Откуда возникает отклонение фазы быстро вращающегося магнитного кольца? – Руководство по устранению неполадок датчика магнитного энкодера робота

В высокопроизводительных приложениях управления движением, таких как серводвигатели, соединения роботов и электрические шпиндели, магнитные Энкодеры набирают популярность благодаря своим небольшим размерам, маслостойкости, устойчивости к вибрации и низкой стоимости. Однако во время испытаний на высокоскоростном вращении многие инженеры сталкиваются с щекотливой проблемой:  угол, сообщаемый энкодером, отклоняется от фактического положения ротора — «отклонение фазы»,  ​​которое ухудшается с увеличением скорости. На низких скоростях это может вызвать лишь небольшую пульсацию скорости и повышенный шум, но на высоких скоростях это может привести к нестабильности управления.

I. Как датчик магнитного энкодера робота «видит» угол?

Давайте кратко рассмотрим базовую структуру магнитного энкодера.

Типичный магнитный энкодер состоит из трех частей:

1. Магнитное кольцо : монтируется на конце ротора или продолжении вала, с несколькими парами полюсов (чередующиеся север/юг), распределенными по его окружности.

2. Магнитный датчик : обычно Холла, AMR, GMR, TMR и т. д., размещаемый близко к поверхности кольца для определения изменений магнитного поля.

3. Схема обработки сигналов : усиливает, обрабатывает и интерполирует слабые сигналы датчиков, в конечном итоге выдавая угловые или квадратурные импульсы.

Когда магнитное кольцо вращается, датчик обнаруживает периодические изменения магнитного поля и выдает квазисинусоидальные/косинусоидальные сигналы. Путем разрешения фазы этих двух сигналов получается угол ротора.

В идеале распределение магнитного поля идеально синусоидальное, а выходной сигнал датчика строго соответствует механическому углу. Однако при высокоскоростном вращении это «идеальное соответствие» нарушается множеством факторов и возникает отклонение фазы.

II. Что такое отклонение фазы и почему оно становится более выраженным на высокой скорости?

Проще говоря,  отклонение фазы — это разница между «уголом, воспринимаемым энкодером» и «истинным углом ротора»..

Например, если на самом деле ротор находится под углом 30°, а энкодер выдает угол 32°, то эти 2° и есть отклонение фазы. На малой скорости это отклонение может составлять всего 0,1° и быть едва заметным; но по мере увеличения скорости отклонение может увеличиться до нескольких градусов или даже более десяти градусов, что значительно ухудшает эффективность управления.

Почему отклонение усиливается на высокой скорости? Основные причины заключаются в следующем.

1. Ошибки механической установки «увеличиваются»

Идеальное соосное выравнивание между магнитным кольцом и валом невозможно. Предположим, кольцо имеет эксцентриситет 0,05 мм — на малой скорости датчик еще может выдерживать возникающие искажения поля; на высокой скорости центробежная сила и вибрация увеличивают эксцентриситет, искажая форму магнитного сигнала и вызывая периодическое отклонение фазы.

Аналогично, биение торца кольца, осевой люфт и плохой динамический баланс создают дополнительные высокочастотные помехи на высокой скорости.

2. Скорость срабатывания датчика недостаточна.

По мере увеличения скорости кольца частота изменения магнитного поля соответственно возрастает. Например, при 32-полюсном кольце при 10 000 об/мин частота поля составляет около 5,3 кГц; при 30 000 об/мин она превышает 16 кГц.

Датчики Холла могут иметь полосу пропускания всего лишь десятки кГц или даже ниже — на высокой скорости выходная амплитуда затухает и отстает по фазе, что приводит к угловым ошибкам. Даже если сам датчик работает быстро, чрезмерная задержка в последующих цепях фильтра также может вызвать задержку фазы.

3. Ухудшение качества поля магнитного кольца.

На высокой скорости потери вихревых токов внутри кольца вызывают локальный нагрев. По мере повышения температуры остаточная намагниченность и коэрцитивная сила изменяются, уменьшая напряженность поля и искажая форму сигнала.

Кроме того, неоднородная намагниченность, чрезмерно широкие переходные зоны между полюсами и неправильный выбор числа пар полюсов - все это увеличивает содержание гармоник в магнитном поле с высокой скоростью, увеличивая ошибки расчета фазы.

4. Электромагнитные помехи и целостность сигнала.

На высокой скорости высокочастотные токи ШИМ в обмотках двигателя, токи на валу и близлежащие линии высокой мощности создают помехи. Слабые выходные сигналы датчика, будучи загрязненными, вызывают дрожание и ошибки при обнаружении перехода через нуль или вычислении фазы.

III. Стратегия устранения неполадок: механический, электрический и алгоритмический подходы

Для устранения вышеуказанных причин корректирующие действия могут быть предприняты на трех уровнях:  механическая установка, датчик и сигнальная цепь, а также алгоритм компенсации..

1. Механический уровень — сначала заложите прочный фундамент.

Многие проблемы с отклонением фазы возникают не из-за электроники, а из-за механической установки.

(1) Строго контролировать соосность и торцевое биение.

После монтажа магнитного кольца соосность должна сохраняться в пределах  0,03–0,05 мм , а торцевое биение — в пределах  0,02 мм . Используйте термоусадочную посадку, клеевое соединение или специальные приспособления для позиционирования и избегайте ударов молотком, которые могут привести к наклону кольца.

(2) Выполните динамическую балансировку.

Хотя кольцо легкое, центробежная сила на высокой скорости незначительна. После установки проведите общую динамическую балансировку, чтобы уменьшить ошибки сигнала, вызванные вибрацией.

(3) Избегайте осевых сил на магнитном кольце.

Если кольцо находится близко к торцевой крышке двигателя или подшипникам, тепловое расширение на высокой скорости может вызвать осевое смещение. Оставьте в конструкции соответствующий осевой зазор или примените эластичную конструкцию с преднатягом.

2. Электрическая и сигнальная цепь – поддержание чистоты и своевременности сигналов.

(1) Выберите правильный тип датчика.

Для высокоскоростных приложений отдайте предпочтение  датчикам TMR или GMR , поскольку их полоса пропускания обычно достигает сотен кГц или даже МГц, что намного выше, чем у обычных датчиков Холла. Также убедитесь, что магнитная чувствительность датчика и поле насыщения соответствуют характеристикам кольца.

(2) Используйте выходной дифференциальный сигнал.

Дифференциальный выход подавляет синфазные помехи и улучшает целостность сигнала. Если датчик обеспечивает только несимметричный выходной сигнал, добавьте каскад дифференциального усилителя во входной каскад.

(3) Уменьшите задержку фильтра.

RC-фильтры и цифровые фильтры вносят фазовую задержку. В высокоскоростных приложениях установите достаточно высокую частоту среза фильтра или используйте  линейно-фазовые  фильтры с малой задержкой. Для высокочастотного шума, который действительно необходимо удалить, рассмотрите возможность сглаживания после расчета угла, а не чрезмерной фильтрации необработанных сигналов.

(4) Оптимизируйте воздушный зазор между кольцом и датчиком.

Чрезмерный воздушный зазор снижает амплитуду сигнала; слишком маленький зазор рискует затереться из-за вибрации на высокой скорости. Обычно воздушный зазор выбирают в размере  0,3–1,0 мм  , исходя из характеристик кольца и чувствительности датчика, а оптимальное значение определяют экспериментальным путем.

(5) Обеспечьте надлежащее экранирование и заземление.

Для подключения датчиков используйте экранированную витую пару, заземлите экран в одной точке и держите кабель вдали от линий электропередачи двигателя и сильноточных трасс, чтобы уменьшить электромагнитную связь.

3. Уровень алгоритма – используйте «программное обеспечение» для компенсации недостатков «аппаратного обеспечения».

После аппаратных усовершенствований остаточные отклонения могут быть дополнительно исправлены алгоритмами.

(1) Автономная калибровка и компенсация по справочной таблице.

В установившихся условиях низкой скорости используйте высокоточный эталонный энкодер (например, оптический энкодер), чтобы выполнить полную калибровку магнитного энкодера, записать отклонение в каждой позиции и построить таблицу компенсации. Во время фактической работы ищите поправку на основе текущего положения.

Этот метод эффективно устраняет периодические отклонения фазы, но оказывает ограниченное влияние на дополнительные динамические отклонения, возникающие на высоких скоростях.

(2) Динамическая фазовая компенсация

Если отклонения в основном возникают из-за фиксированной задержки в сигнальной цепи, рассчитайте угловую задержку по формуле:

где  w  — угловая скорость, а t _d — общая задержка системы. Подайте эту компенсацию вперед на выходной угол, что может значительно улучшить точность на высоких скоростях в определенном диапазоне скоростей.

(3) Адаптивная фильтрация и наблюдатели

Для случайного джиттера на высокой скорости используйте фильтры Калмана, наблюдатели скользящего режима или аналогичные методы, чтобы объединить угол энкодера с моделью двигателя, подавляя высокочастотный шум, сохраняя при этом истинный сигнал угла.

(4) Температурная компенсация

Изменения остаточной намагниченности, вызванные температурой, влияют на амплитуду сигнала. Разместите датчик температуры рядом с энкодером, чтобы создать модель компенсации температуры, амплитуды и фазы и применить коррекцию в реальном времени.

IV. Краткий практический пример устранения неполадок

Серводвигатель демонстрировал периодическое отклонение фазы примерно на 3,5° от магнитного энкодера при 15 000 об/мин, вызывая колебания токовой петли. Команда выполнила следующие шаги:

1. Механический осмотр : Соосность кольца составила 0,08 мм; после переустановки оно уменьшилось до 0,03 мм, а отклонение снизилось до 2,1°.

2. Замена датчика : стандартный датчик Холла был заменен дифференциальным датчиком TMR с более широкой полосой пропускания, а частота среза фильтра была увеличена с 20 кГц до 100 кГц, а отклонение дополнительно уменьшено до 0,9°.

3. Компенсация алгоритма : была добавлена ​​упреждающая компенсация с фиксированной задержкой, за которой следовала автономная калибровка полного цикла на испытательном стенде. Конечное отклонение фазы на высокой скорости контролировалось с точностью до  0,3° , что соответствует требованиям контроля.

Этот случай показывает, что  одна мера часто решает только часть проблемы — сочетание механических, электрических и алгоритмических улучшений дает наилучшие результаты..

Заключение

Отклонение фазы магнитного кольца в датчике магнитного энкодера робота на высокой скорости по своей сути является многофакторной проблемой. Ошибки механической установки, недостаточная полоса пропускания датчика, задержки сигнала, ухудшение качества магнитного поля и электромагнитные помехи — все это усиливается на высокой скорости.

При поиске неисправности соблюдайте последовательность:  сначала механика, потом электрика, потом алгоритмы :

·  Во-первых, убедитесь, что соосность, динамическая балансировка и воздушный зазор надежно установлены;

·  Затем оптимизируйте выбор датчиков и цепочку сигналов, чтобы гарантировать чистые сигналы с малой задержкой;

·  Наконец, используйте алгоритмы калибровки и компенсации для «тонкой настройки» остаточных ошибок.

Для большинства высокоскоростных применений после такого систематического устранения отклонения фазы магнитного энкодера можно поддерживать в приемлемом диапазоне, что позволяет сервосистеме оставаться стабильной и точной даже на высоких скоростях.