De unde provine abaterea de fază a unui inel magnetic rotativ de mare viteză? – Ghid de depanare pentru senzorul codificatorului magnetic al robotului

În aplicațiile de înaltă performanță de control al mișcării, cum ar fi servomotoare, articulații robot și axuri electrice, magnetice codificatoarele câștigă popularitate datorită dimensiunilor mici, rezistenței la ulei, toleranței la vibrații și costurilor reduse. Cu toate acestea, mulți ingineri se confruntă cu o problemă spinoasă în timpul testelor de rotație de mare viteză:  unghiul raportat de codificator se abate de la poziția actuală a rotorului - o „deviație de fază”  care se înrăutățește odată cu creșterea vitezei. La viteze mici, poate cauza doar o ușoară ondulare a vitezei și zgomot crescut, dar la viteze mari poate duce la instabilitatea controlului.

I. Cum „Vede” unghiul un senzor de codificator magnetic robot?

Să trecem în revistă pe scurt structura de bază a unui codificator magnetic.

Un encoder magnetic tipic este format din trei părți:

1. Inel magnetic : montat pe capătul rotorului sau pe extensia arborelui, cu mai multe perechi de poli (N/S alternativ) distribuite în jurul circumferinței sale.

2. Senzor magnetic : de obicei Hall, AMR, GMR, TMR etc., plasat aproape de suprafața inelului pentru a detecta variațiile câmpului magnetic.

3. Circuit de procesare a semnalului : amplifică, condiționează și interpolează semnalele slabe ale senzorului, producând în cele din urmă impulsuri unghiulare sau de cuadratura.

Pe măsură ce inelul magnetic se rotește, senzorul detectează modificări periodice ale câmpului magnetic și emite semnale cvasi-sinusoidale/cosinusoidale. Prin rezolvarea fazei acestor două semnale se obține unghiul rotorului.

În mod ideal, distribuția câmpului magnetic este perfect sinusoidală, iar ieșirea senzorului corespunde strict unghiului mecanic. Cu toate acestea, în cazul rotației de mare viteză, această „corespondență ideală” este perturbată de mai mulți factori și apare deviația de fază.

II. Ce este abaterea de fază și de ce devine mai pronunțată la viteză mare?

Mai simplu spus,  deviația de fază este diferența dintre „unghiul perceput de codificator” și „unghiul adevărat al rotorului”.

De exemplu, dacă rotorul este de fapt la 30°, dar codificatorul iese 32°, acel 2° este deviația de fază. La viteză mică, această abatere ar putea fi de numai 0,1° și abia vizibilă; dar pe măsură ce viteza crește, abaterea se poate amplifica la câteva grade sau chiar peste zece grade, degradând semnificativ performanța de control.

De ce deviația se amplifică la viteză mare? Principalele motive sunt următoarele.

1. Erorile mecanice de instalare sunt 'mărite'

Alinierea coaxială perfectă între inelul magnetic și arbore este imposibilă. Să presupunem că inelul are o excentricitate de 0,05 mm -la viteză mică, senzorul poate tolera totuși distorsiunea de câmp rezultată; la viteză mare, forța centrifugă și vibrația cresc excentricitatea, distorsionând forma de undă magnetică și provocând abateri periodice de fază.

În mod similar, deformarea feței capătului inelului, jocul axial și echilibrul dinamic slab introduc perturbări suplimentare de înaltă frecvență la viteză mare.

2. Viteza de răspuns a senzorului este insuficientă

Pe măsură ce viteza inelului crește, frecvența variației câmpului magnetic crește în mod corespunzător. De exemplu, cu un inel cu 32 de perechi de poli la 10.000 rpm, frecvența câmpului este de aproximativ 5,3 kHz; la 30.000 rpm, depășește 16 kHz.

Senzorii Hall obișnuiți pot avea lățimi de bandă de numai zeci de kHz sau chiar mai mici - la viteză mare, amplitudinea de ieșire se atenuează și decalaje de fază, rezultând erori de unghi. Chiar dacă senzorul în sine este rapid, întârzierea excesivă în circuitele de filtrare ulterioare poate provoca, de asemenea, decalaj de fază.

3. Degradarea calității câmpului inelului magnetic

La viteză mare, pierderile de curent turbionar în interiorul inelului provoacă încălzire localizată. Pe măsură ce temperatura crește, remanența și coercitatea se modifică, reducând puterea câmpului și distorsionând forma de undă.

În plus, magnetizarea neuniformă, zonele de tranziție excesiv de largi între poli și selecția necorespunzătoare a numerelor perechilor de poli cresc conținutul armonic în câmpul magnetic la viteză mare, mărind erorile de calcul de fază.

4. Interferența electromagnetică și integritatea semnalului

La viteză mare, curenții PWM de înaltă frecvență în înfășurările motorului, curenții arborelui și liniile de mare putere din apropiere generează interferențe. Semnalele slabe de ieșire ale senzorului, odată contaminate, provoacă fluctuații și erori în detectarea trecerii cu zero sau calculul fazei.

III. Strategie de depanare: abordări mecanice, electrice și algoritmice

Pentru a aborda cauzele de mai sus, acțiunile corective pot fi luate la trei niveluri:  instalație mecanică, lanț de senzori și semnal și compensarea algoritmului.

1. Nivel mecanic - puneți mai întâi o bază solidă

Multe probleme de abatere de fază nu provin din electronică, ci din instalația mecanică.

(1) Controlați cu strictețe coaxialitatea și curățarea la capăt

După montarea inelului magnetic, coaxialitatea ar trebui să fie menținută în intervalul  0,03–0,05 mm și curățarea la capăt la  0,02 mm . Utilizați fitinguri de contracție, lipire adeziv sau dispozitive de fixare dedicate pentru poziționare și evitați lovirea care ar putea înclina inelul.

(2) Efectuați echilibrarea dinamică

Deși inelul este ușor, forța centrifugă la viteză mare nu este de neglijat. După instalare, efectuați echilibrarea dinamică generală pentru a reduce erorile de semnal induse de vibrații.

(3) Evitați forțele axiale asupra inelului magnetic

Dacă inelul este aproape de capacul motorului sau de rulmenți, dilatarea termică la viteză mare poate cauza deplasarea axială. Rezervați un joc axial adecvat în proiectare sau adoptați o structură elastică de preîncărcare.

2. Lanțul electric și de semnalizare - mențineți semnalele curate și la timp

(1) Alegeți tipul de senzor potrivit

Pentru aplicațiile de mare viteză, preferați  senzorii TMR sau GMR , deoarece lățimea lor de bandă atinge de obicei sute de kHz sau chiar MHz - mult mai mare decât senzorii Hall obișnuiți. De asemenea, asigurați-vă că sensibilitatea magnetică și câmpul de saturație ale senzorului se potrivesc cu caracteristicile inelului.

(2) Utilizați semnal diferenţial de ieşire

Ieșirea diferențială suprimă interferența în modul comun și îmbunătățește integritatea semnalului. Dacă senzorul oferă doar ieșire cu un singur capăt, adăugați o etapă de amplificator diferenţial la capătul frontal.

(3) Reduceți întârzierea filtrului

Filtrele RC și filtrele digitale introduc întârziere de fază. În aplicațiile de mare viteză, setați frecvența de tăiere a filtrului suficient de mare sau utilizați  cu fază liniară, cu întârziere redusă .  filtre Pentru zgomotul de înaltă frecvență care trebuie cu adevărat eliminat, luați în considerare netezirea după calculul unghiului, mai degrabă decât suprafiltrarea semnalelor brute.

(4) Optimizați spațiul de aer dintre inel și senzor

Interferul excesiv de aer reduce amplitudinea semnalului; un spațiu prea mic riscă frecare din cauza vibrațiilor la viteză mare. În mod obișnuit, alegeți un spațiu de aer de  0,3–1,0 mm  pe baza specificațiilor inelului și a sensibilității senzorului și determinați valoarea optimă experimental.

(5) Implementați ecranare și împământare adecvate

Utilizați cabluri ecranate cu perechi răsucite pentru cablarea senzorului, împămânțiți ecranul într-un singur punct și țineți cablul departe de liniile de alimentare ale motorului și de urme de curent ridicat pentru a reduce cuplarea electromagnetică.

3. Nivelul algoritmului - utilizați 'software' pentru a compensa deficiențele 'hardware'

După îmbunătățirile hardware, abaterile reziduale pot fi corectate în continuare prin algoritmi.

(1) Calibrarea offline și compensarea tabelului de căutare

În condiții de viteză scăzută, în stare staționară, utilizați un encoder de referință de înaltă precizie (de exemplu, un encoder optic) pentru a efectua calibrarea completă a codificatorului magnetic, pentru a înregistra abaterea la fiecare poziție și pentru a construi un tabel de compensare. În timpul funcționării efective, căutați corecția pe baza poziției curente.

Această metodă elimină efectiv abaterile periodice de fază, dar are un efect limitat asupra abaterilor dinamice suplimentare care apar la viteză mare.

(2) Compensare dinamică de fază

Dacă abaterile apar în principal dintr-o întârziere fixă ​​în lanțul de semnal, calculați întârzierea unghiului după:

unde  w  este viteza unghiulară și t _d este întârzierea totală a sistemului. Alimentați această compensare către unghiul de ieșire, ceea ce poate îmbunătăți semnificativ precizia la viteză mare într-un anumit interval de viteză.

(3) Filtrare adaptivă și observatori

Pentru fluctuații aleatorii la viteză mare, utilizați filtre Kalman, observatori în mod glisant sau metode similare pentru a fuziona unghiul codificatorului cu un model de motor, suprimând zgomotul de înaltă frecvență, păstrând în același timp semnalul unghiului real.

(4) Compensarea temperaturii

Modificările de remanență induse de temperatură afectează amplitudinea semnalului. Plasați un senzor de temperatură lângă encoder pentru a stabili un model de compensare a temperaturii-amplitudine/fază și pentru a aplica corecția în timp real.

IV. Studiu de caz scurt de depanare

Un servomotor a prezentat o abatere periodică de fază de aproximativ 3,5° față de codificatorul său magnetic la 15.000 rpm, provocând oscilații în bucla de curent. Echipa a urmat acești pași:

1. Inspecție mecanică : coaxialitatea inelului a fost găsită a fi de 0,08 mm; după reinstalare a fost redusă la 0,03 mm, iar abaterea a scăzut la 2,1°.

2. Înlocuirea senzorului : Senzorul Hall standard a fost înlocuit cu un senzor diferențial TMR cu lățime de bandă mai mare, iar frecvența de tăiere a filtrului a fost crescută de la 20 kHz la 100 kHz - abaterea a fost redusă și mai mult la 0,9°.

3. Compensare algoritm : a fost adăugată compensarea feedforward cu întârziere fixă, urmată de calibrarea offline cu cerc complet pe bancul de testare. Deviația finală de fază de mare viteză a fost controlată cu  0,3° , îndeplinind cerințele de control.

Acest caz ilustrează faptul că  o singură măsură rezolvă adesea doar o parte a problemei - o combinație de îmbunătățiri mecanice, electrice și algoritmice dă cele mai bune rezultate.

Concluzie

Deviația de fază a inelului magnetic dintr-un senzor de codificator magnetic robot la viteză mare este în mod inerent o problemă multifactorială. Erorile mecanice de instalare, lățimea de bandă insuficientă a senzorului, întârzierile semnalului, calitatea degradată a câmpului magnetic și interferența electromagnetică sunt toate amplificate la viteză mare.

Când depanați, urmați secvența:  mai întâi mecanică, apoi electrică, apoi algoritmi :

·  În primul rând, asigurați-vă că coaxialitatea, echilibrarea dinamică și spațiul de aer sunt bine stabilite;

·  Apoi optimizați selecția senzorului și lanțul de semnal pentru a garanta semnale curate, cu întârziere redusă;

·  În cele din urmă, utilizați algoritmi de calibrare și compensare pentru a „regla fin” erorile reziduale.

Pentru majoritatea aplicațiilor de mare viteză, după o astfel de remediere sistematică, deviația de fază a codificatorului magnetic poate fi menținută într-un interval acceptabil, permițând servosistemului să rămână stabil și precis chiar și la viteze mari.