ロボットの関節、サーボモーター、ジンバルなどの高精度モーション制御アプリケーションでは、非接触動作、汚染物質への耐性、コンパクトなサイズのおかげで、磁気エンコーダが位置フィードバックデバイスの中核となることが増えています。しかし、多くのエンジニアは、実際にはイライラする問題、つまり 角度ドリフトに遭遇します。つまり、モーターが静止しているときでも、角度の読み取り値がゆっくりと「ふらつき」、温度変化によって精度が大幅に低下します。磁気コードディスクの角度ドリフトはどこから発生し、どうすれば修正できるのでしょうか?
1. 角度ドリフトとは何ですか?またその原因は何ですか?
あ 磁気エンコーダは 、モータ軸に取り付けられた永久磁石の回転磁界を検出し、90°の位相差を持ったサイン/コサイン信号を出力し、逆正接関数により角度を算出します。理論的には、これは完璧な測定チェーンです。しかし、実際には、さまざまな非理想的な要因により、角度の読み取り値が真の値からずれることがあります。これが「角度ドリフト」です。
要約すると、角度ドリフトは 3 つの主な側面から発生します。
1.1 機械的な取り付けエラー
これが最も一般的な原因です。磁石とセンサーの検出中心の間の半径方向のオフセット (偏心)、回転軸とチップ法線の間の角度 (傾斜)、および過度のまたは変動するエア ギャップはすべて、磁場信号を直接歪めます。たとえば、0.3 mm の偏心により、±2.1° の角度誤差が生じる可能性があります。さらに、不均一な磁化や不規則な磁石の形状により、感知される磁場が理想的な正弦波形から逸脱する可能性があります。
1.2 周囲温度の変化
ホールセンサーや信号処理回路の特性は温度によって変化します。温度が上昇すると、磁石の磁界強度が低下し、チップのオフセット電圧がドリフトし、ADC 基準電圧が変動します。これらの要因が組み合わさって、角度読み取り値に大きな温度ドリフトが生じます。実際の測定によると、磁石の品質が異なると、ゼロ点温度ドリフトは +0.02 °/℃ から +0.15 °/℃ まで悪化する可能性があります。
1.3 外部干渉と動的要因
横方向の干渉磁場によりリサージュ図形の中心が移動し、0°と 180°を除くほぼすべての角度で誤差が生じます。さらに、高速モーター動作時の動的応答遅延や電源リップルによる信号ノイズにより、角度読み取りジッターが発生し、不安定になる可能性があります。
2. ソリューション: ハードウェア、キャリブレーション、アルゴリズムの組み合わせ
角度ドリフトを解決する唯一の「特効薬」はありません。機械的設置、チップキャリブレーション、アルゴリズム補償の 3 つのレベルで調整されたアプローチが必要です。
レベル 1: 強固なハードウェア基盤 – ソースでエラーを停止する
正確な取り付けは防御の第一線です。 磁気エンコーダは取り付け公差に非常に敏感です。一般に、エアギャップは 1.0 mm ～ 3.0 mm (2.0 mm が最適)、同軸偏心 ≤ 0.05 mm、および傾斜角 ≤ 3° に維持する必要があります。取り付けの際は、ダイヤル ゲージまたはレーザー アライメント ツールを使用して校正してください。また、エンコーダをモーター巻線やパワートランジスタなどの強力な磁気干渉源から遠ざけてください。必要に応じて、パーマロイ磁気シールドを追加します。
磁石の選択も重要です。 表面磁界強度が 300 mT ～ 500 mT の単一ペアの軸方向磁化円形磁石を選択します。低品質の磁石は磁場が不均一であるだけでなく、温度特性も悪く、ドリフトを直接悪化させます。
電源と PCB の設計は、適切な実践に従う必要があります。 電源リップルは 10 mV 以内に制御する必要があり、SPI 信号線は短く、同じ長さで、きれいに配線する必要があります。磁気検出素子との寄生容量による干渉を軽減するために、チップの下に銅の流し込みやトレースを配置しないでください。
レベル 2: チップ キャリブレーションを最大限に活用する – 工場出荷時の精度を実際に実現する
最新の磁気エンコーダ チップには通常、角度ドリフトに対処する最も直接的な方法である複数のキャリブレーション ステージが組み込まれています。
工場出荷時のキャリブレーション (チップ レベル): ウェハ テスト中に、チップ メーカーは、オンチップ EEPROM に保存されたパラメータを使用して、DC オフセット補償、振幅不均衡補正、および直交誤差補正をすでに実行しています。これが精度の「基礎」です。
ユーザーセルフキャリブレーション (システムレベル): インストール後、モーターを一定速度で 1 回転させます。内蔵 DSP は全回転にわたって角度データを収集し、取り付けの偏心、エアギャップの変動、その他の誤差を自動的に特定して補正します。多くのチップは、外部ホストを必要とせずにワンクリック トリガーをサポートしているため、生産に非常に適しています。
動的温度ドリフト補償: チップはリアルタイムで温度を監視します。温度が校正値から逸脱すると、自動的に温度補償係数を適用して角度を補正します。たとえば、Naxin Micro MT6835 は 3 段階の校正システムを使用して、全温度範囲のドリフトを ±0.08° 以内に保ちます。
レベル 3: アルゴリズム補正 – 精度をさらに向上
さらに高い精度が要求されるアプリケーションの場合は、追加のアルゴリズム補正が必要です。
適応型オンライン校正: 従来のオフライン校正では補償パラメータが固定されており、温度変化や磁石の経年変化による長期ドリフトに適応できません。再帰的最小二乗法 (RLS) に基づく適応アルゴリズムにより、補正パラメータをリアルタイムで更新でき、全温度範囲 (-40 ℃ ～ +125 ℃) にわたって角度誤差を ±0.05° 以内に維持します。
ノイズ低減のためのカルマンフィルタリング： 角度ジッターの原因となる高周波ノイズに対して、カルマンフィルタは観測ノイズを効果的に抑制し、角度出力の安定性を向上させます。
ニューラル ネットワークの補償: 温度ドリフト特性に適合するようにニューラル ネットワーク モデルを構築できます。限られた回数のトレーニング反復の後、高精度の適応温度ドリフト補正が達成されます。
「ハードウェアの設置 + チップのキャリブレーション + アルゴリズムによる補正」というアプローチを組み合わせることにより、最新の磁気エンコーダは驚くほど高い精度を達成できます。
MT6816 は、システムレベルの統合角度誤差を ±0.03°以内に抑えます。.
MT6835 はキャリブレーション後、積分非直線性 (INL) が ±1° から < ±0.07°に改善され、全温度ドリフト < ±0.08°になります。.
一部のハイエンド ソリューションでは、INL を ±0.03°まで最適化し、ジンバルとサーボに必要な ±0.05° レベルの精度を満たします。
4. まとめと展望
本質的に、磁気コード ディスクの角度ドリフトは、機械的、熱的、電磁的、その他の要因による外乱が磁場信号に重畳された結果です。唯一の万能薬はありません。ソリューションはという原則に従う必要があります 、「ハードウェアがベース、キャリブレーションが主力、アルゴリズムが仕上げとなる」。
取り付け精度は基礎であり 、エアギャップ、同軸度、磁石の選択を無視することはできません。
チップ キャリブレーションは主要なツールです 。工場出荷時のキャリブレーションとユーザーによるセルフ キャリブレーションを最大限に活用してください。
アルゴリズム補正は高度なステップです 。要求の厳しいシナリオでは、適応フィルタリングとオンライン キャリブレーションを導入します。
チップの統合が進み、AI アルゴリズムが導入されるにつれて、将来の磁気エンコーダは 「自己検知、自己校正、自己補償」 機能に向けて進化するでしょう。その時点で、角度のドリフトはエンジニアにとってもはや頭痛の種ではなくなり、ロボットの関節の精度と信頼性は新たな高みに達するでしょう。
