Da dove viene la deviazione di fase di un anello magnetico rotante ad alta velocità? – Guida alla risoluzione dei problemi per il sensore dell'encoder magnetico del robot

In applicazioni di controllo del movimento ad alte prestazioni come servomotori, giunti di robot e mandrini elettrici, magnetici gli encoder stanno guadagnando popolarità grazie alle dimensioni ridotte, alla resistenza all'olio, alla tolleranza alle vibrazioni e al basso costo. Tuttavia, molti ingegneri incontrano un problema spinoso durante i test di rotazione ad alta velocità:  l'angolo riportato dall'encoder si discosta dalla posizione effettiva del rotore, una 'deviazione di fase'  che peggiora con l'aumentare della velocità. A basse velocità può causare solo una leggera ondulazione di velocità e un aumento del rumore, ma a velocità elevate può portare a instabilità del controllo.

I. In che modo il sensore dell'encoder magnetico del robot 'vede' l'angolo?

Rivediamo brevemente la struttura base di un encoder magnetico.

Un tipico encoder magnetico è costituito da tre parti:

1. Anello magnetico : montato sull'estremità del rotore o sull'estensione dell'albero, con più coppie polari (N/S alternate) distribuite attorno alla sua circonferenza.

2. Sensore magnetico : comunemente Hall, AMR, GMR, TMR, ecc., posizionato vicino alla superficie dell'anello per rilevare le variazioni del campo magnetico.

3. Circuito di elaborazione del segnale : amplifica, condiziona e interpola i segnali deboli del sensore, emettendo infine impulsi angolari o di quadratura.

Mentre l'anello magnetico ruota, il sensore rileva i cambiamenti periodici del campo magnetico ed emette segnali quasi sinusoidali/cosinusoidali. Risolvendo la fase di questi due segnali si ottiene l'angolo del rotore.

Idealmente, la distribuzione del campo magnetico è perfettamente sinusoidale e l'uscita del sensore corrisponde strettamente all'angolo meccanico. Tuttavia, durante la rotazione ad alta velocità, questa 'corrispondenza ideale' viene interrotta da molteplici fattori ed emerge una deviazione di fase.

II. Che cos'è la deviazione di fase e perché diventa più pronunciata ad alta velocità?

In poche parole,  la deviazione di fase è la differenza tra 'l'angolo percepito dall'encoder' e 'l'angolo reale del rotore'.

Ad esempio, se il rotore è effettivamente a 30° ma l'encoder emette 32°, quel 2° è la deviazione di fase. A bassa velocità, questa deviazione potrebbe essere solo di 0,1° e appena percettibile; ma all'aumentare della velocità, la deviazione può amplificarsi fino a diversi gradi o addirittura oltre dieci gradi, degradando significativamente le prestazioni di controllo.

Perché la deviazione si amplifica ad alta velocità? Le ragioni principali sono le seguenti.

1. Gli errori di installazione meccanica vengono 'ingigantiti'

Il perfetto allineamento coassiale tra l'anello magnetico e l'albero è impossibile. Supponiamo che l'anello abbia un'eccentricità di 0,05 mm: -a bassa velocità, il sensore può ancora tollerare la distorsione di campo risultante; ad alta velocità, la forza centrifuga e le vibrazioni aumentano l'eccentricità, distorcendo la forma d'onda magnetica e causando una deviazione periodica di fase.

Allo stesso modo, l'eccentricità della superficie terminale dell'anello, il gioco assiale e lo scarso equilibrio dinamico introducono ulteriori disturbi ad alta frequenza ad alta velocità.

2. La velocità di risposta del sensore è insufficiente

All'aumentare della velocità dell'anello, aumenta di conseguenza la frequenza della variazione del campo magnetico. Ad esempio, con un anello a 32 coppie di poli a 10.000 giri al minuto, la frequenza di campo è di circa 5,3 kHz; a 30.000 giri supera i 16 kHz.

I sensori Hall comuni possono avere larghezze di banda di sole decine di kHz o anche inferiori: ad alta velocità, l'ampiezza di uscita si attenua e presenta ritardi di fase, con conseguenti errori angolari. Anche se il sensore stesso è veloce, anche un ritardo eccessivo nei successivi circuiti di filtro può causare un ritardo di fase.

3. Degrado della qualità del campo dell'anello magnetico

Ad alta velocità, le perdite di correnti parassite all'interno dell'anello provocano un riscaldamento localizzato. All’aumentare della temperatura, la rimanenza e la coercività cambiano, riducendo l’intensità del campo e distorcendo la forma d’onda.

Inoltre, la magnetizzazione non uniforme, le zone di transizione eccessivamente ampie tra i poli e la selezione impropria dei numeri di coppie polari aumentano il contenuto armonico nel campo magnetico ad alta velocità, ampliando gli errori di calcolo della fase.

4. Interferenza elettromagnetica e integrità del segnale

Ad alta velocità, le correnti PWM ad alta frequenza negli avvolgimenti del motore, le correnti dell'albero e le linee ad alta potenza vicine generano interferenze. I deboli segnali di uscita del sensore, una volta contaminati, causano jitter ed errori nel rilevamento del passaggio per lo zero o nel calcolo della fase.

III. Strategia di risoluzione dei problemi: approcci meccanici, elettrici e algoritmici

Per affrontare le cause di cui sopra, è possibile intraprendere azioni correttive a tre livelli:  installazione meccanica, catena di sensori e segnali e compensazione dell'algoritmo.

1. Livello meccanico: gettare prima una base solida

Molti problemi di deviazione di fase non derivano dall'elettronica ma dall'installazione meccanica.

(1) Controllare rigorosamente la coassialità e l'eccentricità della superficie frontale

Dopo aver montato l'anello magnetico, la coassialità deve essere mantenuta entro  0,03–0,05 mm e l'eccentricità della faccia finale entro  0,02 mm . Utilizzare raccordi termoretraibili, incollaggi adesivi o dispositivi dedicati per il posizionamento ed evitare martellamenti che potrebbero inclinare l'anello.

(2) Eseguire il bilanciamento dinamico

Sebbene l'anello sia leggero, la forza centrifuga ad alta velocità non è trascurabile. Dopo l'installazione, effettuare il bilanciamento dinamico generale per ridurre gli errori di segnale indotti dalle vibrazioni.

(3) Evitare forze assiali sull'anello magnetico

Se l'anello è vicino alla copertura terminale del motore o ai cuscinetti, l'espansione termica ad alta velocità può causare uno spostamento assiale. Riservare un adeguato gioco assiale nella progettazione o adottare una struttura di precarico elastico.

2. Catena elettrica e di segnale: mantenere i segnali puliti e tempestivi

(1) Scegli il tipo di sensore giusto

Per le applicazioni ad alta velocità, preferisci  i sensori TMR o GMR , poiché la loro larghezza di banda raggiunge tipicamente centinaia di kHz o addirittura MHz, molto più elevata rispetto ai normali sensori Hall. Assicurarsi inoltre che la sensibilità magnetica e il campo di saturazione del sensore corrispondano alle caratteristiche dell'anello.

(2) Utilizzare l'uscita del segnale differenziale

L'uscita differenziale sopprime le interferenze di modo comune e migliora l'integrità del segnale. Se il sensore fornisce solo un'uscita single-ended, aggiungere uno stadio amplificatore differenziale nella parte anteriore.

(3) Ridurre il ritardo del filtro

I filtri RC e i filtri digitali introducono un ritardo di fase. Nelle applicazioni ad alta velocità, impostare la frequenza di taglio del filtro su un valore sufficientemente alto oppure utilizzare filtri  a fase lineare a basso ritardo  . Per il rumore ad alta frequenza che necessita veramente di essere rimosso, prendere in considerazione la possibilità di livellare dopo il calcolo dell'angolo anziché filtrare eccessivamente i segnali grezzi.

(4) Ottimizzare il traferro tra anello e sensore

Un traferro eccessivo riduce l'ampiezza del segnale; uno spazio troppo piccolo rischia di sfregare a causa delle vibrazioni ad alta velocità. In genere scegliere un traferro di  0,3–1,0 mm  in base alle specifiche dell'anello e alla sensibilità del sensore e determinare sperimentalmente il valore ottimale.

(5) Implementare una schermatura e una messa a terra adeguate

Utilizzare cavi schermati a doppino intrecciato per il cablaggio del sensore, mettere a terra la schermatura in un unico punto e tenere il cavo lontano dalle linee di alimentazione del motore e dalle tracce ad alta corrente per ridurre l'accoppiamento elettromagnetico.

3. Livello dell'algoritmo: utilizzare il 'software' per compensare le carenze dell''hardware'

Dopo i miglioramenti hardware, le deviazioni residue possono essere ulteriormente corrette mediante algoritmi.

(1) Calibrazione offline e compensazione della tabella di ricerca

In condizioni di bassa velocità e di stato stazionario, utilizzare un codificatore di riferimento ad alta precisione (ad esempio, un codificatore ottico) per eseguire la calibrazione a cerchio completo del codificatore magnetico, registrare la deviazione in ciascuna posizione e creare una tabella di compensazione. Durante il funzionamento effettivo, cercare la correzione in base alla posizione corrente.

Questo metodo elimina efficacemente le deviazioni periodiche di fase, ma ha un effetto limitato sulle deviazioni dinamiche aggiuntive che compaiono ad alta velocità.

(2) Compensazione di fase dinamica

Se le deviazioni derivano principalmente da un ritardo fisso nella catena del segnale, calcolare il ritardo angolare mediante:

dove  w  è la velocità angolare e t _d è il ritardo totale del sistema. Alimenta questa compensazione verso l'angolo di uscita, che può migliorare significativamente la precisione ad alta velocità entro un determinato intervallo di velocità.

(3) Filtraggio adattivo e osservatori

Per il jitter casuale ad alta velocità, utilizzare filtri di Kalman, osservatori in modalità scorrevole o metodi simili per fondere l'angolo dell'encoder con un modello di motore, sopprimendo il rumore ad alta frequenza e preservando il segnale dell'angolo reale.

(4) Compensazione della temperatura

I cambiamenti nella rimanenza indotti dalla temperatura influenzano l’ampiezza del segnale. Posizionare un sensore di temperatura vicino all'encoder per stabilire un modello di compensazione temperatura-ampiezza/fase e applicare la correzione in tempo reale.

IV. Breve caso di studio sulla risoluzione dei problemi

Un servomotore ha mostrato una deviazione di fase periodica di circa 3,5° rispetto al suo encoder magnetico a 15.000 giri al minuto, provocando l'oscillazione del circuito di corrente. Il team ha seguito questi passaggi:

1. Controllo meccanico : La coassialità dell'anello è risultata essere di 0,08 mm; dopo la reinstallazione si è ridotta a 0,03 mm e la deviazione è scesa a 2,1°.

2. Sostituzione del sensore : il sensore Hall standard è stato sostituito con un sensore differenziale TMR con larghezza di banda maggiore e la frequenza di taglio del filtro è stata aumentata da 20 kHz a 100 kHz, con deviazione ulteriormente ridotta a 0,9°.

3. Compensazione dell'algoritmo : è stata aggiunta la compensazione feedforward a ritardo fisso, seguita dalla calibrazione offline a ciclo completo sul banco di prova. La deviazione finale della fase ad alta velocità è stata controllata entro  0,3° , soddisfacendo i requisiti di controllo.

Questo caso dimostra che  una singola misura spesso risolve solo una parte del problema: una combinazione di miglioramenti meccanici, elettrici e algoritmici produce i risultati migliori.

Conclusione

La deviazione di fase dell'anello magnetico in un sensore encoder magnetico di un robot ad alta velocità è intrinsecamente un problema multifattoriale. Errori di installazione meccanica, larghezza di banda insufficiente del sensore, ritardi del segnale, qualità del campo magnetico degradata e interferenze elettromagnetiche sono tutti amplificati ad alta velocità.

Durante la risoluzione dei problemi, seguire la sequenza:  prima la meccanica, poi l'elettronica, quindi gli algoritmi :

·  Innanzitutto, garantire che la coassialità, il bilanciamento dinamico e il traferro siano solidamente stabiliti;

·  Ottimizzare quindi la selezione del sensore e la catena del segnale per garantire segnali puliti e con basso ritardo;

·  Infine, utilizzare algoritmi di calibrazione e compensazione per 'perfezionare' gli errori residui.

Per la maggior parte delle applicazioni ad alta velocità, dopo tale correzione sistematica, la deviazione di fase dell'encoder magnetico può essere mantenuta entro un intervallo accettabile, consentendo al servosistema di rimanere stabile e preciso anche a velocità elevate.