서보 모터, 로봇 조인트, 전기 스핀들 등 고성능 모션 제어 애플리케이션에서는 자기 인코더는 작은 크기, 내유성, 진동 내성 및 저렴한 비용으로 인해 인기를 얻고 있습니다. 그러나 많은 엔지니어들은 고속 회전 테스트 중에 까다로운 문제에 직면합니다. 인코더에 의해 보고된 각도는 회전자의 실제 위치에서 벗어납니다. 즉, 속도가 증가함에 따라 악화되는 '위상 편차'입니다. 저속에서는 약간의 속도 리플과 소음 증가가 발생할 수 있지만 고속에서는 제어가 불안정해질 수 있습니다.
I. 로봇 자기 인코더 센서는 어떻게 각도를 '확인'합니까?
자기 인코더의 기본 구조를 간략하게 살펴보겠습니다.
일반적인 자기 인코더는 세 부분으로 구성됩니다.
1. 자기 링 : 회전자 끝 또는 샤프트 확장에 장착되며 원주 주위에 분산된 여러 극 쌍(N/S 교번)이 있습니다.
2. 자기 센서 : 일반적으로 Hall, AMR, GMR, TMR 등이 링 표면 가까이 배치되어 자기장의 변화를 감지합니다.
3. 신호 처리 회로 : 약한 센서 신호를 증폭, 조절 및 보간하여 궁극적으로 각도 또는 직교 펄스를 출력합니다.
자기 링이 회전함에 따라 센서는 주기적인 자기장의 변화를 감지하고 준사인파/코사인파 신호를 출력합니다. 이 두 신호의 위상을 분석하여 회전자 각도를 얻습니다.
이상적으로 자기장 분포는 완벽하게 정현파이고 센서 출력은 기계적 각도와 엄격하게 일치합니다. 그러나 고속 회전에서는 이 '이상적인 대응'이 여러 요인에 의해 중단되고 위상 편차가 나타납니다.
II. 위상 편차란 무엇이며 고속에서 더 두드러지는 이유는 무엇입니까?
간단히 말해서, 위상 편차는 '인코더가 인식하는 각도'와 '실제 회전자 각도' 간의 차이입니다..
예를 들어, 회전자가 실제로 30°에 있지만 인코더가 32°를 출력하는 경우 해당 2°는 위상 편차입니다. 저속에서는 이 편차가 0.1°에 불과해 거의 눈에 띄지 않습니다. 그러나 속도가 증가하면 편차가 몇도, 심지어는 10도 이상까지 증폭되어 제어 성능이 크게 저하될 수 있습니다.
고속에서 편차가 증폭되는 이유는 무엇입니까? 주된 이유는 다음과 같습니다.
1. 기계적 설치 오류가 '확대'됩니다.
자기 링과 샤프트 사이의 완벽한 동축 정렬은 불가능합니다. 링의 편심률이 0.05mm라고 가정합니다. 저속에서도 센서는 결과적인 필드 왜곡을 견딜 수 있습니다. 고속에서는 원심력과 진동으로 인해 편심률이 증가하여 자기 파형이 왜곡되고 주기적인 위상 편차가 발생합니다.
마찬가지로, 링 끝면의 런아웃, 축 방향 유격, 열악한 동적 균형은 고속에서 추가적인 고주파 방해를 유발합니다.
2. 센서 반응속도가 부족하다
링 속도가 증가함에 따라 자기장 변화의 주파수도 그에 따라 증가합니다. 예를 들어, 10,000rpm에서 32개 극쌍 링을 사용하면 필드 주파수는 약 5.3kHz입니다. 30,000rpm에서는 16kHz를 초과합니다.
공통 홀 센서의 대역폭은 수십 kHz에 불과하거나 더 낮을 수 있습니다. 고속에서는 출력 진폭이 감쇠되고 위상 지연이 발생하여 각도 오류가 발생합니다. 센서 자체가 빠르더라도 후속 필터 회로의 과도한 지연으로 인해 위상 지연이 발생할 수도 있습니다.
3. 자기링의 자기장 품질 저하
고속에서는 링 내부의 와전류 손실로 인해 국부적인 가열이 발생합니다. 온도가 상승하면 잔류성과 보자력이 변하여 전계 강도가 감소하고 파형이 왜곡됩니다.
또한 불균일한 자화, 극 사이의 과도하게 넓은 전이 영역 및 극쌍 번호의 부적절한 선택은 모두 고속에서 자기장의 고조파 함량을 증가시켜 위상 계산 오류를 확대합니다.
4. 전자기 간섭 및 신호 무결성
고속에서는 모터 권선의 고주파 PWM 전류, 축 전류 및 근처의 고전력 라인이 간섭을 생성합니다. 센서의 약한 출력 신호는 일단 오염되면 제로 크로싱 감지 또는 위상 계산에서 지터와 오류를 유발합니다.
III. 문제 해결 전략: 기계, 전기 및 알고리즘 접근 방식
위의 원인을 해결하기 위해 세 가지 수준에서 시정 조치를 취할 수 있습니다. 기계적 설치, 센서 및 신호 체인, 알고리즘 보상의 .
1. 기계적 수준 - 먼저 탄탄한 기초를 다져야 합니다.
많은 위상 편차 문제는 전자 장치에서 발생하는 것이 아니라 기계적 설치에서 발생합니다.
(1) 동축성 및 단면 흔들림을 엄격하게 제어
자기 링을 장착한 후 동축도는 0.03~0.05mm 이내로 유지되어야 하며 단면 런아웃은 0.02mm 이내로 유지되어야 합니다 . 위치 지정을 위해 수축 피팅, 접착 결합 또는 전용 고정 장치를 사용하고 링이 기울어질 수 있는 망치질을 피하십시오.
(2) 동적 밸런싱 수행
링은 가볍지만 고속에서의 원심력은 무시할 수 없습니다. 설치 후에는 전반적인 동적 밸런싱을 수행하여 진동으로 인한 신호 오류를 줄이십시오.
(3) 자기 링에 축방향 힘이 가해지지 않도록 하십시오.
링이 모터 엔드 커버나 베어링에 가까울 경우 고속 열 팽창으로 인해 축 변위가 발생할 수 있습니다. 설계 시 적절한 축방향 클리어런스를 확보하거나 탄성 예압 구조를 채택하십시오.
2. 전기 및 신호 체인 - 신호를 깨끗하고 적시에 유지
(1) 올바른 센서 유형 선택
고속 애플리케이션의 경우 TMR 또는 GMR 센서를 선호합니다. 대역폭이 일반적으로 일반 홀 센서보다 훨씬 높은 수백 kHz 또는 심지어 MHz에 도달하므로 또한 센서의 자기 감도와 포화 장이 링의 특성과 일치하는지 확인하십시오.
(2) 차동 신호 출력 사용
차동 출력은 공통 모드 간섭을 억제하고 신호 무결성을 향상시킵니다. 센서가 단일 종단 출력만 제공하는 경우 프런트 엔드에 차동 증폭기 스테이지를 추가하십시오.
(3) 필터 지연을 줄입니다.
RC 필터와 디지털 필터에는 위상 지연이 발생합니다. 고속 애플리케이션에서는 필터 차단 주파수를 충분히 높게 설정하거나 지연이 낮은 선형 위상 필터를 사용하십시오. 꼭 제거해야 하는 고주파 노이즈의 경우 원시 신호를 과도하게 필터링하는 대신 각도 계산 후 평활화를 고려하세요.
(4) 링과 센서 사이의 에어 갭 최적화
과도한 공극은 신호 진폭을 감소시킵니다. 간격이 너무 작으면 고속에서 진동으로 인해 마찰이 발생할 위험이 있습니다. 일반적으로 의 에어 갭을 선택하고 실험적으로 최적의 값을 결정합니다. 0.3~1.0mm 링 사양과 센서 감도에 따라
(5) 적절한 차폐 및 접지를 구현하십시오.
센서 배선에는 차폐 연선 케이블을 사용하고, 차폐를 단일 지점에서 접지하고, 케이블을 모터 전력선 및 고전류 트레이스에서 멀리하여 전자기 결합을 줄이십시오.
3. 알고리즘 수준 - '하드웨어' 결함을 보완하기 위해 '소프트웨어' 사용
하드웨어 개선 후 잔여 편차는 알고리즘을 통해 추가로 수정될 수 있습니다.
(1) 오프라인 교정 및 조회 테이블 보상
저속, 정상 상태 조건에서는 고정밀 참조 인코더(예: 광학 인코더)를 사용하여 자기 인코더의 전체 원형 교정을 수행하고 각 위치의 편차를 기록하고 보상 테이블을 구축합니다. 실제 동작 시 현재 위치를 기준으로 보정된 내용을 조회합니다.
이 방법은 주기적인 위상 편차를 효과적으로 제거하지만 고속에서 나타나는 추가 동적 편차에 대한 효과는 제한적입니다.
(2) 동적 위상 보상
신호 체인의 고정 지연으로 인해 편차가 주로 발생하는 경우 다음을 통해 각도 지연을 계산합니다.
여기서 w 는 각속도이고 td 는 전체 시스템 지연입니다. 이 보상을 출력 각도에 전달하면 특정 속도 범위 내에서 고속 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
(3) 적응 필터링 및 관찰자
고속의 랜덤 지터의 경우 칼만 필터, 슬라이딩 모드 관찰자 또는 유사한 방법을 사용하여 엔코더 각도를 모터 모델과 융합하여 실제 각도 신호를 유지하면서 고주파 잡음을 억제합니다.
(4) 온도 보상
온도에 따른 잔류성의 변화는 신호 진폭에 영향을 미칩니다. 인코더 근처에 온도 센서를 배치하여 온도 진폭/위상 보상 모델을 설정하고 실시간 보정을 적용합니다.
IV. 간단한 문제 해결 사례 연구
서보 모터는 15,000rpm에서 자기 인코더로부터 약 3.5°의 주기적인 위상 편차를 보여 전류 루프 발진을 일으켰습니다. 팀은 다음 단계를 따랐습니다.
1. 기계적 검사 : 링의 동축도는 0.08mm로 확인되었습니다. 재설치 후에는 0.03mm로 줄어들었고 편차는 2.1°로 떨어졌습니다.
2. 센서 교체 : 표준 홀 센서를 더 높은 대역폭의 TMR 차동 센서로 교체하고 필터 차단 주파수를 20kHz에서 100kHz로 높이고 편차를 0.9°로 줄였습니다.
3. 알고리즘 보상 : 고정 지연 피드포워드 보상이 추가되었으며, 테스트 벤치에서 전체 원형 오프라인 교정이 이어졌습니다. 최종 고속 위상 편차는 0.3° 이내로 제어되어 제어 요구 사항을 충족했습니다.
이 사례는 단일 조치로 문제의 일부만 해결되는 경우가 많다는 것을 보여줍니다. 즉, 기계적, 전기적, 알고리즘 개선을 결합하면 최상의 결과를 얻을 수 있습니다..
결론
고속에서 로봇 자기 엔코더 센서의 자기 링의 위상 편차는 본질적으로 다인자적인 문제입니다. 기계적 설치 오류, 센서 대역폭 부족, 신호 지연, 자기장 품질 저하, 전자기 간섭 등이 모두 고속으로 증폭됩니다.
문제를 해결할 때 기계적 순서, 전기적 순서, 알고리즘 순서를 따르십시오 .
· 첫째, 동축성, 동적 균형, 에어 갭이 견고하게 설정되었는지 확인합니다.
· 그런 다음 센서 선택과 신호 체인을 최적화하여 깨끗하고 지연이 적은 신호를 보장합니다.
· 마지막으로 교정 및 보상 알고리즘을 사용하여 잔류 오류를 '미세 조정'합니다.
대부분의 고속 애플리케이션의 경우 이러한 체계적인 교정 후에 자기 인코더의 위상 편차가 허용 가능한 범위 내로 유지될 수 있으므로 서보 시스템이 고속에서도 안정적이고 정확한 상태를 유지할 수 있습니다.
