Honnan származik a nagy sebességű forgó mágnesgyűrű fáziseltérése? – Hibaelhárítási útmutató a robot mágneses kódoló érzékelőjéhez

A nagy teljesítményű mozgásvezérlő alkalmazásokban, mint például szervomotorok, robotcsuklók és elektromos orsók, mágneses a kódolók egyre népszerűbbek kis méretük, olajállóságuk, rezgéstűrésük és alacsony költségük miatt. Sok mérnök azonban kényes problémával találkozik a nagy sebességű forgásteszt során:  az enkóder által jelzett szög eltér a forgórész tényleges helyzetétől – 'fáziseltérés'  , ami a fordulatszám növekedésével romlik. Alacsony fordulatszámon csak enyhe sebességfodrozódást és fokozott zajt okozhat, de nagy sebességnél a vezérlés instabilitásához vezethet.

I. Hogyan látja a szöget a robot mágneses kódoló érzékelője?

Tekintsük át röviden a mágneses kódoló alapvető felépítését.

Egy tipikus mágneses kódoló három részből áll:

1. Mágneses gyűrű : a forgórész végére vagy a tengely hosszabbítójára van felszerelve, több póluspárral (N/S váltakozva) a kerülete mentén.

2. Mágneses érzékelő : általában Hall, AMR, GMR, TMR stb., a gyűrű felületéhez közel helyezve a mágneses tér változásainak érzékelésére.

3. Jelfeldolgozó áramkör : felerősíti, kondicionálja és interpolálja a gyenge szenzorjeleket, végül szög- vagy kvadratúra impulzusokat ad ki.

Ahogy a mágneses gyűrű forog, az érzékelő észleli a mágneses tér periodikus változásait, és kvázi-szinuszos/koszinuszos jeleket ad ki. E két jel fázisának feloldásával megkapjuk a forgórész szögét.

Ideális esetben a mágneses tér eloszlása ​​tökéletesen szinuszos, és az érzékelő kimenete szigorúan megfelel a mechanikai szögnek. Nagy sebességű forgás esetén azonban ezt az 'ideális megfelelést' több tényező is megzavarja, és fáziseltérés jelentkezik.

II. Mi az a fáziseltérés, és miért válik nagyobb sebességgel kifejezettebbé?

Egyszerűen fogalmazva,  a fáziseltérés a 'a kódoló által érzékelt szög' és a 'valódi forgórészszög' közötti különbség..

Például, ha a rotor valójában 30°-ban van, de a jeladó 32°-ot ad ki, akkor ez a 2° fáziseltérés. Alacsony sebességnél ez az eltérés csak 0,1° lehet, és alig észrevehető; de a sebesség növekedésével az eltérés több fokkal vagy akár tíz fok fölé is felerősödhet, jelentősen rontva a vezérlési teljesítményt.

Miért erősödik fel az eltérés nagy sebességnél? A fő okok a következők.

1. A mechanikai telepítési hibák 'nagyítva'

A mágnesgyűrű és a tengely közötti tökéletes koaxiális beállítás lehetetlen. Tegyük fel, hogy a gyűrű excentricitása 0,05 mm -alacsony sebességnél az érzékelő még elviseli az ebből eredő tértorzulást; nagy sebességnél a centrifugális erő és a rezgés növeli az excentricitást, torzítva a mágneses hullámformát és periodikus fáziseltérést okozva.

Hasonlóképpen, a gyűrű végfelületének kifutása, a tengelyirányú játék és a rossz dinamikus egyensúly további nagyfrekvenciás zavarokat okoz nagy sebességnél.

2. Az érzékelő válaszsebessége nem elegendő

A gyűrűsebesség növekedésével a mágneses tér változásának frekvenciája ennek megfelelően nő. Például egy 32 póluspáros gyűrűnél 10 000 ford./percnél a térfrekvencia körülbelül 5,3 kHz; 30 000 ford./percnél meghaladja a 16 kHz-et.

A Common Hall érzékelők sávszélessége csak több tíz kHz vagy még ennél is alacsonyabb lehet – nagy sebességnél a kimeneti amplitúdó csillapodik és fáziskésések, ami szöghibákat eredményez. Még ha maga az érzékelő gyors is, a következő szűrőáramkörök túlzott késleltetése is fáziskésést okozhat.

3. A mágnesgyűrű términőségének romlása

Nagy sebességnél a gyűrűn belüli örvényáram-veszteség helyi felmelegedést okoz. A hőmérséklet emelkedésével a remanencia és a koercitivitás megváltozik, ami csökkenti a térerőt és torzítja a hullámformát.

Ezenkívül az egyenetlen mágnesezés, a pólusok közötti túlságosan széles átmeneti zónák és a póluspárok nem megfelelő megválasztása növeli a nagy sebességű mágneses tér harmonikus tartalmát, növelve a fázisszámítási hibákat.

4. Elektromágneses interferencia és jelintegritás

Nagy sebességnél a motortekercsekben, tengelyáramok és a közeli nagy teljesítményű vezetékek nagyfrekvenciás PWM áramai interferenciát keltenek. Az érzékelő gyenge kimeneti jelei, ha egyszer szennyezettek, rezgést és hibát okoznak a nulla-átlépés észlelésében vagy a fázisszámításban.

III. Hibaelhárítási stratégia: mechanikus, elektromos és algoritmikus megközelítések

A fenti okok kezelésére három szinten lehet korrekciós intézkedéseket tenni:  mechanikus telepítés, érzékelő és jellánc, valamint algoritmus kompenzáció.

1. Mechanikai szint - először fektesse le a szilárd alapot

Sok fáziseltérési probléma nem az elektronikából, hanem a mechanikai szerelésből ered.

(1) Szigorúan szabályozza a koaxialitást és a végfelületi kifutást

A mágnesgyűrű felszerelése után a koaxialitást  0,03-0,05 mm- en belül kell tartani , a végfelületi kifutást pedig  0,02 mm- en belül . A pozicionáláshoz használjon zsugorkötést, öntapadó kötést vagy speciális rögzítőelemeket, és kerülje a kalapálást, amely megbillentheti a gyűrűt.

(2) Hajtsa végre a dinamikus kiegyensúlyozást

Bár a gyűrű könnyű, a centrifugális erő nagy sebességnél nem elhanyagolható. A telepítés után végezzen általános dinamikus kiegyensúlyozást a vibráció által kiváltott jelhibák csökkentése érdekében.

(3) Kerülje a mágneses gyűrűre ható tengelyirányú erőket

Ha a gyűrű közel van a motor végburkolatához vagy a csapágyakhoz, a nagy sebességű hőtágulás tengelyirányú elmozdulást okozhat. Tartson fenn megfelelő axiális hézagot a tervezésben, vagy alkalmazzon rugalmas előfeszítő szerkezetet.

2. Elektromos és jelzőlánc - tartsa tisztán és időben a jeleket

(1) Válassza ki a megfelelő érzékelőtípust

A nagy sebességű alkalmazásokhoz előnyben részesítse  a TMR vagy GMR érzékelőket , mivel ezek sávszélessége jellemzően eléri a több száz kHz-et vagy akár MHz-et – jóval nagyobb, mint a hagyományos Hall érzékelőké. Győződjön meg arról is, hogy az érzékelő mágneses érzékenysége és telítettsége megegyezik a gyűrű jellemzőivel.

(2) Használjon differenciális jelkimenetet

A differenciális kimenet elnyomja a közös módú interferenciát és javítja a jel integritását. Ha az érzékelő csak egyvégű kimenetet biztosít, adjon hozzá egy differenciálerősítő fokozatot az elülső véghez.

(3) Csökkentse a szűrő késleltetését

Az RC szűrők és a digitális szűrők fáziskésleltetést vezetnek be. Nagy sebességű alkalmazásoknál állítsa kellően magasra a szűrő vágási frekvenciáját, vagy használjon  alacsony késleltetésű, lineáris fázisú  szűrőket. A valóban eltávolítandó nagyfrekvenciás zajok esetén fontolja meg a szögszámítás utáni simítást a nyers jelek túlszűrése helyett.

(4) Optimalizálja a légrést a gyűrű és az érzékelő között

A túl nagy légrés csökkenti a jel amplitúdóját; túl kicsi rés esetén nagy sebességnél dörzsölődhet a vibráció. Általában légrést , és kísérleti úton határozza meg az optimális értéket. 0,3-1,0 mm  a gyűrű specifikációi és az érzékelő érzékenysége alapján válasszon

(5) Megfelelő árnyékolást és földelést kell megvalósítani

Használjon árnyékolt, csavart érpárú kábeleket az érzékelők bekötéséhez, földelje le az árnyékolást egyetlen ponton, és tartsa távol a kábelt a motor tápvezetékeitől és a nagyáramú nyomoktól az elektromágneses csatolás csökkentése érdekében.

3. Algoritmusszint - 'szoftver' használata a 'hardver' hiányosságok kompenzálására

A hardveres fejlesztések után a maradék eltérések algoritmusokkal tovább korrigálhatók.

(1) Offline kalibrálás és keresési táblázat kompenzáció

Alacsony fordulatszámú, állandósult állapotú körülmények között nagy pontosságú referenciakódolót (pl. optikai kódolót) használjon a mágneses kódoló teljes körben történő kalibrálásához, rögzítse az eltéréseket minden pozícióban, és készítsen kompenzációs táblázatot. A tényleges működés során keresse meg a korrekciót az aktuális pozíció alapján.

Ez a módszer hatékonyan kiküszöböli a periodikus fáziseltéréseket, de korlátozott hatással van a nagy sebességnél megjelenő további dinamikus eltérésekre.

(2) Dinamikus fáziskompenzáció

Ha az eltérések főként a jellánc rögzített késleltetéséből adódnak, számítsa ki a szögkésleltetést a következőképpen:

ahol  w  a szögsebesség és t _d a rendszer teljes késleltetése. Ezt a kompenzációt továbbítsa a kimeneti szögbe, ami jelentősen javíthatja a nagy sebességű pontosságot egy bizonyos sebességtartományon belül.

(3) Adaptív szűrés és megfigyelők

Nagy sebességű véletlenszerű jitter esetén használjon Kalman-szűrőket, csúszómódú megfigyelőket vagy hasonló módszereket a kódoló szögének motormodellel való egyesítésére, elnyomva a nagyfrekvenciás zajokat, miközben megőrzi a valódi szögjelet.

(4) Hőmérséklet kompenzáció

A remanencia hőmérséklet-indukált változásai befolyásolják a jel amplitúdóját. Helyezzen egy hőmérséklet-érzékelőt a jeladó közelébe a hőmérséklet-amplitúdó/fáziskompenzációs modell létrehozásához és a valós idejű korrekció alkalmazásához.

IV. Rövid hibaelhárítási esettanulmány

Egy szervomotor periódusos fáziseltérése körülbelül 3,5° volt a mágneses jeladójától 15 000 ford./percnél, ami áramhurok oszcillációt okozott. A csapat a következő lépéseket követte:

1. Mechanikai ellenőrzés : A gyűrű koaxialitása 0,08 mm; visszaszerelés után 0,03 mm-re csökkent, az eltérés 2,1°-ra csökkent.

2. Érzékelőcsere : A szabványos Hall-érzékelőt egy nagyobb sávszélességű TMR differenciálérzékelőre cserélték, és a szűrő vágási frekvenciáját 20 kHz-ről 100 kHz-re emelték - az eltérést tovább csökkentették 0,9°-ra.

3. Algoritmus kompenzáció : rögzített késleltetésű előrecsatolási kompenzációt adtunk hozzá, majd teljes körben offline kalibrációt végeztünk a tesztpadon. A végső nagysebességű fáziseltérést  0,3° -on belül szabályoztuk , ami megfelel a szabályozási követelményeknek.

Ez az eset azt szemlélteti, hogy  egyetlen intézkedés gyakran csak a probléma egy részét oldja meg – a mechanikai, elektromos és algoritmikus fejlesztések kombinációja hozza a legjobb eredményt.

Következtetés

A mágneses gyűrű fáziseltérése egy robot mágneses kódoló érzékelőjében nagy sebességnél eleve többtényezős probléma. A mechanikai telepítési hibák, az elégtelen érzékelő sávszélesség, a jelkésések, a romló mágneses mező minősége és az elektromágneses interferencia mind-mind nagy sebességgel felerősödik.

A hibaelhárítás során kövesse az alábbi sorrendet:  először a mechanika, majd az elektromos, majd az algoritmusok :

·  Először is, biztosítsa a koaxialitást, a dinamikus kiegyensúlyozást és a légrés szilárdan létrejöttét;

·  Ezután optimalizálja az érzékelő kiválasztását és a jelláncot a tiszta, alacsony késleltetésű jelek garantálása érdekében;

·  Végül használjon kalibrációs és kompenzációs algoritmusokat a maradék hibák 'finomhangolására'.

A legtöbb nagysebességű alkalmazásnál ilyen szisztematikus helyreállítás után a mágneses kódoló fáziseltérése elfogadható tartományon belül tartható, ami lehetővé teszi, hogy a szervorendszer stabil és pontos maradjon még nagy fordulatszámon is.