Jak rozwiązać problem dryfu kątowego dysku z kodem magnetycznym w czujnikach enkodera magnetycznego robota?

W zastosowaniach wymagających dużej precyzji sterowania ruchem, takich jak przeguby robotów, serwomotory i przeguby Cardana, enkodery magnetyczne stają się coraz częściej podstawowymi urządzeniami przekazującymi informację zwrotną o położeniu, dzięki ich bezdotykowemu działaniu, odporności na zanieczyszczenia i kompaktowym rozmiarom. Jednak wielu inżynierów napotyka w praktyce frustrujący problem –  dryft kąta : odczyt kąta powoli „zanika” nawet wtedy, gdy silnik jest nieruchomy, lub dokładność znacznie spada wraz ze zmianami temperatury. Skąd bierze się dryft kąta dysku kodu magnetycznego i jak możemy go naprawić?

1. Co to jest dryf kątowy i skąd się bierze?

A Enkoder magnetyczny wykrywa wirujące pole magnetyczne magnesu stałego przymocowanego do wału silnika, wysyła sygnały sinus/cosinus z różnicą fazową 90°, a następnie oblicza kąt za pomocą funkcji arcus tangens. W teorii jest to idealny łańcuch pomiarowy. W rzeczywistości jednak różne nieidealne czynniki powodują, że odczyt kąta odbiega od wartości prawdziwej – jest to „dryf kątowy”.

Podsumowując, dryft kątowy wynika z trzech głównych aspektów:

1.1 Błędy instalacji mechanicznej

Jest to najczęstszy winowajca. Promieniowe przesunięcie między magnesem a środkiem wykrywania czujnika (mimośród), kąt między osią obrotu a normalnym chipem (nachylenie) oraz nadmierna lub zmienna szczelina powietrzna bezpośrednio zniekształcają sygnał pola magnetycznego. Na przykład mimośrodowość 0,3 mm może wprowadzić błąd kątowy wynoszący ±2,1°. Ponadto nierównomierne namagnesowanie lub nieregularny kształt magnesu może spowodować, że wykrywane pole odbiega od idealnego kształtu fali sinusoidalnej.

1.2 Zmiany temperatury otoczenia

Charakterystyka czujników Halla i obwodów przetwarzania sygnału zmienia się wraz z temperaturą. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się natężenie pola magnesu, zmienia się napięcie przesunięcia chipa i zmienia się napięcie odniesienia ADC – łącznie te czynniki powodują znaczny dryf temperatury w odczycie kąta. Rzeczywiste pomiary pokazują, że w przypadku magnesów o różnej jakości dryft temperatury punktu zerowego może się pogorszyć z +0,02 °/℃ do +0,15 °/℃.

1.3 Zakłócenia zewnętrzne i czynniki dynamiczne

Poprzeczne zakłócające pole magnetyczne przesuwa środek figury Lissajous, powodując błędy pod prawie wszystkimi kątami z wyjątkiem 0° i 180°. Co więcej, opóźnienia reakcji dynamicznej podczas pracy silnika z dużą prędkością oraz szum sygnału powstający na skutek tętnienia zasilania mogą powodować drgania odczytu kąta i jego niestabilność.

2. Rozwiązania: połączenie sprzętu, kalibracji i algorytmów

Nie ma jednej „magicznej kuli” pozwalającej rozwiązać problem dryfu kątowego. Konieczne jest skoordynowane podejście na trzech poziomach: instalacja mechaniczna, kalibracja chipów i kompensacja algorytmiczna.

Poziom 1: Solid Hardware Foundation – zatrzymaj błędy u źródła

Precyzyjny montaż to pierwsza linia obrony.  Enkodery magnetyczne są dość wrażliwe na tolerancje montażowe. Ogólnie rzecz biorąc, szczelina powietrzna powinna wynosić od 1,0 mm do 3,0 mm (optymalnie 2,0 mm), mimośród współosiowości ≤ 0,05 mm i kąt pochylenia ≤ 3°. Podczas instalacji użyj czujnika zegarowego lub laserowego narzędzia do kalibracji w celu kalibracji. Należy także trzymać enkoder z dala od silnych źródeł zakłóceń magnetycznych, takich jak uzwojenia silnika i tranzystory mocy; w razie potrzeby dodaj osłonę magnetyczną Permalloy.

Wybór magnesu jest również krytyczny.  Wybierz jednoparowy okrągły magnes magnesujący osiowo o natężeniu pola powierzchniowego od 300 mT do 500 mT. Magnesy niskiej jakości mają nie tylko nierówne pola, ale także słabą charakterystykę temperaturową, co bezpośrednio pogarsza znoszenie.

Projekt zasilacza i PCB musi być zgodny z dobrą praktyką.  Tętnienia mocy powinny być kontrolowane w granicach 10 mV, a linie sygnałowe SPI powinny być krótkie, równej długości i czysto poprowadzone. Nie umieszczaj wylewek ani śladów miedzi pod chipem, aby zmniejszyć pasożytnicze zakłócenia pojemnościowe magnetycznych elementów czujnikowych.

Poziom 2: Wykorzystaj w pełni kalibrację chipa – Wykorzystaj fabryczną precyzję w praktyce

Nowoczesne chipy enkodera magnetycznego zazwyczaj obejmują wiele etapów kalibracji, co stanowi najbardziej bezpośredni sposób radzenia sobie z dryftem kątowym.

Kalibracja fabryczna (na poziomie chipa):  Podczas testowania płytek producent chipów wykonuje już kompensację przesunięcia prądu stałego, korekcję nierównowagi amplitudy i korekcję błędu kwadraturowego, przy czym parametry są przechowywane w pamięci EEPROM znajdującej się na chipie. To jest „podstawa” dokładności.

Samokalibracja użytkownika (poziom systemu):  Po instalacji obróć silnik o jeden pełny obrót przy stałej prędkości. Wbudowany procesor DSP zbiera dane o kącie w pełnym obrocie i automatycznie identyfikuje i kompensuje mimośrodowość instalacji, zmiany szczeliny powietrznej i inne błędy. Wiele układów obsługuje wyzwalanie jednym kliknięciem bez konieczności stosowania zewnętrznego hosta, co jest bardzo przyjazne dla produkcji.

Dynamiczna kompensacja dryftu temperatury:  Chip monitoruje temperaturę w czasie rzeczywistym. Gdy temperatura odbiega od skalibrowanej wartości, automatycznie stosuje współczynnik kompensacji temperatury w celu skorygowania kąta. Na przykład Naxin Micro MT6835 wykorzystuje trójstopniowy system kalibracji, aby utrzymać dryft w pełnym zakresie temperatur w granicach ± ​​0,08°.

Poziom 3: Kompensacja algorytmiczna – dalsza poprawa dokładności

W przypadku zastosowań wymagających jeszcze większej precyzji konieczna jest dodatkowa kompensacja algorytmiczna.

Adaptacyjna kalibracja online:  tradycyjna kalibracja off-line ustala parametry kompensacji i nie może dostosować się do długoterminowego dryftu spowodowanego zmianami temperatury lub starzeniem się magnesu. Algorytm adaptacyjny oparty na rekursywnej metodzie najmniejszych kwadratów (RLS) może aktualizować parametry kompensacji w czasie rzeczywistym, utrzymując błąd kąta w granicach ±0,05° w pełnym zakresie temperatur (–40 ℃ do +125 ℃).

Filtrowanie Kalmana w celu redukcji szumów:  W przypadku szumów o wysokiej częstotliwości powodujących drgania kątowe filtr Kalmana skutecznie tłumi szumy obserwacyjne i poprawia stabilność sygnału wyjściowego kąta.

Kompensacja sieci neuronowej:  można zbudować model sieci neuronowej pasujący do charakterystyki dryfu temperaturowego; po ograniczonej liczbie iteracji szkoleniowych osiąga bardzo dokładną adaptacyjną korektę dryftu temperatury.

3. Wydajność w świecie rzeczywistym – jak dobra może być?

Dzięki połączonemu podejściu „instalacja sprzętu + kalibracja chipa + kompensacja algorytmiczna” nowoczesne enkodery magnetyczne mogą osiągnąć niezwykle wysoką dokładność:

• MT6816 osiąga zintegrowany błąd kąta na poziomie systemu w zakresie  ±0,03°.

• MT6835 po kalibracji poprawia swoją nieliniowość całkową (INL) z ±1° do  < ±0,07° , z dryfem pełnej temperatury  < ±0,08°.

• Niektóre rozwiązania z najwyższej półki mogą nawet zoptymalizować INL do  ±0,03° , osiągając dokładność na poziomie ±0,05° wymaganą w przypadku gimbali i serwomechanizmów.

4. Podsumowanie i perspektywy

Zasadniczo dryft kąta dysku kodu magnetycznego jest wynikiem nałożonych na sygnał pola magnetycznego zakłóceń pochodzących od czynników mechanicznych, termicznych, elektromagnetycznych i innych. Nie ma jednego leku na wszystko; rozwiązanie powinno być zgodne z zasadą  „sprzęt jako podstawa, kalibracja jako podstawa i algorytmy jako wykończenie” :

1. Dokładność montażu to podstawa  – nie można pominąć szczeliny powietrznej, współosiowości i doboru magnesu.

2. Podstawowym narzędziem jest kalibracja chipów  – w pełni wykorzystaj kalibrację fabryczną i samokalibrację użytkownika.

3. Zaawansowanym krokiem jest kompensacja algorytmiczna  – w przypadku wymagających scenariuszy należy wprowadzić filtrowanie adaptacyjne i kalibrację online.

W miarę ciągłego zwiększania się integracji chipów i wprowadzania algorytmów sztucznej inteligencji przyszłe enkodery magnetyczne będą ewoluować w kierunku możliwości  „samodetekcji, samokalibracji i samokompensacji”  . Od tego momentu dryft kątowy nie będzie już problemem dla inżynierów, a precyzja i niezawodność połączeń robotów osiągnie nowy poziom.