskog prstena, koaksijalnost treba održavati unutar  0,03–0,05 mm , a čeono odstupanje unutar  0,02 mm . Za pozicioniranje upotrijebite skupljajuće spojeve, ljepilo ili namjenske spojnice i izbjegavajte udarce čekićem koji bi mogli nagnuti prsten.

(2) Izvršite dinamičko balansiranje

Iako je prsten lagan, centrifugalna sila pri velikim brzinama nije zanemariva. Nakon instalacije provedite ukupno dinamičko balansiranje kako biste smanjili pogreške signala izazvane vibracijama.

(3) Izbjegavajte aksijalne sile na magnetski prsten

Ako je prsten blizu poklopca motora ili ležajeva, toplinsko širenje pri velikoj brzini može uzrokovati aksijalni pomak. Rezervirajte odgovarajući aksijalni razmak u dizajnu ili usvojite elastičnu strukturu predopterećenja.

2. Električni i signalni lanac - održavajte signale čistima i pravodobnima

(1) Odaberite pravu vrstu senzora

Za aplikacije velike brzine dajte prednost  TMR ili GMR senzorima , budući da njihova propusnost obično doseže stotine kHz ili čak MHz - daleko više od običnih Hallovih senzora. Također osigurajte da magnetska osjetljivost senzora i polje zasićenja odgovaraju karakteristikama prstena.

(2) Koristite izlaz diferencijalnog signala

Diferencijalni izlaz potiskuje smetnje zajedničkog načina rada i poboljšava integritet signala. Ako senzor daje samo jednostrani izlaz, dodajte stupanj diferencijalnog pojačala na prednji kraj.

(3) Smanjite kašnjenje filtra

RC filtri i digitalni filtri uvode fazno kašnjenje. U primjenama velike brzine postavite graničnu frekvenciju filtra dovoljno visoko ili koristite filtre  linearne faze s malim kašnjenjem  . Za visokofrekventni šum koji doista treba ukloniti, razmislite o izglađivanju nakon izračuna kuta umjesto pretjeranog filtriranja neobrađenih signala.

(4) Optimizirajte zračni raspor između prstena i senzora

Preveliki zračni raspor smanjuje amplitudu signala; premali razmak riskira trljanje zbog vibracija pri velikoj brzini. Obično odaberite zračni raspor od  0,3–1,0 mm  na temelju specifikacija prstena i osjetljivosti senzora te eksperimentalno odredite optimalnu vrijednost.

(5) Provedite odgovarajuću zaštitu i uzemljenje

Za ožičenje senzora koristite oklopljene kabele s upredenim paricama, uzemljite oklop u jednoj točki i držite kabel podalje od električnih vodova motora i tragova velike struje kako biste smanjili elektromagnetsko spajanje.

3. Razina algoritma - koristite 'softver' za kompenzaciju 'hardverskih' nedostataka

Nakon poboljšanja hardvera, zaostala odstupanja mogu se dodatno ispraviti algoritmima.

(1) Offline kalibracija i kompenzacija pregledne tablice

U uvjetima stacionarnog stanja male brzine, upotrijebite referentni enkoder visoke preciznosti (npr. optički enkoder) za izvođenje kalibracije cijelog kruga magnetskog enkodera, zabilježite odstupanje na svakom položaju i napravite kompenzacijsku tablicu. Tijekom stvarnog rada potražite ispravak na temelju trenutnog položaja.

Ova metoda učinkovito eliminira periodična fazna odstupanja, ali ima ograničen učinak na dodatna dinamička odstupanja koja se pojavljuju pri velikoj brzini.

(2) Dinamička fazna kompenzacija

Ako odstupanja uglavnom proizlaze iz fiksnog kašnjenja u lancu signala, izračunajte kašnjenje kuta prema:

gdje je  w  kutna brzina, a t _d ukupno kašnjenje sustava. Usmjerite ovu kompenzaciju prema izlaznom kutu, što može značajno poboljšati točnost velike brzine unutar određenog raspona brzine.

(3) Adaptivno filtriranje i promatrači

Za nasumično podrhtavanje pri velikoj brzini koristite Kalmanove filtre, promatrače u kliznom načinu rada ili slične metode za spajanje kuta kodera s modelom motora, potiskujući visokofrekventni šum uz očuvanje signala pravog kuta.

(4) Temperaturna kompenzacija

Promjene remanencije izazvane temperaturom utječu na amplitudu signala. Postavite temperaturni senzor blizu kodera kako biste uspostavili model kompenzacije temperature-amplitude/faze i primijenili korekciju u stvarnom vremenu.

IV. Kratka studija slučaja rješavanja problema

Servo motor pokazao je periodično fazno odstupanje od oko 3,5° u odnosu na svoj magnetski enkoder pri 15 000 o/min, uzrokujući oscilaciju strujne petlje. Tim je slijedio ove korake:

1. Mehanički pregled : Utvrđeno je da koaksijalnost prstena iznosi 0,08 mm; nakon ponovne ugradnje smanjen je na 0,03 mm, a odstupanje je palo na 2,1°.

2. Zamjena senzora : standardni Hallov senzor zamijenjen je TMR diferencijalnim senzorom veće propusnosti, a granična frekvencija filtra podignuta je s 20 kHz na 100 kHz - odstupanje je dodatno smanjeno na 0,9°.

3. Kompenzacija algoritma : Dodana je kompenzacija unaprijed s fiksnim odgodom, nakon čega je uslijedila izvanmrežna kalibracija cijelog kruga na ispitnom stolu. Konačna fazna devijacija velike brzine kontrolirana je do unutar  0,3° , ispunjavajući zahtjeve kontrole.

Ovaj slučaj pokazuje da  jedna mjera često rješava samo dio problema - kombinacija mehaničkih, električnih i algoritamskih poboljšanja daje najbolje rezultate.

Zaključak

Fazno odstupanje magnetskog prstena u senzoru robotskog magnetskog enkodera pri velikoj brzini inherentno je multifaktorski problem. Pogreške mehaničke instalacije, nedovoljna propusnost senzora, kašnjenja signala, smanjena kvaliteta magnetskog polja i elektromagnetske smetnje pojačavaju se velikom brzinom.

Prilikom rješavanja problema slijedite redoslijed:  prvo mehanika, zatim elektrika, zatim algoritmi :

·  Prvo, osigurajte da su koaksijalnost, dinamičko balansiranje i zračni raspor dobro uspostavljeni;

·  Zatim optimizirajte odabir senzora i lanac signala kako biste jamčili čiste signale s malim kašnjenjem;

·  Konačno, koristite algoritme kalibracije i kompenzacije za 'fino podešavanje' preostalih pogrešaka.

Za većinu brzih aplikacija, nakon takve sustavne popravke, fazna devijacija magnetskog enkodera može se održati unutar prihvatljivog raspona, omogućujući servo sustavu da ostane stabilan i točan čak i pri velikim brzinama.