Dari manakah Sisihan Fasa Cincin Magnet Berputar Kelajuan Tinggi? – Panduan Penyelesaian Masalah untuk Penderia Pengekod Magnet Robot

Dalam aplikasi kawalan gerakan berprestasi tinggi seperti motor servo, sambungan robot dan gelendong elektrik, magnet pengekod semakin popular kerana saiznya yang kecil, rintangan minyak, toleransi getaran dan kos yang rendah. Walau bagaimanapun, ramai jurutera menghadapi masalah perit semasa ujian putaran berkelajuan tinggi:  sudut yang dilaporkan oleh pengekod menyimpang daripada kedudukan sebenar rotor - 'sisihan fasa'  yang bertambah buruk dengan kelajuan yang semakin meningkat. Pada kelajuan rendah ia mungkin menyebabkan hanya riak kelajuan yang sedikit dan bunyi yang meningkat, tetapi pada kelajuan tinggi ia boleh menyebabkan ketidakstabilan kawalan.

I. Bagaimanakah Penderia Pengekod Magnet Robot 'Melihat' Sudut?

Mari kita semak secara ringkas struktur asas pengekod magnetik.

Pengekod magnet biasa terdiri daripada tiga bahagian:

1. Cincin magnet : dipasang pada hujung pemutar atau sambungan aci, dengan berbilang pasangan kutub (N/S berselang-seli) diedarkan di sekeliling lilitannya.

2. Penderia magnet : biasanya Hall, AMR, GMR, TMR, dsb., diletakkan berdekatan dengan permukaan gelang untuk mengesan variasi medan magnet.

3. Litar pemprosesan isyarat : menguatkan, keadaan dan interpolasi isyarat sensor yang lemah, akhirnya mengeluarkan denyutan sudut atau kuadratur.

Apabila cincin magnet berputar, sensor mengesan perubahan medan magnet berkala dan mengeluarkan isyarat kuasi-sinusoidal/kosinusoidal. Dengan menyelesaikan fasa kedua-dua isyarat ini, sudut pemutar diperolehi.

Sebaik-baiknya, taburan medan magnet adalah sinusoidal sempurna, dan output sensor sepadan dengan sudut mekanikal. Walau bagaimanapun, di bawah putaran berkelajuan tinggi, 'surat-menyurat ideal' ini terganggu oleh pelbagai faktor, dan sisihan fasa muncul.

II. Apakah Sisihan Fasa dan Mengapa Ia Menjadi Lebih Jelas Pada Kelajuan Tinggi?

Ringkasnya,  sisihan fasa ialah perbezaan antara 'sudut yang dilihat oleh pengekod' dan 'sudut rotor sebenar'.

Contohnya, jika pemutar sebenarnya berada pada 30° tetapi pengekod mengeluarkan 32°, 2° itu adalah sisihan fasa. Pada kelajuan rendah, sisihan ini mungkin hanya 0.1° dan hampir tidak ketara; tetapi apabila kelajuan meningkat, sisihan boleh menguatkan kepada beberapa darjah atau bahkan lebih sepuluh darjah, dengan ketara merendahkan prestasi kawalan.

Mengapa sisihan membesar pada kelajuan tinggi? Sebab utama adalah seperti berikut.

1. Ralat pemasangan mekanikal adalah 'dibesarkan'

Penjajaran sepaksi yang sempurna antara cincin magnet dan aci adalah mustahil. Katakan cincin mempunyai kesipian 0.05 mm -pada kelajuan rendah, sensor masih boleh bertolak ansur dengan herotan medan yang terhasil; pada kelajuan tinggi, daya emparan dan getaran meningkatkan kesipian, memesongkan bentuk gelombang magnet dan menyebabkan sisihan fasa berkala.

Begitu juga, kehabisan muka hujung cincin, permainan paksi, dan imbangan dinamik yang lemah memperkenalkan gangguan frekuensi tinggi tambahan pada kelajuan tinggi.

2. Kelajuan tindak balas sensor tidak mencukupi

Apabila kelajuan cincin meningkat, kekerapan variasi medan magnet meningkat dengan sewajarnya. Sebagai contoh, dengan cincin 32-tiang-pasangan pada 10,000 rpm, frekuensi medan adalah kira-kira 5.3 kHz; pada 30,000 rpm, ia melebihi 16 kHz.

Penderia Common Hall mungkin mempunyai lebar jalur hanya berpuluh-puluh kHz atau lebih rendah -pada kelajuan tinggi, amplitud keluaran melemah dan ketinggalan fasa, mengakibatkan ralat sudut. Walaupun sensor itu sendiri pantas, kelewatan yang berlebihan dalam litar penapis berikutnya juga boleh menyebabkan ketinggalan fasa.

3. Kemerosotan kualiti medan cincin magnet

Pada kelajuan tinggi, kehilangan arus pusar di dalam gelang menyebabkan pemanasan setempat. Apabila suhu meningkat, remanen dan coercivity berubah, mengurangkan kekuatan medan dan memesongkan bentuk gelombang.

Di samping itu, kemagnetan tidak seragam, zon peralihan yang terlalu luas antara kutub, dan pemilihan nombor pasangan kutub yang tidak betul semuanya meningkatkan kandungan harmonik dalam medan magnet pada kelajuan tinggi, membesarkan ralat pengiraan fasa.

4. Gangguan elektromagnet dan integriti isyarat

Pada kelajuan tinggi, arus PWM frekuensi tinggi dalam belitan motor, arus aci dan talian kuasa tinggi berdekatan menghasilkan gangguan. Isyarat keluaran sensor yang lemah, setelah tercemar, menyebabkan kegelisahan dan ralat dalam pengesanan lintasan sifar atau pengiraan fasa.

III. Strategi Penyelesaian Masalah: Pendekatan Mekanikal, Elektrik dan Algoritma

Untuk menangani punca di atas, tindakan pembetulan boleh diambil pada tiga peringkat:  pemasangan mekanikal, penderia dan rantai isyarat, dan pampasan algoritma.

1. Tahap mekanikal -letak asas yang kukuh terlebih dahulu

Banyak masalah sisihan fasa bukan berasal dari elektronik tetapi dari pemasangan mekanikal.

(1) Kawal sepaksi dengan ketat dan runout muka hujung

Selepas memasang gelang magnet, koaksialiti hendaklah dikekalkan dalam  0.03–0.05 mm , dan habisan muka hujung dalam  0.02 mm . Gunakan pemasangan mengecut, ikatan pelekat, atau lekapan khusus untuk kedudukan, dan elakkan penukul yang boleh mencondongkan cincin.

(2) Lakukan pengimbangan dinamik

Walaupun cincin itu ringan, daya emparan pada kelajuan tinggi tidak boleh diabaikan. Selepas pemasangan, lakukan pengimbangan dinamik keseluruhan untuk mengurangkan ralat isyarat akibat getaran.

(3) Elakkan daya paksi pada cincin magnet

Jika gelang berdekatan dengan penutup hujung motor atau galas, pengembangan haba pada kelajuan tinggi boleh menyebabkan anjakan paksi. Simpan kelegaan paksi yang sesuai dalam reka bentuk, atau pakai struktur pramuat anjal.

2. Rantaian elektrik dan isyarat -memastikan isyarat bersih dan tepat pada masanya

(1) Pilih jenis penderia yang betul

Untuk aplikasi berkelajuan tinggi, pilih  penderia TMR atau GMR , kerana lebar jalurnya biasanya mencapai ratusan kHz atau malah MHz -jauh lebih tinggi daripada penderia Hall biasa. Juga pastikan kepekaan magnetik sensor dan medan tepu sepadan dengan ciri cincin.

(2) Gunakan output isyarat pembezaan

Output pembezaan menyekat gangguan mod biasa dan meningkatkan integriti isyarat. Jika penderia hanya menyediakan output hujung tunggal, tambahkan peringkat penguat pembezaan di hujung hadapan.

(3) Kurangkan kelewatan penapis

Penapis RC dan penapis digital memperkenalkan kelewatan fasa. Dalam aplikasi berkelajuan tinggi, tetapkan kekerapan pemotongan penapis cukup tinggi, atau gunakan penapis  fasa linear tunda rendah  . Untuk hingar frekuensi tinggi yang benar-benar memerlukan penyingkiran, pertimbangkan untuk melicinkan selepas pengiraan sudut dan bukannya menapis isyarat mentah secara berlebihan.

(4) Optimumkan jurang udara antara cincin dan penderia

Jurang udara yang berlebihan mengurangkan amplitud isyarat; jurang yang terlalu kecil berisiko bergesel akibat getaran pada kelajuan tinggi. Biasanya pilih jurang udara  0.3–1.0 mm  berdasarkan spesifikasi gelang dan kepekaan sensor, dan tentukan nilai optimum secara eksperimen.

(5) Laksanakan perisai dan pembumian yang betul

Gunakan kabel pasangan terpiuh terlindung untuk pendawaian penderia, tanah perisai pada satu titik, dan jauhkan kabel daripada talian kuasa motor dan jejak arus tinggi untuk mengurangkan gandingan elektromagnet.

3. Tahap algoritma -gunakan 'perisian' untuk mengimbangi kekurangan 'perkakasan'

Selepas penambahbaikan perkakasan, sisihan sisa boleh diperbetulkan lagi dengan algoritma.

(1) Penentukuran luar talian dan pampasan jadual carian

Di bawah keadaan berkelajuan rendah, keadaan mantap, gunakan pengekod rujukan berketepatan tinggi (cth, pengekod optik) untuk melakukan penentukuran bulatan penuh pengekod magnet, merekodkan sisihan pada setiap kedudukan, dan membina jadual pampasan. Semasa operasi sebenar, cari pembetulan berdasarkan kedudukan semasa.

Kaedah ini berkesan menghapuskan sisihan fasa berkala, tetapi mempunyai kesan terhad pada sisihan dinamik tambahan yang muncul pada kelajuan tinggi.

(2) Pampasan fasa dinamik

Jika sisihan terutamanya timbul daripada kelewatan tetap dalam rantai isyarat, hitung kelewatan sudut dengan:

dengan  w  ialah halaju sudut dan t _d ialah jumlah kelewatan sistem. Suapkan pampasan ini ke hadapan ke sudut keluaran, yang boleh meningkatkan ketepatan kelajuan tinggi dengan ketara dalam julat kelajuan tertentu.

(3) Penapisan dan pemerhati adaptif

Untuk jitter rawak pada kelajuan tinggi, gunakan penapis Kalman, pemerhati mod gelongsor atau kaedah yang serupa untuk menggabungkan sudut pengekod dengan model motor, menyekat hingar frekuensi tinggi sambil mengekalkan isyarat sudut sebenar.

(4) Pampasan suhu

Perubahan yang disebabkan oleh suhu dalam remanen menjejaskan amplitud isyarat. Letakkan penderia suhu berhampiran pengekod untuk mewujudkan model pampasan amplitud/fasa suhu dan gunakan pembetulan masa nyata.

IV. Kajian Kes Penyelesaian Masalah Ringkas

Motor servo mempamerkan sisihan fasa berkala kira-kira 3.5° daripada pengekod magnetnya pada 15,000 rpm, menyebabkan ayunan gelung arus. Pasukan mengikuti langkah berikut:

1. Pemeriksaan mekanikal : Keserasian cincin didapati 0.08 mm; selepas pemasangan semula ia dikurangkan kepada 0.03 mm, dan sisihan menurun kepada 2.1°.

2. Penggantian penderia : Penderia Hall standard digantikan dengan penderia pembezaan TMR lebar jalur yang lebih tinggi, dan kekerapan pemotongan penapis dinaikkan daripada 20 kHz kepada 100 kHz - sisihan dikurangkan lagi kepada 0.9°.

3. Pampasan algoritma : Pampasan suapan kelewatan tetap telah ditambahkan, diikuti dengan penentukuran luar talian bulatan penuh pada bangku ujian. Sisihan fasa berkelajuan tinggi akhir telah dikawal hingga dalam  0.3° , memenuhi keperluan kawalan.

Kes ini menggambarkan bahawa  satu langkah selalunya menyelesaikan hanya sebahagian daripada masalah - gabungan penambahbaikan mekanikal, elektrikal dan algoritma menghasilkan hasil yang terbaik.

Kesimpulan

Sisihan fasa cincin magnet dalam penderia pengekod magnet robot pada kelajuan tinggi sememangnya merupakan masalah pelbagai faktor. Ralat pemasangan mekanikal, lebar jalur penderia yang tidak mencukupi, kelewatan isyarat, kualiti medan magnet yang merosot, dan gangguan elektromagnet semuanya dikuatkan pada kelajuan tinggi.

Apabila menyelesaikan masalah, ikuti urutan:  mekanik dahulu, kemudian elektrik, kemudian algoritma :

·  Pertama, pastikan keserasian, pengimbangan dinamik, dan jurang udara diwujudkan dengan kukuh;

·  Kemudian optimumkan pemilihan penderia dan rantai isyarat untuk menjamin bersih, isyarat kelewatan rendah;

·  Akhir sekali, gunakan algoritma penentukuran dan pampasan untuk 'memperhalusi' baki ralat.

Bagi kebanyakan aplikasi berkelajuan tinggi, selepas pemulihan sistematik sedemikian, sisihan fasa pengekod magnet boleh disimpan dalam julat yang boleh diterima, membolehkan sistem servo kekal stabil dan tepat walaupun pada kelajuan tinggi.