Որտեղի՞ց է գալիս բարձր արագությամբ պտտվող մագնիսական օղակի փուլային շեղումը: – Robot Magnetic Encoder Sensor-ի անսարքությունների վերացման ուղեցույց

Շարժման կառավարման բարձր արդյունավետության կիրառություններում, ինչպիսիք են սերվո շարժիչները, ռոբոտի միացումները և էլեկտրական սպինդլերը, մագնիսական Կոդավորիչները դառնում են ժողովրդականություն իրենց փոքր չափի, յուղի դիմադրության, թրթռման հանդուրժողականության և ցածր գնի շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, շատ ինժեներներ բախվում են մի փշոտ խնդրի բարձր արագության պտույտի փորձարկման ժամանակ.  կոդավորիչի կողմից հաղորդված անկյունը շեղվում է ռոտորի իրական դիրքից՝ «փուլային շեղում»,  որը վատթարանում է արագության աճով: Ցածր արագության դեպքում այն ​​կարող է առաջացնել միայն աննշան արագության ալիքներ և աղմուկի ավելացում, բայց բարձր արագության դեպքում դա կարող է հանգեցնել հսկողության անկայունության:

I. Ինչպե՞ս է ռոբոտի մագնիսական կոդավորման սենսորը 'տեսնում' անկյունը:

Եկեք համառոտ վերանայենք մագնիսական կոդավորման հիմնական կառուցվածքը:

Տիպիկ մագնիսական կոդավորիչը բաղկացած է երեք մասից.

1. Մագնիսական օղակ . տեղադրված է ռոտորի ծայրի կամ լիսեռի երկարացման վրա, բազմաթիվ բևեռների զույգերով (N/S փոփոխվող)՝ բաշխված նրա շրջագծի շուրջ:

2. Մագնիսական սենսոր . սովորաբար Hall, AMR, GMR, TMR և այլն, որոնք տեղադրված են օղակի մակերեսին մոտ՝ մագնիսական դաշտի տատանումները զգալու համար:

3. Ազդանշանների մշակման սխեման . ուժեղացնում, պայմանավորում և ինտերպոլացնում է թույլ սենսորային ազդանշանները՝ ի վերջո դուրս բերելով անկյունային կամ քառակուսային իմպուլսներ:

Երբ մագնիսական օղակը պտտվում է, սենսորը հայտնաբերում է մագնիսական դաշտի պարբերական փոփոխությունները և թողարկում քվազի-սինուսոիդային/կոսինուսոիդային ազդանշաններ: Այս երկու ազդանշանների փուլը լուծելով՝ ստացվում է ռոտորի անկյունը։

Իդեալում, մագնիսական դաշտի բաշխումը կատարյալ սինուսոիդային է, և սենսորի ելքը խստորեն համապատասխանում է մեխանիկական անկյունին: Այնուամենայնիվ, բարձր արագությամբ ռոտացիայի դեպքում այս «իդեալական համապատասխանությունը» խաթարվում է բազմաթիվ գործոնների պատճառով, և առաջանում է փուլային շեղում:

II. Ի՞նչ է փուլային շեղումը և ինչու է այն ավելի ցայտուն դառնում բարձր արագությամբ:

Պարզ ասած,  փուլային շեղումը տարբերությունն է 'կոդավորողի կողմից ընկալվող անկյան' և 'ռոտորի իրական անկյունի' միջև։.

Օրինակ, եթե ռոտորն իրականում գտնվում է 30°-ի վրա, բայց կոդավորիչը թողարկում է 32°, ապա այդ 2°-ը փուլային շեղում է: Ցածր արագության դեպքում այս շեղումը կարող է լինել ընդամենը 0,1° և հազիվ նկատելի; բայց արագության աճի հետ շեղումը կարող է ուժեղանալ մի քանի աստիճանով կամ նույնիսկ ավելի քան տասը աստիճանով, ինչը զգալիորեն վատթարացնում է հսկողության կատարումը:

Ինչու՞ է շեղումն ուժեղանում բարձր արագությամբ: Հիմնական պատճառները հետեւյալն են.

1. Մեխանիկական տեղադրման սխալները 'մեծացվել են'

Մագնիսական օղակի և լիսեռի միջև կատարյալ կոաքսիալ հավասարեցում անհնար է: Ենթադրենք, որ օղակն ունի 0,05 մմ էքսցենտրիկություն - ցածր արագությամբ, սենսորը դեռ կարող է հանդուրժել արդյունքում առաջացող դաշտի աղավաղումը; բարձր արագությամբ կենտրոնախույս ուժը և թրթռումը մեծացնում են էքսցենտրիսիտետը՝ խեղաթյուրելով մագնիսական ալիքի ձևը և առաջացնելով փուլային պարբերական շեղումներ։

Նմանապես, օղակի ծայրամասի ելքը, առանցքային խաղը և վատ դինամիկ հավասարակշռությունը առաջացնում են բարձր հաճախականության լրացուցիչ խանգարումներ բարձր արագությամբ:

2. Սենսորի արձագանքման արագությունը անբավարար է

Երբ օղակի արագությունը մեծանում է, մագնիսական դաշտի փոփոխության հաճախականությունը համապատասխանաբար բարձրանում է: Օրինակ, 10000 պտ/րոպում 32 բևեռ զույգ օղակի դեպքում դաշտի հաճախականությունը մոտ 5,3 կՀց է; 30000 պտույտ/րոպեում այն ​​գերազանցում է 16 կՀց-ը:

Common Hall սենսորները կարող են ունենալ միայն տասնյակ կՀց կամ նույնիսկ ավելի ցածր թողունակություն՝ բարձր արագությամբ, ելքային ամպլիտուդը թուլանում է և փուլային ուշացումները, ինչը հանգեցնում է անկյունային սխալների: Նույնիսկ եթե սենսորն ինքնին արագ է, հետագա ֆիլտրի սխեմաների չափազանց ուշացումը կարող է նաև առաջացնել փուլային ուշացում:

3. Մագնիսական օղակի դաշտի որակի վատթարացում

Բարձր արագությամբ օղակի ներսում պտտվող հոսանքի կորուստները հանգեցնում են տեղայնացված տաքացման: Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց փոխվում է ռեմենենտությունը և հարկադրանքը՝ նվազեցնելով դաշտի ուժգնությունը և աղավաղելով ալիքի ձևը:

Բացի այդ, ոչ միատեսակ մագնիսացումը, բևեռների միջև չափազանց լայն անցումային գոտիները և բևեռային զույգ թվերի սխալ ընտրությունը բոլորը մեծ արագությամբ մեծացնում են ներդաշնակության պարունակությունը մագնիսական դաշտում՝ մեծացնելով փուլային հաշվարկի սխալները:

4. Էլեկտրամագնիսական միջամտություն և ազդանշանի ամբողջականություն

Բարձր արագությամբ, բարձր հաճախականության PWM հոսանքները շարժիչի ոլորուններում, լիսեռի հոսանքներում և մոտակայքում գտնվող բարձր էներգիայի գծերում առաջացնում են միջամտություն: Սենսորի թույլ ելքային ազդանշանները, երբ աղտոտված են, առաջացնում են ցնցումներ և սխալներ զրոյական հատման հայտնաբերման կամ փուլի հաշվարկում:

III. Խնդիրների վերացման ռազմավարություն. մեխանիկական, էլեկտրական և ալգորիթմական մոտեցումներ

Վերոնշյալ պատճառները լուծելու համար ուղղիչ գործողություններ կարող են իրականացվել երեք մակարդակով՝  մեխանիկական տեղադրում, սենսորային և ազդանշանային շղթա և ալգորիթմի փոխհատուցում։.

1. Մեխանիկական մակարդակ - նախ ամուր հիմք դրեք

Ֆազային շեղման շատ խնդիրներ ծագում են ոչ թե էլեկտրոնիկայի, այլ մեխանիկական տեղադրումից:

(1) Խստորեն վերահսկեք համակցվածությունը և վերջի դեմքի արտահոսքը

Մագնիսական օղակը ամրացնելուց հետո համակցվածությունը պետք է պահպանվի  0,03–0,05 մմ- ի սահմաններում , իսկ ծայրամասային ելքը՝  0,02 մմ- ի սահմաններում : Դիրքավորման համար օգտագործեք կծկվող կցամասեր, կպչուն կապող կամ հատուկ հարմարանքներ և խուսափեք մուրճից, որը կարող է թեքել օղակը:

(2) Կատարել դինամիկ հավասարակշռում

Թեև օղակը թեթև է, բարձր արագությամբ կենտրոնախույս ուժը աննշան չէ: Տեղադրվելուց հետո կատարեք ընդհանուր դինամիկ հավասարակշռում՝ նվազեցնելու թրթռումներից առաջացած ազդանշանային սխալները:

(3) Խուսափեք մագնիսական օղակի առանցքային ուժերից

Եթե ​​օղակը մոտ է շարժիչի ծայրի կափարիչին կամ առանցքակալներին, բարձր արագությամբ ջերմային ընդլայնումը կարող է առաջացնել առանցքային տեղաշարժ: Նախագծում պահպանեք համապատասխան առանցքային բացվածք կամ ընդունեք առաձգական նախաբեռնված կառուցվածք:

2. Էլեկտրական և ազդանշանային շղթա - ազդանշանները մաքուր և ժամանակին պահեք

(1) Ընտրեք ճիշտ սենսորի տեսակը

Բարձր արագությամբ կիրառությունների համար նախապատվությունը տվեք  TMR կամ GMR սենսորներին , քանի որ դրանց թողունակությունը սովորաբար հասնում է հարյուրավոր կՀց կամ նույնիսկ ՄՀց՝ շատ ավելի բարձր, քան սովորական Hall սենսորները: Նաև համոզվեք, որ սենսորի մագնիսական զգայունությունը և հագեցվածության դաշտը համապատասխանում են օղակի բնութագրերին:

(2) Օգտագործեք դիֆերենցիալ ազդանշանի ելք

Դիֆերենցիալ ելքը ճնշում է ընդհանուր ռեժիմի միջամտությունը և բարելավում է ազդանշանի ամբողջականությունը: Եթե ​​սենսորն ապահովում է միայն միակողմանի ելք, ապա ավելացրեք դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչի փուլ առջևի մասում:

(3) Նվազեցնել ֆիլտրի ուշացումը

RC ֆիլտրերը և թվային ֆիլտրերը ներկայացնում են փուլային ուշացում: Բարձր արագությամբ կիրառություններում սահմանեք ֆիլտրի անջատման հաճախականությունը բավականաչափ բարձր կամ օգտագործեք  ցածր ուշացման, գծային փուլային  զտիչներ: Բարձր հաճախականության աղմուկի համար, որն իսկապես հեռացման կարիք ունի, հաշվի առեք հարթեցնել անկյունը հաշվարկելուց հետո, այլ ոչ թե չափից ավելի զտել չմշակված ազդանշանները:

(4) Օպտիմալացնել օդային բացը օղակի և սենսորի միջև

Օդի չափազանց մեծ բացը նվազեցնում է ազդանշանի ամպլիտուդը. չափազանց փոքր բացը մեծ արագությամբ թրթռման պատճառով վտանգի ենթարկվում է: Որպես կանոն, ընտրեք օդային բացվածք  0,3–1,0 մմ  ՝ հիմնվելով օղակի բնութագրերի և սենսորի զգայունության վրա, և փորձարարորեն որոշեք օպտիմալ արժեքը:

(5) Իրականացնել պատշաճ պաշտպանություն և հիմնավորում

Օգտագործեք պաշտպանված ոլորված զույգ մալուխներ սենսորների միացման համար, հողացրեք վահանը մեկ կետում և մալուխը հեռու պահեք շարժիչի հոսանքի գծերից և բարձր հոսանքի հետքերից՝ էլեկտրամագնիսական միացումը նվազեցնելու համար:

3. Ալգորիթմի մակարդակ - օգտագործեք 'ծրագրակազմ'՝ փոխհատուցելու 'ապարատային' թերությունները

Սարքավորումների կատարելագործումից հետո մնացորդային շեղումները կարող են հետագայում շտկվել ալգորիթմների միջոցով:

(1) Օֆլայն չափորոշում և որոնման աղյուսակի փոխհատուցում

Ցածր արագության, կայուն վիճակի պայմաններում օգտագործեք բարձր ճշգրտության հղման կոդավորիչ (օրինակ՝ օպտիկական կոդավորիչ) մագնիսական կոդավորիչի ամբողջական շրջանակի չափորոշում կատարելու համար, գրանցեք շեղումը յուրաքանչյուր դիրքում և կառուցեք փոխհատուցման աղյուսակ: Փաստացի շահագործման ընթացքում փնտրեք ուղղումը ընթացիկ դիրքի հիման վրա:

Այս մեթոդը արդյունավետորեն վերացնում է փուլային պարբերական շեղումները, սակայն սահմանափակ ազդեցություն ունի լրացուցիչ դինամիկ շեղումների վրա, որոնք հայտնվում են բարձր արագությամբ:

(2) Դինամիկ փուլային փոխհատուցում

Եթե ​​շեղումները հիմնականում առաջանում են ազդանշանային շղթայի ֆիքսված ուշացումից, ապա անկյան ուշացումը հաշվարկեք հետևյալով.

որտեղ  w-ը  անկյունային արագությունն է, իսկ t _d-ը համակարգի ընդհանուր ուշացումն է: Սնուցեք այս փոխհատուցումը դեպի ելքային անկյուն, որը կարող է զգալիորեն բարելավել բարձր արագության ճշգրտությունը որոշակի արագության միջակայքում:

(3) Հարմարվողական զտում և դիտորդներ

Բարձր արագությամբ պատահական ցնցումների համար օգտագործեք Kalman զտիչներ, սահող ռեժիմի դիտորդներ կամ նմանատիպ մեթոդներ՝ կոդավորիչի անկյունը շարժիչի մոդելի հետ միացնելու համար՝ ճնշելով բարձր հաճախականության աղմուկը՝ պահպանելով իրական անկյան ազդանշանը:

(4) Ջերմաստիճանի փոխհատուցում

Ջերմաստիճանի հետևանքով առաջացած փոփոխությունները ռեմենենտում ազդում են ազդանշանի ամպլիտուդի վրա: Տեղադրեք ջերմաստիճանի սենսոր կոդավորիչի մոտ՝ ջերմաստիճանի ամպլիտուդի/ֆազի փոխհատուցման մոդել ստեղծելու և իրական ժամանակում ուղղում կիրառելու համար:

IV. Համառոտ խնդիրների լուծման դեպքի ուսումնասիրություն

Սերվո շարժիչն իր մագնիսական կոդավորիչից մոտ 3,5° պարբերական շեղում էր ցուցադրում 15000 պտ/րոպում, առաջացնելով հոսանքի հանգույցի տատանումներ: Թիմը հետևեց հետևյալ քայլերին.

1. Մեխանիկական զննում . Օղակի համակցվածությունը գտնվել է 0,08 մմ; վերատեղադրումից հետո այն կրճատվել է մինչև 0,03 մմ, իսկ շեղումը նվազել է մինչև 2,1°:

2. Սենսորների փոխարինում . ստանդարտ Hall սենսորը փոխարինվեց ավելի մեծ թողունակության TMR դիֆերենցիալ սենսորով, և ֆիլտրի անջատման հաճախականությունը բարձրացվեց 20 կՀց-ից մինչև 100 կՀց - շեղումը հետագայում նվազեց մինչև 0,9°:

3. Ալգորիթմի փոխհատուցում . ավելացվել է ֆիքսված հետաձգման առաջընթացի փոխհատուցում, որին հաջորդել է ամբողջ շրջանակով անցանց չափորոշումը փորձարկման նստարանին: Վերջնական բարձր արագության փուլի շեղումը վերահսկվել է մինչև  0.3°-ի սահմաններում ՝ համապատասխանելով հսկողության պահանջներին:

Այս դեպքը ցույց է տալիս, որ  մեկ չափումը հաճախ լուծում է խնդրի միայն մի մասը. մեխանիկական, էլեկտրական և ալգորիթմական բարելավումների համադրությունը տալիս է լավագույն արդյունքները։.

Եզրակացություն

Ռոբոտի մագնիսական կոդավորիչի սենսորում մագնիսական օղակի փուլային շեղումը բարձր արագությամբ իր էությամբ բազմագործոն խնդիր է: Մեխանիկական տեղադրման սխալները, սենսորների անբավարար թողունակությունը, ազդանշանի ուշացումները, մագնիսական դաշտի որակի վատթարացումը և էլեկտրամագնիսական միջամտությունը բոլորն ուժեղացվում են բարձր արագությամբ:

Խնդիրները լուծելիս հետևեք հաջորդականությանը.  սկզբում մեխանիկա, ապա էլեկտրական, ապա ալգորիթմներ .

·  Նախ, ապահովեք համակցվածությունը, դինամիկ հավասարակշռությունը և օդային բացը ամուր հաստատված են.

·  Այնուհետև օպտիմիզացրեք սենսորների ընտրությունը և ազդանշանային շղթան՝ երաշխավորելու մաքուր, ցածր ուշացման ազդանշաններ;

·  Վերջապես, օգտագործեք տրամաչափման և փոխհատուցման ալգորիթմները մնացորդային սխալները 'մանրագործելու' համար:

Բարձր արագությամբ կիրառությունների մեծ մասի համար, նման համակարգված վերականգնումից հետո, մագնիսական կոդավորիչի փուլային շեղումը կարող է պահպանվել ընդունելի տիրույթում, ինչը թույլ է տալիս սերվո համակարգին մնալ կայուն և ճշգրիտ նույնիսկ բարձր արագությունների դեպքում: