Waar komt de faseafwijking van een snel roterende magnetische ring vandaan? – Gids voor probleemoplossing voor magnetische robot-encodersensor

In hoogwaardige motion control-toepassingen zoals servomotoren, robotgewrichten en elektrische spindels, magnetisch encoders winnen aan populariteit vanwege hun kleine formaat, oliebestendigheid, trillingstolerantie en lage kosten. Veel ingenieurs stuiten echter op een netelig probleem tijdens rotatietests op hoge snelheid:  de door de encoder gerapporteerde hoek wijkt af van de werkelijke positie van de rotor - een 'faseafwijking'  die erger wordt naarmate de snelheid toeneemt. Bij lage snelheden kan dit slechts een lichte snelheidsrimpel en meer geluid veroorzaken, maar bij hoge snelheden kan dit leiden tot instabiliteit van de besturing.

I. Hoe 'ziet' een magnetische encodersensor de hoek?

Laten we kort de basisstructuur van een magnetische encoder bekijken.

Een typische magnetische encoder bestaat uit drie delen:

1. Magnetische ring : gemonteerd op het rotoruiteinde of op het asverlengstuk, met meerdere poolparen (N/Z afwisselend) verdeeld over de omtrek.

2. Magnetische sensor : gewoonlijk Hall, AMR, GMR, TMR, enz., dicht bij het ringoppervlak geplaatst om variaties in het magnetische veld te detecteren.

3. Signaalverwerkingscircuit : versterkt, conditioneert en interpoleert de zwakke sensorsignalen, waardoor uiteindelijk hoek- of kwadratuurpulsen worden uitgevoerd.

Terwijl de magnetische ring draait, detecteert de sensor periodieke veranderingen in het magnetische veld en voert hij quasi-sinusvormige/cosinusvormige signalen uit. Door de fase van deze twee signalen op te lossen, wordt de rotorhoek verkregen.

Idealiter is de magnetische veldverdeling perfect sinusoïdaal en komt de sensoruitvoer strikt overeen met de mechanische hoek. Bij rotatie op hoge snelheid wordt deze 'ideale overeenkomst' echter door meerdere factoren verstoord, en ontstaat er faseafwijking.

II. Wat is faseafwijking en waarom wordt deze bij hoge snelheid duidelijker?

Simpel gezegd  is faseafwijking het verschil tussen 'de hoek waargenomen door de encoder' en 'de werkelijke rotorhoek'.

Als de rotor bijvoorbeeld daadwerkelijk op 30° staat, maar de encoder 32° uitvoert, is die 2° faseafwijking. Bij lage snelheid kan deze afwijking slechts 0,1° bedragen en nauwelijks merkbaar zijn; maar naarmate de snelheid toeneemt, kan de afwijking toenemen tot enkele graden of zelfs meer dan tien graden, waardoor de regelprestaties aanzienlijk afnemen.

Waarom wordt de afwijking groter bij hoge snelheid? De belangrijkste redenen zijn als volgt.

1. Mechanische installatiefouten worden 'uitvergroot'

Een perfecte coaxiale uitlijning tussen de magnetische ring en de as is onmogelijk. Stel dat de ring een excentriciteit heeft van 0,05 mm, dan kan de sensor bij lage snelheid nog steeds de resulterende veldvervorming tolereren; bij hoge snelheid vergroten de middelpuntvliedende kracht en trillingen de excentriciteit, waardoor de magnetische golfvorm wordt vervormd en periodieke faseafwijkingen ontstaan.

Op dezelfde manier introduceren slingering van het eindvlak van de ring, axiale speling en een slechte dynamische balans extra hoogfrequente storingen bij hoge snelheid.

2. De reactiesnelheid van de sensor is onvoldoende

Naarmate de ringsnelheid toeneemt, stijgt de frequentie van de magnetische veldvariatie dienovereenkomstig. Met een ring met 32 ​​polen bij 10.000 tpm is de veldfrequentie bijvoorbeeld ongeveer 5,3 kHz; bij 30.000 tpm overschrijdt het 16 kHz.

Common Hall-sensoren kunnen bandbreedtes hebben van slechts tientallen kHz of zelfs lager. Bij hoge snelheid verzwakt de uitgangsamplitude en fasevertragingen, wat resulteert in hoekfouten. Zelfs als de sensor zelf snel is, kan overmatige vertraging in daaropvolgende filtercircuits ook fasevertraging veroorzaken.

3. Verslechtering van de veldkwaliteit van de magnetische ring

Bij hoge snelheid veroorzaken wervelstroomverliezen in de ring plaatselijke verwarming. Naarmate de temperatuur stijgt, veranderen remanentie en coërciviteit, waardoor de veldsterkte afneemt en de golfvorm wordt vervormd.

Bovendien verhogen niet-uniforme magnetisatie, buitensporig brede overgangszones tussen polen en onjuiste selectie van poolpaarnummers allemaal de harmonische inhoud in het magnetische veld met hoge snelheid, waardoor faseberekeningsfouten groter worden.

4. Elektromagnetische interferentie en signaalintegriteit

Bij hoge snelheid genereren hoogfrequente PWM-stromen in motorwikkelingen, asstromen en nabijgelegen hoogspanningsleidingen interferentie. De zwakke uitgangssignalen van de sensor veroorzaken, zodra ze vervuild zijn, jitter en fouten bij nuldoorgangsdetectie of faseberekening.

III. Strategie voor probleemoplossing: mechanische, elektrische en algoritmische benaderingen

Om de bovengenoemde oorzaken aan te pakken, kunnen corrigerende maatregelen op drie niveaus worden genomen:  mechanische installatie, sensor- en signaalketen en algoritmecompensatie.

1. Mechanisch waterpas - leg eerst een solide fundering

Veel problemen met faseafwijkingen komen niet voort uit de elektronica, maar uit de mechanische installatie.

(1) Controleer de coaxialiteit en de eindvlakslingering strikt

Na montage van de magnetische ring moet de coaxialiteit binnen  0,03–0,05 mm worden gehouden , en de eindvlakslingering binnen  0,02 mm . Gebruik krimpfittingen, lijmverbindingen of speciale bevestigingsmiddelen voor het positioneren en vermijd hameren waardoor de ring zou kunnen kantelen.

(2) Voer dynamische balancering uit

Hoewel de ring licht van gewicht is, is de middelpuntvliedende kracht bij hoge snelheid niet te verwaarlozen. Voer na de installatie een algehele dynamische balancering uit om door trillingen veroorzaakte signaalfouten te verminderen.

(3) Vermijd axiale krachten op de magnetische ring

Als de ring zich dicht bij het motoreinddeksel of de lagers bevindt, kan thermische uitzetting bij hoge snelheid axiale verplaatsing veroorzaken. Reserveer de juiste axiale speling in het ontwerp, of gebruik een elastische voorspanningsstructuur.

2. Elektrische en signaalketen: houd de signalen schoon en actueel

(1) Kies het juiste sensortype

Voor hogesnelheidstoepassingen geeft u de voorkeur aan  TMR- of GMR-sensoren , omdat hun bandbreedte doorgaans honderden kHz of zelfs MHz bereikt, veel hoger dan bij gewone Hall-sensoren. Zorg er ook voor dat de magnetische gevoeligheid en het verzadigingsveld van de sensor overeenkomen met de kenmerken van de ring.

(2) Gebruik differentiële signaaluitvoer

Differentiële uitvoer onderdrukt common-mode-interferentie en verbetert de signaalintegriteit. Als de sensor alleen single-ended output levert, voeg dan een differentiële versterkertrap toe aan de voorkant.

(3) Filtervertraging verminderen

RC-filters en digitale filters introduceren fasevertraging. Bij hogesnelheidstoepassingen stelt u de filterafsnijfrequentie voldoende hoog in, of gebruikt u  lineaire-fasefilters met lage vertraging  . Voor hoogfrequente ruis die echt moet worden verwijderd, kunt u overwegen om na hoekberekening af te vlakken in plaats van de ruwe signalen te overfilteren.

(4) Optimaliseer de luchtspleet tussen ring en sensor

Een te grote luchtspleet vermindert de signaalamplitude; bij een te kleine opening bestaat het gevaar dat er wrijving ontstaat als gevolg van trillingen bij hoge snelheid. Kies doorgaans een luchtspleet van  0,3–1,0 mm  op basis van de ringspecificaties en sensorgevoeligheid, en bepaal experimenteel de optimale waarde.

(5) Zorg voor een goede afscherming en aarding

Gebruik afgeschermde, getwiste aderparen voor de sensorbedrading, aard de afscherming op één punt en houd de kabel uit de buurt van motorvoedingskabels en hoge stroomlijnen om elektromagnetische koppeling te verminderen.

3. Algoritmeniveau: gebruik 'software' om tekortkomingen in de 'hardware' te compenseren

Na hardwareverbeteringen kunnen resterende afwijkingen verder worden gecorrigeerd door algoritmen.

(1) Offline kalibratie en opzoektabelcompensatie

Gebruik bij lage snelheid en stabiele omstandigheden een uiterst nauwkeurige referentie-encoder (bijvoorbeeld een optische encoder) om de volledige cirkelkalibratie van de magnetische encoder uit te voeren, de afwijking op elke positie vast te leggen en een compensatietabel samen te stellen. Zoek tijdens het daadwerkelijke gebruik de correctie op op basis van de huidige positie.

Deze methode elimineert effectief periodieke faseafwijkingen, maar heeft een beperkt effect op extra dynamische afwijkingen die bij hoge snelheid optreden.

(2) Dynamische fasecompensatie

Als afwijkingen voornamelijk voortkomen uit een vaste vertraging in de signaalketen, bereken dan de hoekvertraging door:

waarbij  w  de hoeksnelheid is en td _de totale systeemvertraging is. Voer deze compensatie door naar de uitvoerhoek, wat de nauwkeurigheid bij hoge snelheden binnen een bepaald snelheidsbereik aanzienlijk kan verbeteren.

(3) Adaptieve filtering en waarnemers

Voor willekeurige jitter bij hoge snelheid gebruikt u Kalman-filters, waarnemers met glijdende modus of soortgelijke methoden om de encoderhoek te combineren met een motormodel, waardoor hoogfrequente ruis wordt onderdrukt terwijl het ware hoeksignaal behouden blijft.

(4) Temperatuurcompensatie

Door temperatuur geïnduceerde veranderingen in remanentie beïnvloeden de signaalamplitude. Plaats een temperatuursensor in de buurt van de encoder om een ​​temperatuur-amplitude/fasecompensatiemodel op te stellen en real-time correctie toe te passen.

IV. Korte casestudy voor probleemoplossing

Een servomotor vertoonde een periodieke faseafwijking van ongeveer 3,5 ° ten opzichte van zijn magnetische encoder bij 15.000 tpm, wat stroomlusoscillatie veroorzaakte. Het team volgde deze stappen:

1. Mechanische inspectie : De coaxialiteit van de ring bleek 0,08 mm te zijn; na herinstallatie werd deze teruggebracht tot 0,03 mm en daalde de afwijking naar 2,1°.

2. Vervanging van de sensor : De standaard Hall-sensor werd vervangen door een TMR-verschilsensor met hogere bandbreedte, en de filterafsnijfrequentie werd verhoogd van 20 kHz naar 100 kHz - de afwijking werd verder teruggebracht tot 0,9 °.

3. Algoritmecompensatie : Feedforward-compensatie met vaste vertraging werd toegevoegd, gevolgd door volledige offline kalibratie op de testbank. De uiteindelijke faseafwijking bij hoge snelheid werd gecontroleerd tot op  0,3° , wat voldeed aan de controlevereisten.

Dit geval illustreert dat  een enkele maatregel vaak slechts een deel van het probleem oplost: een combinatie van mechanische, elektrische en algoritmische verbeteringen levert de beste resultaten op.

Conclusie

Faseafwijking van de magnetische ring in een magnetische encodersensor van een robot bij hoge snelheid is inherent een multifactorieel probleem. Mechanische installatiefouten, onvoldoende sensorbandbreedte, signaalvertragingen, verminderde magnetische veldkwaliteit en elektromagnetische interferentie worden allemaal met hoge snelheid versterkt.

Volg bij het oplossen van problemen de volgende volgorde:  eerst de mechanica, dan de elektrische installatie en dan de algoritmen :

·  Zorg er in de eerste plaats voor dat de coaxialiteit, het dynamische evenwicht en de luchtspleet stevig verankerd zijn;

·  Optimaliseer vervolgens de sensorselectie en de signaalketen om zuivere signalen met lage vertraging te garanderen;

·  Gebruik ten slotte kalibratie- en compensatie-algoritmen om resterende fouten te 'verfijnen'.

Voor de meeste hogesnelheidstoepassingen kan na een dergelijk systematisch herstel de faseafwijking van de magnetische encoder binnen een acceptabel bereik worden gehouden, waardoor het servosysteem zelfs bij hoge snelheden stabiel en nauwkeurig blijft.