Жоғары жылдамдықты айналатын магниттік сақинаның фазалық ауытқуы қайдан пайда болады? – Робот магниттік кодтаушы сенсорының ақауларын жою нұсқаулығы

Сервоқозғалтқыштар, робот қосылыстары және электр шпиндельдері сияқты өнімділігі жоғары қозғалысты басқару қолданбаларында магнитті кодерлер шағын өлшемдерімен, майға төзімділігімен, дірілге төзімділігімен және төмен құнымен танымал болуда. Дегенмен, көптеген инженерлер жоғары жылдамдықты айналуды сынау кезінде күрделі мәселеге тап болады:  кодер хабарлаған бұрыш ротордың нақты орнынан ауытқиды -  жылдамдық артқан сайын нашарлайтын 'фазалық ауытқу'. Төмен жылдамдықта ол шамалы жылдамдық толқынын және шудың жоғарылауын тудыруы мүмкін, бірақ жоғары жылдамдықта басқару тұрақсыздығына әкелуі мүмкін.

I. Робот магниттік кодер датчигі бұрышты 'көреді' қалай жасайды?

Магниттік кодтаудың негізгі құрылымын қысқаша қарастырайық.

Әдеттегі магниттік кодтаушы үш бөліктен тұрады:

1. Магниттік сақина : ротордың ұшына немесе біліктің ұзартқышына орнатылған, оның айналасына бірнеше полюс жұптары (N/S ауыспалы) бөлінген.

2. Магниттік сенсор : әдетте Холл, AMR, GMR, TMR және т.б. магнит өрісінің ауытқуларын сезіну үшін сақина бетіне жақын орналасады.

3. Сигналдарды өңдеу тізбегі : әлсіз сенсорлық сигналдарды күшейтеді, шарттайды және интерполяциялайды, сайып келгенде бұрыш немесе квадрат импульстарын шығарады.

Магниттік сақина айналу кезінде сенсор магнит өрісінің мерзімді өзгерістерін анықтайды және квазисинусоидалы/косинусоидалы сигналдарды шығарады. Осы екі сигналдың фазасын шешу арқылы ротордың бұрышы алынады.

Ең дұрысы, магнит өрісінің таралуы мінсіз синусоидалы, ал сенсордың шығуы механикалық бұрышқа қатаң сәйкес келеді. Дегенмен, жоғары жылдамдықты айналу кезінде бұл 'идеалды сәйкестік' көптеген факторлармен бұзылады және фазалық ауытқу пайда болады.

II. Фазалық ауытқу дегеніміз не және ол неге жоғары жылдамдықта айқынырақ болады?

Қарапайым тілмен айтқанда,  фазалық ауытқу 'кодер қабылдайтын бұрыш' мен 'ротордың шынайы бұрышы' арасындағы айырмашылық болып табылады..

Мысалы, егер ротор шын мәнінде 30° болса, бірақ кодер 32° шығарса, бұл 2° фазалық ауытқу болып табылады. Төмен жылдамдықта бұл ауытқу небәрі 0,1° болуы мүмкін және айтарлықтай байқалмайды; бірақ жылдамдық артқан сайын ауытқу бірнеше градусқа немесе тіпті он градустан астамға дейін күшейіп, басқару өнімділігін айтарлықтай нашарлатады.

Неліктен ауытқу жоғары жылдамдықта күшейеді? Негізгі себептері төмендегідей.

1. Механикалық орнату қателері 'үлкейтілген'

Магниттік сақина мен білік арасындағы тамаша коаксиалды туралау мүмкін емес. Сақинаның эксцентриситеті 0,05 мм делік - төмен жылдамдықта сенсор әлі де өрістің бұрмалануына шыдай алады; жоғары жылдамдықта центрден тепкіш күш пен діріл эксцентрикті арттырады, магниттік толқын пішінін бұрмалайды және фазаның периодтық ауытқуын тудырады.

Сол сияқты, сақинаның шеткі бөлігінің ағуы, осьтік ойнау және нашар динамикалық тепе-теңдік жоғары жылдамдықта қосымша жоғары жиілікті бұзылуларды тудырады.

2. Датчиктің жауап беру жылдамдығы жеткіліксіз

Сақина жылдамдығы артқан сайын магнит өрісінің өзгеру жиілігі сәйкесінше артады. Мысалы, 10 000 айн/мин жылдамдықтағы 32 полюсті жұп сақинамен өріс жиілігі шамамен 5,3 кГц; 30 000 айн/мин, ол 16 кГц-тен асады.

Жалпы Холл сенсорларының өткізу қабілеттілігі тек ондаған кГц немесе одан да төмен болуы мүмкін - жоғары жылдамдықта шығыс амплитудасы әлсірейді және фазалық лагтар бұрыш қателеріне әкеледі. Сенсордың өзі жылдам болса да, кейінгі сүзгі тізбектеріндегі шамадан тыс кідіріс те фазалық кешігуді тудыруы мүмкін.

3. Магниттік сақинаның өріс сапасының нашарлауы

Жоғары жылдамдықта сақина ішіндегі құйынды ток жоғалуы локализацияланған қыздыруды тудырады. Температура жоғарылаған сайын реманенттілік пен коэрцивтілік өзгереді, өріс күші төмендейді және толқын пішіні бұзылады.

Сонымен қатар, біркелкі емес магниттелу, полюстер арасындағы шамадан тыс кең өту аймақтары және полюс жұптарының сандарын дұрыс таңдамау жоғары жылдамдықта магнит өрісіндегі гармоникалық мазмұнды арттырады, фазалық есептеу қателерін ұлғайтады.

4. Электромагниттік кедергі және сигналдың тұтастығы

Жоғары жылдамдықта қозғалтқыш орамаларында, білік токтарында және жақын орналасқан жоғары қуат желілерінде жоғары жиілікті PWM токтары кедергі жасайды. Сенсордың әлсіз шығыс сигналдары ластанғаннан кейін нөлдік қиылысуды анықтауда немесе фазаны есептеуде діріл мен қатені тудырады.

III. Ақауларды жою стратегиясы: механикалық, электрлік және алгоритмдік тәсілдер

Жоғарыда аталған себептерді жою үшін түзету әрекеттерін үш деңгейде орындауға болады:  механикалық орнату, сенсор және сигнал тізбегі және алгоритмді өтеу.

1. Механикалық деңгей - алдымен берік негіз қалау

Көптеген фазалық ауытқу проблемалары электроникадан емес, механикалық орнатудан туындайды.

(1) Коаксиалдылықты және соңғы беттің ағуын қатаң бақылаңыз

Магниттік сақинаны орнатқаннан кейін коаксиалдылықты сақтау керек  0,03–0,05 мм , ал шеткі ағынды  0,02 мм шегінде . Орналастыру үшін қысқыш фитингтерді, жабысқақ байланыстыруды немесе арнайы бекітпелерді пайдаланыңыз және сақинаны еңкейтетін соғудан аулақ болыңыз.

(2) Динамикалық теңгерімдеуді орындаңыз

Сақина жеңіл болғанымен, жоғары жылдамдықтағы центрифугалық күш елеусіз емес. Орнатқаннан кейін діріл тудыратын сигнал қателерін азайту үшін жалпы динамикалық теңгерімдеуді орындаңыз.

(3) Магниттік сақинадағы осьтік күштерді болдырмаңыз

Егер сақина қозғалтқыштың соңғы қақпағына немесе мойынтіректерге жақын болса, жоғары жылдамдықтағы термиялық кеңею осьтік ығысуды тудыруы мүмкін. Жобада сәйкес осьтік саңылау қалдырыңыз немесе серпімді алдын ала жүктеме құрылымын қабылдаңыз.

2. Электр және сигнал тізбегі -сигналдарды таза және уақытылы ұстау

(1) Дұрыс сенсор түрін таңдаңыз

Жоғары жылдамдықты қолданбалар үшін  TMR немесе GMR сенсорларын таңдаған жөн , өйткені олардың өткізу қабілеті әдетте жүздеген кГц немесе тіпті МГц-ке жетеді - кәдімгі Холл сенсорларынан әлдеқайда жоғары. Сондай-ақ сенсордың магниттік сезімталдығы мен қанықтылық өрісі сақина сипаттамаларына сәйкес келетініне көз жеткізіңіз.

(2) Дифференциалды сигнал шығысын пайдаланыңыз

Дифференциалды шығыс жалпы режимдегі кедергілерді басады және сигнал тұтастығын жақсартады. Егер сенсор тек бір жақты шығысты қамтамасыз етсе, алдыңғы жағында дифференциалды күшейткіш сатысын қосыңыз.

(3) Сүзгі кідірісін азайтыңыз

RC сүзгілері мен сандық сүзгілер фазалық кідірісті енгізеді. Жоғары жылдамдықты қолданбаларда сүзгіні өшіру жиілігін жеткілікті жоғары етіп орнатыңыз немесе  аз кешіктірілген, сызықтық фазалық  сүзгілерді пайдаланыңыз. Жоюды қажет ететін жоғары жиілікті шу үшін өңделмеген сигналдарды шамадан тыс сүзгілеудің орнына бұрышты есептегеннен кейін тегістеуді қарастырыңыз.

(4) Сақина мен сенсор арасындағы ауа аралығын оңтайландырыңыз

Шамадан тыс ауа саңылауы сигнал амплитудасын азайтады; тым кішкентай саңылау жоғары жылдамдықтағы дірілге байланысты үйкеліс қаупін тудырады. Әдетте ауа саңылауын таңдап , оңтайлы мәнді эксперименттік түрде анықтаңыз. 0,3–1,0 мм  сақина сипаттамалары мен сенсордың сезімталдығы негізінде

(5) Тиісті экрандау мен жерге тұйықтауды орындаңыз

Сенсорлық сымдар үшін экрандалған бұралған жұп кабельдерді пайдаланыңыз, экранды бір нүктеде жерге тұйықтаңыз және электромагниттік муфтаны азайту үшін кабельді қозғалтқыштың электр желілерінен және жоғары ток ізінен алшақ ұстаңыз.

3. Алгоритм деңгейі - 'аппараттық' кемшіліктердің орнын толтыру үшін 'бағдарламалық құралды' пайдаланыңыз.

Аппараттық құралдарды жақсартудан кейін қалдық ауытқуларды алгоритмдер арқылы одан әрі түзетуге болады.

(1) Офлайн калибрлеу және іздеу кестесінің өтемі

Төмен жылдамдық, тұрақты күй жағдайында магниттік кодтаушының толық шеңберді калибрлеуін орындау, әр позициядағы ауытқуды жазу және өтемақы кестесін құру үшін жоғары дәлдіктегі анықтамалық кодтарды (мысалы, оптикалық кодтаушы) пайдаланыңыз. Нақты жұмыс кезінде ағымдағы орынға негізделген түзетуді іздеңіз.

Бұл әдіс кезеңдік фазалық ауытқуларды тиімді жояды, бірақ жоғары жылдамдықта пайда болатын қосымша динамикалық ауытқуларға шектеулі әсер етеді.

(2) Динамикалық фазалық компенсация

Егер ауытқулар негізінен сигнал тізбегіндегі белгіленген кешігуден туындаса, бұрыштық кідірісті мына жолмен есептеңіз:

мұндағы  w  – бұрыштық жылдамдық және t _d – жүйенің жалпы кешігуі. Бұл компенсацияны белгілі бір жылдамдық диапазонында жоғары жылдамдықтың дәлдігін айтарлықтай жақсартуға мүмкіндік беретін шығыс бұрышына алға қарай беріңіз.

(3) Бейімделетін сүзгілеу және бақылаушылар

Жоғары жылдамдықтағы кездейсоқ дірілдер үшін шынайы бұрыш сигналын сақтай отырып, жоғары жиілікті шуды басатын, кодер бұрышын мотор үлгісімен балқыту үшін Калман сүзгілерін, сырғымалы режим бақылаушыларын немесе ұқсас әдістерді пайдаланыңыз.

(4) Температура компенсациясы

Реманенттіктің температуралық индукциялық өзгерістері сигнал амплитудасына әсер етеді. Температура-амплитудалық/фазалық компенсация үлгісін орнату және нақты уақыттағы түзетуді қолдану үшін температура сенсорын кодердің жанына қойыңыз.

IV. Ақаулықтарды жою бойынша қысқаша мысал

Сервоқозғалтқыш 15 000 айн/мин жылдамдықта магниттік кодтауыштан шамамен 3,5° кезеңдік фазалық ауытқуды көрсетті, бұл ток контурының тербелісін тудырды. Команда келесі қадамдарды орындады:

1. Механикалық тексеру : Сақинаның коаксиалдылығы 0,08 мм болды; қайта орнатқаннан кейін ол 0,03 мм-ге дейін төмендеді, ал ауытқу 2,1 ° дейін төмендеді.

2. Датчикті ауыстыру : Стандартты Холл сенсоры өткізу қабілеттілігі жоғары TMR дифференциалдық сенсорымен ауыстырылды және сүзгіні кесу жиілігі 20 кГц-тен 100 кГц-ке дейін көтерілді - ауытқу одан әрі 0,9 ° дейін төмендетілді.

3. Алгоритмдік компенсация : Бекітілген кешіктірілген алға беру өтемі қосылды, содан кейін сынақ стендінде толық шеңберлі офлайн калибрлеу қосылды. Соңғы жоғары жылдамдықты фазалық ауытқу шегінде бақыланды . 0,3° бақылау талаптарына сәйкес келетін

Бұл жағдай көрсетеді - механикалық, электрлік және алгоритмдік жақсартулардың үйлесімі ең жақсы нәтиже береді. бір ғана өлшем мәселенің бір бөлігін ғана шешетінін .

Қорытынды

Робот магниттік кодтаушы сенсорындағы магниттік сақинаның жоғары жылдамдықтағы фазалық ауытқуы көп факторлы мәселе болып табылады. Механикалық орнату қателері, сенсордың өткізу қабілетінің жеткіліксіздігі, сигналдың кешігуі, нашар магнит өрісінің сапасы және электромагниттік кедергілердің барлығы жоғары жылдамдықта күшейтіледі.

Ақаулықтарды жою кезінде келесі ретті орындаңыз:  алдымен механика, содан кейін электр, содан кейін алгоритмдер :

·  Біріншіден, коаксиалдылықты, динамикалық теңгерімдеуді және ауа саңылауының берік орнатылғанын қамтамасыз етіңіз;

·  Содан кейін таза, аз кідіріс сигналдарына кепілдік беру үшін сенсорды таңдауды және сигнал тізбегін оңтайландырыңыз;

·  Соңында, қалдық қателерді 'нақтылау' үшін калибрлеу және өтемақы алгоритмдерін пайдаланыңыз.

Жоғары жылдамдықты қолданбалардың көпшілігі үшін осындай жүйелі жөндеуден кейін магниттік кодтаудың фазалық ауытқуын қолайлы диапазонда сақтауға болады, бұл сервожүйенің жоғары жылдамдықта да тұрақты және дәл болып қалуына мүмкіндік береді.