1. 信号ジッター: ロボット関節制御における中心的な問題点
ロボットの関節、パンチルトユニット、高精度サーボシステムなど、厳密な位置制御が要求される用途に 磁気式エンコーダは 、その非接触動作、高い信頼性、長い耐用年数により、従来の光学式エンコーダに急速に取って代わりつつあります。しかし、多くのエンジニアは、実際のデバッグ中にイライラする問題に遭遇します。 、角度の読み取り値が不安定で、周期的なジャンプやランダムなノイズが発生するなど、.
信号ジッターの症状はさまざまです。低速では、高周波の小振幅角度ジャンプにより、速度ループの変動、位置決めの震え、トルク リップルの増加が発生します。 A/B 直交出力のパルス幅は不均一になり、位相差は約 90° でジッタリングします。ひどい場合には、通信フレームのロスやデータの不具合が発生し、制御精度の直接的な低下やモーターの異音の発生、さらにはシステムダウンの原因となることもあります。
あるエンジニアはオンライン フォーラムで次のように述べています。 「磁気エンコーダのジッターによる A/B 出力のパルス幅は、一定速度であっても幅が不均一ですが、光学式エンコーダにはこの問題がありません。」 この比較は問題の本質を浮き彫りにしています。磁気エンコーダの信号ジッターは チップ固有の欠陥ではなく、の複数の要因が組み合わさった結果です。 ハードウェア レイアウト、磁気回路設計、信号整合性、ソフトウェア処理など.
2. 信号ジッターの 3 つの根本原因
2.1 機械的設置エラー – 最も一般的な原因
磁気エンコーダは、エアギャップ、同軸度、傾き、磁石の偏心に対して非常に敏感です。 過度の偏心は 磁場の中心を移動させ、正弦波信号を歪め、周期的な角度誤差を引き起こします。 エアギャップが大きすぎたり小さすぎたりすると 、誘導信号振幅が変化し、信号対雑音比が低下し、ジッターが増加します。 軸の傾きは、 非対称な磁場分布と波形歪みを引き起こします。 0.5 mm の偏心でも、高い回転速度では重大な第 2 高調波誤差が発生する可能性があります。
2.2 磁場と環境干渉
モーター端からの漂遊漏れ磁束、インバーター放射、および高出力ケーブルからの結合磁界がエンコーダーの検出面に直接重畳し、信号ジャンプを引き起こす可能性があります。金属ブラケットやモーターハウジング内で発生する渦電流も、有用な磁場を減衰させたり歪ませたりします。さらに、磁気エンコーダは磁界の強さに非常に敏感であり、過酷な産業環境では強い振動の影響を受けやすくなります。
2.3 電気および通信の問題
過剰な電源リップル、フローティング グラウンド、および不適切なシングルエンド シールド接地は、コモンモード干渉を引き起こします。 I⊃2;C 通信は、特に高速または長距離では干渉を受けやすく、データのグリッチやジッターの原因となります。 SPI 通信では、タイミングの不一致や高いビットエラー率が発生し、データ異常が発生する可能性もあります。
3. 「チップレベル」から「システムレベル」のソリューションへ
信号ジッターに対処するには、システム全体にわたる包括的なアプローチが必要です。
ハードウェアの側面: 磁石の取り付けは、軸方向の位置合わせ、正確な垂直ギャップ制御 (0.5 mm ～ 2.0 mm を推奨)、および平行度の保証という「3 軸」位置合わせの原則に従う必要があります。エアギャップは許容範囲内に保ち、同軸度の偏差は 0.03 mm 未満に制御する必要があります。 PCB では、エンコーダ チップの下に銅を流し込んだり配線したりすることは禁止されています。 SPI ピンと MCU ピンの間の距離は 10 cm 以内に保つ必要があります。電源リップルは、多段デカップリングを適用して 10 mV 未満に抑える必要があります。
通信の側面: I⊃2;C よりも SPI インターフェイスを優先します – ハードウェア SPI は、ビットバン I⊃2;C よりもはるかに優れたノイズ耐性を提供します。 SPI ラインには、EMI を低減するためにアース線でラップされた差動信号を備えたシールド付きツイストペア ケーブルを使用する必要があります。ビットエラー率を許容範囲内に保つには、通信速度とタイミングパラメータを正確に一致させる必要があります。
アルゴリズムの側面: 誤差補正アルゴリズムを適用して、ソフトウェアの機械的設置の偏差を修正します。デジタルフィルタリングを使用して信号対雑音比を改善します。マルチターンカウンタのオーバーフロー処理のロジックを最適化します。動的フィードフォワード補償と適応型 PID チューニングも、トランスミッションのバックラッシュによって引き起こされる遅れの影響を効果的に抑制できます。
4. 磁石の材質の品質 – 信号の安定性の「基礎」
信号ジッターの解決策について議論するとき、という基本的な側面が見落とされがちです 磁石自体の品質。磁気エンコーダの精度は、まず磁場分布の均一性と安定性によって決まります。安価な磁石は、非対称な極や不均一な磁場の強さによって問題が発生し、出力曲線に周期的な歪みを引き起こす可能性があります。残留磁束密度 (Br) や表面磁場の均一性などの重要なパラメータも同様に重要です。
5. 杭州 SDM: 磁性材料の根深い企業
磁性材料の基礎領域において、 杭州 SDM Magnetics Co., Ltd. は注目に値する企業です。 2009 年に設立され、杭州に本社を置く同社は、磁石と磁気ソリューションを専門とする国家ハイテク企業です。
急速に成長するロボット産業を背景に、SDM は希土類永久磁石に関する深い専門知識を活用して、ロボット関連アプリケーションへの積極的な拡大を図っています。
ロボット磁気エンコーダ センサーの場合、高性能永久磁石は信号の安定性を確保し、ジッターを抑制するための「第一防御線」です。磁石の配合、磁気回路設計、磁気アセンブリシステムにおけるSDMの技術的強みにより、上流のマテリアルチェーンで重要な役割を果たすことができます。より均一な磁場分布とより優れた温度安定性を備えたカスタマイズされた磁石ソリューションをエンコーダに提供し、それによって発生源での磁石の品質の低下によって引き起こされるジッターを低減します。
ロボット工学における高精度の位置フィードバックの需要が高まるにつれ、磁気エンコーダの信号ジッターの問題はますます注目されることになります。根本的な治療法は、磁石材料からシステム統合までのエンドツーエンドの最適化にあります。このチェーンにおける SDM の役割は、業界からの継続的な注目に値します。
