サーボ モーター、ロボット ジョイント、電動スピンドルなどの高性能モーション コントロール アプリケーションでは、磁気 エンコーダは 、小型、耐油性、耐振動性、低コストにより人気が高まっています。しかし、多くのエンジニアは、高速回転テスト中に厄介な問題に遭遇します。それは、 エンコーダによって報告される角度がローターの実際の位置から逸脱すること、つまり「位相偏差」 が速度の増加とともに悪化するということです。低速ではわずかな速度リップルと騒音の増加のみが発生しますが、高速では制御が不安定になる可能性があります。
I. ロボットの磁気エンコーダ センサーはどのようにして角度を「見る」のですか?
磁気エンコーダの基本構造を簡単におさらいしてみましょう。
一般的な磁気エンコーダは 3 つの部分で構成されます。
1. 磁気リング: ローター端またはシャフト延長部に取り付けられ、複数の極ペア (N/S 交互) が円周上に分散されます。
2. 磁気センサー: 一般にホール、AMR、GMR、TMR など、磁場の変化を感知するためにリング表面の近くに配置されます。
3. 信号処理回路: 弱いセンサー信号を増幅、調整、補間し、最終的に角度パルスまたは直交パルスを出力します。
磁気リングが回転すると、センサーは周期的な磁場の変化を検出し、準正弦波/余弦波信号を出力します。これら 2 つの信号の位相を分解することにより、ローター角度が取得されます。
理想的には、磁場分布は完全に正弦波であり、センサー出力は機械角に厳密に対応します。しかし、高速回転下ではこの「理想的な対応関係」が複数の要因によって崩れ、位相のずれが生じます。
II.位相偏差とは何ですか?高速で位相偏差が顕著になるのはなぜですか?
簡単に言えば、 位相偏差は「エンコーダによって認識される角度」と「ローターの真の角度」の差です。.
たとえば、ローターが実際には 30° であるのに、エンコーダーが 32° を出力した場合、その 2° が位相偏差になります。低速では、この偏差はわずか 0.1° で、ほとんど目立ちません。しかし、速度が増加すると、偏差が数度、場合によっては 10 度を超えて増幅し、制御性能が大幅に低下することがあります。
高速で偏差が大きくなるのはなぜですか?主な理由は以下の通りです。
1. 機械的な取り付けエラーが「拡大」される
磁気リングとシャフトの完全な同軸調整は不可能です。リングの偏心が 0.05 mm であると仮定すると、低速でもセンサーは結果として生じる磁場の歪みを許容できます。高速走行時には遠心力や振動により偏心が大きくなり、磁気波形が歪み、周期的な位相ずれが発生します。
同様に、リング端面の振れ、軸方向の遊び、および動的バランスの不良により、高速時にさらなる高周波外乱が発生します。
2. センサーの応答速度が足りない
リング速度が増加すると、それに応じて磁界変動の周波数も増加します。たとえば、32 極ペアのリングが 10,000 rpm の場合、磁界周波数は約 5.3 kHz です。 30,000 rpm では 16 kHz を超えます。
一般的なホール センサーの帯域幅はわずか数十 kHz、またはそれより低い場合があり、高速では出力振幅が減衰し、位相が遅れ、角度誤差が生じます。センサー自体が高速であっても、後続のフィルター回路で過度の遅延が発生すると、位相遅れが発生する可能性があります。
3. 磁気リングの磁界品質の劣化
高速では、リング内の渦電流損失により局所的な加熱が発生します。温度が上昇すると、残留磁気と保磁力が変化し、磁界の強度が低下し、波形が歪みます。
さらに、不均一な磁化、極間の過度に広い遷移領域、および極対数の不適切な選択はすべて、高速での磁界内の高調波成分を増加させ、位相計算誤差を拡大します。
4. 電磁干渉と信号の完全性
高速では、モーター巻線の高周波 PWM 電流、シャフト電流、および近くの高電力線が干渉を生成します。センサーの微弱な出力信号が汚染されると、ゼロクロス検出や位相計算にジッターやエラーが発生します。
Ⅲ．トラブルシューティング戦略: 機械的、電気的、およびアルゴリズム的アプローチ
上記の原因に対処するには、 機械的設置、センサーと信号チェーン、アルゴリズムの補償の3 つのレベルで是正措置を講じることができます。.
1. 機械レベル - 最初にしっかりした基礎を築きます
位相偏差の問題の多くは、電子機器に起因するものではなく、機械的な設置に起因します。
(1) 同軸度、端面振れを厳密に管理
磁性リング取付後の同軸度は 0.03～0.05mm以内、端面振れは 0.02mm以内としてください。位置決めには焼きばめ、接着、または専用治具を使用し、リングが傾くような打撃は避けてください。
リングは軽量ですが、高速走行時の遠心力は無視できません。設置後、振動による信号エラーを軽減するために、全体のダイナミックバランスを実施します。
(3) 磁気リングに軸方向の力が加わるのを避ける
リングがモータのエンドカバーやベアリングに近い場合、高速時の熱膨張により軸方向にズレが生じる場合があります。適切な軸方向すきまを確保して設計するか、弾性予圧構造を採用してください。
2. 電気および信号チェーン - 信号をクリーンかつタイムリーに保ちます
(1) 適切なセンサーの種類を選択する
高速アプリケーションの場合は、 TMR または GMR センサーの帯域幅が通常、通常のホール センサーよりもはるかに高い数百 kHz または MHz に達するため、これらのセンサーを推奨します。また、センサーの磁気感度と飽和磁場がリングの特性と一致していることを確認してください。
(2) 差動信号出力を使用する
差動出力はコモンモード干渉を抑制し、信号の完全性を向上させます。センサーがシングルエンド出力のみを提供する場合は、フロントエンドに差動増幅段を追加します。
(3) フィルタ遅延の低減
RC フィルターとデジタル フィルターは位相遅延を引き起こします。高速アプリケーションでは、フィルタのカットオフ周波数を十分に高く設定するか、 低遅延の線形位相 フィルタを使用します。本当に除去する必要がある高周波ノイズの場合は、生の信号を過剰にフィルタリングするのではなく、角度計算後に平滑化することを検討してください。
(4) リングとセンサー間のエアギャップを最適化する
過剰なエアギャップは信号振幅を減少させます。ギャップが小さすぎると、高速での振動により擦れる危険があります。通常は、リングの仕様とセンサー感度に基づいてのエア ギャップを選択し 0.3 ～ 1.0 mm 、実験的に最適値を決定します。
(5) 適切なシールドと接地を実施してください。
センサーの配線にはシールド付きツイストペア ケーブルを使用し、シールドを 1 点で接地し、電磁結合を減らすためにケーブルをモーターの電力線や大電流の配線から離してください。
3. アルゴリズム レベル - 「ハードウェア」の欠陥を補うために「ソフトウェア」を使用します。
ハードウェアの改善後、残留偏差はアルゴリズムによってさらに修正できます。
(1) オフラインキャリブレーションとルックアップテーブル補正
低速の定常状態では、高精度の基準エンコーダ (光学式エンコーダなど) を使用して磁気エンコーダの全周校正を実行し、各位置での偏差を記録し、補償テーブルを作成します。実際の運用時には、現在位置を基に補正値を調べます。
この方法は周期的な位相偏差を効果的に除去しますが、高速で現れる追加の動的偏差に対する効果は限られています。
(2) 動的位相補償
偏差が主に信号チェーン内の固定遅延から発生する場合は、次の方法で角度遅延を計算します。
ここで、 w は角速度、t d はシステムの総遅延です。この補正を出力角度に前進させると、特定の速度範囲内で高速精度が大幅に向上します。
(3) 適応フィルタリングとオブザーバー
高速でのランダム ジッターの場合は、カルマン フィルター、スライディング モード オブザーバー、または同様の方法を使用してエンコーダー角度をモーター モデルと融合し、真の角度信号を維持しながら高周波ノイズを抑制します。
(4) 温度補償
温度による残留磁束変化は信号振幅に影響します。エンコーダの近くに温度センサーを配置して、温度振幅/位相補償モデルを確立し、リアルタイム補正を適用します。
IV.簡単なトラブルシューティングのケーススタディ
サーボ モーターは 15,000 rpm で磁気エンコーダーから約 3.5° の周期的な位相偏差を示し、電流ループ発振を引き起こしました。チームは次の手順に従いました。
1. 機械的検査: リングの同軸度は 0.08 mm であることが判明しました。再取り付け後は 0.03 mm に減少し、偏差は 2.1° に減少しました。
2. センサーの交換: 標準のホール センサーが高帯域幅の TMR 差動センサーに置き換えられ、フィルターのカットオフ周波数が 20 kHz から 100 kHz に引き上げられ、偏差はさらに 0.9° に減少しました。
3. アルゴリズム補正: 固定遅延フィードフォワード補正が追加され、その後テストベンチで全周オフライン キャリブレーションが行われました。最終的な高速位相偏差は 0.3°以内に抑えられ、制御要件を満たしています。
このケースは、 単一の対策では問題の一部しか解決できないことがよくあり、機械的、電気的、アルゴリズム的な改善を組み合わせることで最良の結果が得られることを示しています。.
結論
高速でのロボット磁気エンコーダ センサーの磁気リングの位相偏差は、本質的に多要素の問題です。機械的な設置エラー、不十分なセンサー帯域幅、信号遅延、磁界品質の低下、電磁干渉はすべて高速で増幅されます。
トラブルシューティングを行うときは、順序に従ってください 最初に機構、次に電気、次にアルゴリズムの。
· まず、同軸度、動的バランス、およびエアギャップがしっかりと確立されていることを確認します。
· 次に、センサーの選択と信号チェーンを最適化し、クリーンで低遅延の信号を保証します。
· 最後に、キャリブレーションおよび補償アルゴリズムを使用して残留誤差を「微調整」します。
ほとんどの高速アプリケーションでは、このような体系的な修正を行った後、磁気エンコーダの位相偏差を許容範囲内に保つことができ、高速でもサーボ システムの安定性と精度を維持できます。
