Skąd bierze się odchylenie fazowe szybko obracającego się pierścienia magnetycznego? – Przewodnik rozwiązywania problemów z czujnikiem enkodera magnetycznego robota

W zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności sterowania ruchem, takich jak serwosilniki, przeguby robotów i wrzeciona elektryczne, magnetyczne Enkodery zyskują popularność ze względu na małe rozmiary, odporność na olej, tolerancję na wibracje i niski koszt. Jednakże wielu inżynierów napotyka drażliwy problem podczas testowania dużych prędkości obrotowych:  kąt zgłaszany przez enkoder odbiega od rzeczywistego położenia wirnika – jest to „odchylenie fazowe”  , które pogarsza się wraz ze wzrostem prędkości. Przy niskich prędkościach może powodować jedynie niewielkie tętnienie prędkości i zwiększony hałas, ale przy dużych prędkościach może prowadzić do niestabilności sterowania.

I. W jaki sposób czujnik magnetyczny robota „widzi” kąt?

Przyjrzyjmy się pokrótce podstawowej strukturze enkodera magnetycznego.

Typowy enkoder magnetyczny składa się z trzech części:

1. Pierścień magnetyczny : montowany na końcu wirnika lub przedłużeniu wału, z wieloma parami biegunów (naprzemiennie N/S) rozmieszczonymi na jego obwodzie.

2. Czujnik magnetyczny : zwykle Halla, AMR, GMR, TMR itp., umieszczany blisko powierzchni pierścienia w celu wykrywania zmian pola magnetycznego.

3. Obwód przetwarzania sygnału : wzmacnia, kondycjonuje i interpoluje słabe sygnały czujnika, ostatecznie generując impulsy kątowe lub kwadraturowe.

Gdy pierścień magnetyczny się obraca, czujnik wykrywa okresowe zmiany pola magnetycznego i generuje sygnały quasi-sinusoidalne/cosinusoidalne. Rozwiązując fazę tych dwóch sygnałów, uzyskuje się kąt wirnika.

W idealnym przypadku rozkład pola magnetycznego jest idealnie sinusoidalny, a sygnał wyjściowy czujnika ściśle odpowiada kątowi mechanicznemu. Jednakże przy dużych prędkościach obrotowych ta „idealna zgodność” zostaje zakłócona przez wiele czynników i pojawia się odchylenie fazowe.

II. Co to jest odchylenie fazowe i dlaczego staje się bardziej widoczne przy dużej prędkości?

Mówiąc najprościej,  odchylenie fazowe to różnica między „kątem postrzeganym przez enkoder” a „prawdziwym kątem wirnika”.

Na przykład, jeśli wirnik jest faktycznie ustawiony pod kątem 30°, ale enkoder wysyła sygnał wyjściowy pod kątem 32°, to 2° oznacza odchylenie fazowe. Przy niskiej prędkości odchylenie to może wynosić tylko 0,1° i jest ledwo zauważalne; jednak wraz ze wzrostem prędkości odchylenie może wzrosnąć do kilku lub nawet kilkunastu stopni, znacznie pogarszając wydajność sterowania.

Dlaczego odchylenie wzrasta przy dużej prędkości? Główne powody są następujące.

1. Błędy instalacji mechanicznej są „wyolbrzymione”

Idealne współosiowe ustawienie pierścienia magnetycznego i wału jest niemożliwe. Załóżmy, że pierścień ma mimośród 0,05 mm – przy małej prędkości czujnik nadal toleruje powstałe zniekształcenie pola; przy dużej prędkości siła odśrodkowa i wibracje zwiększają mimośrodowość, zniekształcając kształt fali magnetycznej i powodując okresowe odchylenie fazowe.

Podobnie bicie powierzchni czołowej pierścienia, luz osiowy i słaba równowaga dynamiczna wprowadzają dodatkowe zakłócenia o wysokiej częstotliwości przy dużej prędkości.

2. Szybkość reakcji czujnika jest niewystarczająca

Wraz ze wzrostem prędkości pierścienia wzrasta odpowiednio częstotliwość zmian pola magnetycznego. Na przykład w przypadku pierścienia z 32 parami biegunów przy 10 000 obr./min częstotliwość pola wynosi około 5,3 kHz; przy 30 000 obr/min przekracza 16 kHz.

Typowe czujniki Halla mogą mieć szerokość pasma rzędu kilkudziesięciu kHz lub nawet mniejszą – przy dużej prędkości amplituda wyjściowa ulega osłabieniu i opóźnieniom fazowym, co skutkuje błędami kątowymi. Nawet jeśli sam czujnik jest szybki, nadmierne opóźnienie w kolejnych obwodach filtrów może również powodować opóźnienie fazowe.

3. Degradacja jakości pola pierścienia magnetycznego

Przy dużej prędkości straty prądu wirowego wewnątrz pierścienia powodują miejscowe nagrzewanie. Wraz ze wzrostem temperatury zmienia się remanencja i koercja, zmniejszając natężenie pola i zniekształcając kształt fali.

Ponadto nierównomierne namagnesowanie, zbyt szerokie strefy przejściowe między biegunami i niewłaściwy dobór liczby par biegunów zwiększają zawartość harmonicznych w polu magnetycznym przy dużej prędkości, zwiększając błędy obliczeń fazowych.

4. Zakłócenia elektromagnetyczne i integralność sygnału

Przy dużej prędkości prądy PWM o wysokiej częstotliwości w uzwojeniach silnika, prądach na wale i pobliskich liniach dużej mocy generują zakłócenia. Słabe sygnały wyjściowe czujnika, po zanieczyszczeniu, powodują drgania i błędy w wykrywaniu przejścia przez zero lub obliczeniu fazy.

III. Strategia rozwiązywania problemów: podejścia mechaniczne, elektryczne i algorytmiczne

Aby zaradzić powyższym przyczynom, można podjąć działania naprawcze na trzech poziomach:  instalacji mechanicznej, łańcucha czujników i sygnałów oraz kompensacji algorytmu.

1. Poziom mechaniczny – najpierw zbuduj solidny fundament

Wiele problemów związanych z odchyleniem fazy ma swoje źródło nie w elektronice, ale w instalacji mechanicznej.

(1) Ściśle kontroluj współosiowość i bicie czołowe

Po zamontowaniu pierścienia magnetycznego współosiowość powinna utrzymywać się w granicach  0,03–0,05 mm , a bicie czołowe w granicach  0,02 mm . Do pozycjonowania należy używać złączek termokurczliwych, klejonych lub dedykowanych uchwytów i unikać uderzania młotkiem, które mogłoby przechylić pierścień.

(2) Wykonaj wyważanie dynamiczne

Chociaż pierścień jest lekki, siła odśrodkowa przy dużej prędkości nie jest pomijalna. Po instalacji należy przeprowadzić ogólne wyważenie dynamiczne, aby zredukować błędy sygnału wywołane wibracjami.

(3) Unikać sił osiowych działających na pierścień magnetyczny

Jeśli pierścień znajduje się blisko pokrywy końcowej silnika lub łożysk, rozszerzalność cieplna przy dużej prędkości może spowodować przemieszczenie osiowe. Zarezerwuj odpowiedni luz osiowy w projekcie lub zastosuj elastyczną strukturę napięcia wstępnego.

2. Łańcuch elektryczny i sygnałowy — utrzymuj sygnały w czystości i na czas

(1) Wybierz odpowiedni typ czujnika

W przypadku zastosowań wymagających dużej prędkości należy preferować  czujniki TMR lub GMR , ponieważ ich szerokość pasma zwykle sięga setek kHz lub nawet MHz, czyli znacznie więcej niż w przypadku zwykłych czujników Halla. Upewnij się również, że czułość magnetyczna czujnika i pole nasycenia odpowiadają charakterystyce pierścienia.

(2) Użyj wyjścia sygnału różnicowego

Wyjście różnicowe tłumi zakłócenia w trybie wspólnym i poprawia integralność sygnału. Jeśli czujnik zapewnia tylko wyjście typu single-ended, dodaj stopień wzmacniacza różnicowego z przodu.

(3) Zmniejsz opóźnienie filtra

Filtry RC i filtry cyfrowe wprowadzają opóźnienie fazowe. W zastosowaniach wymagających dużej szybkości należy ustawić odpowiednio wysoką częstotliwość odcięcia filtra lub zastosować filtry  liniowo-fazowe o niskim opóźnieniu  . W przypadku szumów o wysokiej częstotliwości, które naprawdę wymagają usunięcia, należy rozważyć wygładzenie po obliczeniu kąta, zamiast nadmiernego filtrowania surowych sygnałów.

(4) Zoptymalizuj szczelinę powietrzną pomiędzy pierścieniem a czujnikiem

Nadmierna szczelina powietrzna zmniejsza amplitudę sygnału; zbyt mała szczelina stwarza ryzyko tarcia z powodu wibracji przy dużej prędkości. Zazwyczaj wybiera się szczelinę powietrzną o wielkości  0,3–1,0 mm  w oparciu o specyfikację pierścienia i czułość czujnika, a następnie określa optymalną wartość eksperymentalnie.

(5) Zastosuj odpowiednie ekranowanie i uziemienie

Do okablowania czujników należy używać ekranowanej skrętki dwużyłowej, uziemiać ekran w jednym punkcie i trzymać kabel z dala od linii zasilających silnika i ścieżek wysokoprądowych, aby zmniejszyć sprzężenie elektromagnetyczne.

3. Poziom algorytmu - użyj „oprogramowania” w celu kompensacji braków „sprzętu”.

Po udoskonaleniu sprzętu pozostałe odchylenia można dalej korygować za pomocą algorytmów.

(1) Kalibracja offline i kompensacja w tabeli przeglądowej

W warunkach stabilnych przy niskiej prędkości należy użyć precyzyjnego enkodera odniesienia (np. enkodera optycznego), aby przeprowadzić kalibrację pełnego koła enkodera magnetycznego, zarejestrować odchylenie w każdej pozycji i zbudować tabelę kompensacji. Podczas rzeczywistej pracy sprawdź korektę w oparciu o bieżącą pozycję.

Metoda ta skutecznie eliminuje okresowe odchyłki fazowe, ale ma ograniczony wpływ na dodatkowe odchyłki dynamiczne pojawiające się przy dużych prędkościach.

(2) Dynamiczna kompensacja fazy

Jeżeli odchylenia wynikają głównie ze stałego opóźnienia w łańcuchu sygnałowym, należy obliczyć opóźnienie kątowe ze wzoru:

gdzie  w  to prędkość kątowa, a t _d to całkowite opóźnienie systemu. Podaj tę kompensację do kąta wyjściowego, co może znacznie poprawić dokładność przy dużych prędkościach w określonym zakresie prędkości.

(3) Filtrowanie adaptacyjne i obserwatorzy

W przypadku losowych drgań przy dużej prędkości należy użyć filtrów Kalmana, obserwatorów w trybie ślizgowym lub podobnych metod, aby połączyć kąt enkodera z modelem silnika, tłumiąc szumy o wysokiej częstotliwości, zachowując jednocześnie sygnał prawdziwego kąta.

(4) Kompensacja temperatury

Zmiany remanencji wywołane temperaturą wpływają na amplitudę sygnału. Umieść czujnik temperatury w pobliżu enkodera, aby ustalić model kompensacji temperatury, amplitudy i fazy i zastosować korekcję w czasie rzeczywistym.

IV. Krótkie studium przypadku dotyczące rozwiązywania problemów

Serwomotor wykazywał okresowe odchylenie fazowe o około 3,5° w stosunku do enkodera magnetycznego przy 15 000 obr./min, powodując oscylacje pętli prądowej. Zespół wykonał następujące kroki:

1. Kontrola mechaniczna : Stwierdzono, że współosiowość pierścienia wynosi 0,08 mm; po ponownym montażu zmniejszyła się do 0,03 mm, a odchylenie spadło do 2,1°.

2. Wymiana czujnika : Standardowy czujnik Halla został zastąpiony czujnikiem różnicowym TMR o większej szerokości pasma, a częstotliwość odcięcia filtra została podniesiona z 20 kHz do 100 kHz, a odchylenie zostało dodatkowo zmniejszone do 0,9°.

3. Kompensacja algorytmu : Dodano kompensację wyprzedzającą ze stałym opóźnieniem, a następnie przeprowadzono kalibrację offline na stanowisku testowym w trybie pełnego koła. Końcowe odchylenie fazowe przy dużej prędkości kontrolowano z dokładnością do  0,3° , spełniając wymagania kontrolne.

Ten przypadek ilustruje, że  pojedynczy środek często rozwiązuje tylko część problemu – najlepsze wyniki daje połączenie ulepszeń mechanicznych, elektrycznych i algorytmicznych.

Wniosek

Odchylenie fazowe pierścienia magnetycznego w czujniku enkodera magnetycznego robota przy dużej prędkości jest z natury problemem wieloczynnikowym. Błędy instalacji mechanicznej, niewystarczająca szerokość pasma czujnika, opóźnienia sygnału, obniżona jakość pola magnetycznego i zakłócenia elektromagnetyczne są wzmacniane przy dużej prędkości.

Podczas rozwiązywania problemów postępuj zgodnie z kolejnością:  najpierw mechanika, potem elektryka, a następnie algorytmy :

·  Po pierwsze, upewnij się, że współosiowość, równoważenie dynamiczne i szczelina powietrzna są solidnie ugruntowane;

·  Następnie zoptymalizuj wybór czujnika i łańcuch sygnałowy, aby zagwarantować czyste sygnały o niskim opóźnieniu;

·  Na koniec użyj algorytmów kalibracji i kompensacji, aby „dostroić” błędy resztkowe.

W przypadku większości zastosowań wymagających dużych prędkości, po takim systematycznym naprawieniu, odchylenie fazowe enkodera magnetycznego można utrzymać w akceptowalnym zakresie, dzięki czemu serwomechanizm pozostaje stabilny i dokładny nawet przy dużych prędkościach.