Odkiaľ pochádza fázová odchýlka vysokorýchlostného rotujúceho magnetického krúžku? – Sprievodca riešením problémov pre snímač magnetického kódovača robota

Vo vysokovýkonných aplikáciách riadenia pohybu, ako sú servomotory, kĺby robotov a elektrické vretená, magnetické kódovače si získavajú na popularite vďaka svojej malej veľkosti, odolnosti voči oleju, tolerancii vibrácií a nízkej cene. Mnohí inžinieri sa však počas testovania vysokorýchlostnej rotácie stretávajú s chúlostivým problémom:  uhol hlásený kódovačom sa odchyľuje od skutočnej polohy rotora – „fázová odchýlka“,  ktorá sa zhoršuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Pri nízkych rýchlostiach môže spôsobiť len mierne zvlnenie otáčok a zvýšený hluk, ale pri vysokých rýchlostiach môže viesť k nestabilite riadenia.

I. Ako „vidí“ robot magnetického snímača kódovania uhol?

Stručne si zopakujme základnú štruktúru magnetického kódovača.

Typický magnetický kódovač sa skladá z troch častí:

1. Magnetický krúžok : namontovaný na konci rotora alebo na predĺžení hriadeľa, s viacerými pármi pólov (striedavo N/S) rozmiestnenými po jeho obvode.

2. Magnetický senzor : bežne Hall, AMR, GMR, TMR atď., Umiestnený blízko povrchu prstenca na snímanie zmien magnetického poľa.

3. Obvod spracovania signálu : zosilňuje, upravuje a interpoluje slabé signály snímača, pričom v konečnom dôsledku vydáva uhlové alebo kvadratúrne impulzy.

Keď sa magnetický krúžok otáča, senzor detekuje periodické zmeny magnetického poľa a vydáva kvázi-sínusové/kosínusové signály. Rozlíšením fázy týchto dvoch signálov sa získa uhol rotora.

V ideálnom prípade je rozloženie magnetického poľa dokonale sínusové a výstup snímača presne zodpovedá mechanickému uhlu. Pri vysokorýchlostnej rotácii je však táto 'ideálna korešpondencia' narušená viacerými faktormi a vzniká fázová odchýlka.

II. Čo je to fázová odchýlka a prečo sa stáva výraznejšou pri vysokej rýchlosti?

Jednoducho povedané,  fázová odchýlka je rozdiel medzi 'uhlom vnímaným kódovačom' a 'skutočným uhlom rotora'.

Napríklad, ak je rotor v skutočnosti pod uhlom 30°, ale kódovač vydáva 32°, tieto 2° sú fázová odchýlka. Pri nízkej rýchlosti môže byť táto odchýlka len 0,1° a je sotva znateľná; ale pri zvyšovaní rýchlosti sa odchýlka môže zosilniť na niekoľko stupňov alebo aj viac ako desať stupňov, čo výrazne znižuje výkon regulácie.

Prečo sa odchýlka zosilňuje vysokou rýchlosťou? Hlavné dôvody sú nasledovné.

1. Chyby mechanickej inštalácie sú 'zväčšené'

Dokonalé koaxiálne vyrovnanie medzi magnetickým krúžkom a hriadeľom je nemožné. Predpokladajme, že krúžok má excentricitu 0,05 mm - pri nízkej rýchlosti môže snímač stále tolerovať výsledné skreslenie poľa; pri vysokej rýchlosti odstredivá sila a vibrácie zvyšujú excentricitu, deformujú magnetický tvar vlny a spôsobujú periodickú fázovú odchýlku.

Podobne hádzanie čelnej plochy krúžku, axiálna vôľa a zlé dynamické vyváženie spôsobujú pri vysokej rýchlosti ďalšie vysokofrekvenčné poruchy.

2. Rýchlosť odozvy snímača je nedostatočná

So zvyšujúcou sa rýchlosťou prstenca sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje frekvencia zmien magnetického poľa. Napríklad pri 32-pólovom párovom prstenci pri 10 000 ot./min. je frekvencia poľa približne 5,3 kHz; pri 30 000 ot./min presahuje 16 kHz.

Bežné Hallove senzory môžu mať šírky pásma len desiatky kHz alebo dokonca nižšie - pri vysokej rýchlosti sa výstupná amplitúda tlmí a fázové oneskorenia, čo vedie k chybám uhla. Aj keď je samotný snímač rýchly, nadmerné oneskorenie v nasledujúcich filtračných obvodoch môže tiež spôsobiť oneskorenie fázy.

3. Degradácia kvality magnetického krúžku

Pri vysokej rýchlosti straty vírivými prúdmi vo vnútri prstenca spôsobujú lokálne zahrievanie. Ako teplota stúpa, mení sa remanencia a koercivita, čím sa znižuje intenzita poľa a deformuje sa tvar vlny.

Okrem toho nerovnomerná magnetizácia, príliš široké prechodové zóny medzi pólmi a nesprávny výber čísel párov pólov zvyšujú harmonický obsah v magnetickom poli vysokou rýchlosťou, čím sa zväčšujú chyby fázového výpočtu.

4. Elektromagnetické rušenie a integrita signálu

Pri vysokej rýchlosti vytvárajú vysokofrekvenčné prúdy PWM vo vinutí motora, prúdy hriadeľa a blízke vysokovýkonné vedenia rušenie. Slabé výstupné signály snímača, keď sú kontaminované, spôsobujú chvenie a chyby pri detekcii prechodu nulou alebo pri výpočte fázy.

III. Stratégia odstraňovania problémov: mechanické, elektrické a algoritmické prístupy

Na odstránenie vyššie uvedených príčin je možné vykonať nápravné opatrenia na troch úrovniach:  mechanická inštalácia, reťazec snímačov a signálov a kompenzácia algoritmu.

1. Mechanická úroveň - najprv položte pevný základ

Mnoho problémov s fázovou odchýlkou ​​nepochádza z elektroniky, ale z mechanickej inštalácie.

(1) Prísne kontrolujte koaxiálnosť a hádzanie na konci

Po namontovaní magnetického krúžku by sa koaxiálnosť mala udržiavať v rozmedzí  0,03–0,05 mm a hádzanie na čelnej strane v rozmedzí  0,02 mm . Na polohovanie použite zmršťovaciu armatúru, lepenie alebo špeciálne upínacie prostriedky a vyhnite sa úderom, ktoré by mohli nakloniť krúžok.

(2) Vykonajte dynamické vyváženie

Hoci je krúžok ľahký, odstredivá sila pri vysokej rýchlosti nie je zanedbateľná. Po inštalácii vykonajte celkové dynamické vyváženie, aby ste znížili chyby signálu spôsobené vibráciami.

(3) Vyhnite sa axiálnym silám na magnetický krúžok

Ak je krúžok blízko krytu konca motora alebo ložísk, tepelná rozťažnosť pri vysokej rýchlosti môže spôsobiť axiálny posun. V konštrukcii si vyhraďte primeranú axiálnu vôľu alebo použite elastickú štruktúru predpätia.

2. Elektrický a signálny reťazec - udržujte signály čisté a včasné

(1) Vyberte správny typ snímača

Pre vysokorýchlostné aplikácie uprednostňujte  snímače TMR alebo GMR , pretože ich šírka pásma zvyčajne dosahuje stovky kHz alebo dokonca MHz - oveľa viac ako bežné Hallove snímače. Tiež sa uistite, že magnetická citlivosť a saturačné pole snímača zodpovedajú charakteristikám prsteňa.

(2) Použite výstup diferenciálneho signálu

Diferenciálny výstup potláča rušenie bežného režimu a zlepšuje integritu signálu. Ak snímač poskytuje iba výstup s jedným koncom, pridajte na predný koniec diferenciálny zosilňovač.

(3) Znížte oneskorenie filtra

RC filtre a digitálne filtre zavádzajú fázové oneskorenie. Vo vysokorýchlostných aplikáciách nastavte dostatočne vysokú medznú frekvenciu filtra alebo použite  lineárne fázové  filtre s nízkym oneskorením. V prípade vysokofrekvenčného šumu, ktorý je skutočne potrebné odstrániť, zvážte skôr vyhladenie po výpočte uhla, než prefiltrovanie nespracovaných signálov.

(4) Optimalizujte vzduchovú medzeru medzi krúžkom a snímačom

Nadmerná vzduchová medzera znižuje amplitúdu signálu; príliš malá medzera riskuje trenie v dôsledku vibrácií pri vysokej rýchlosti. Typicky vyberte vzduchovú medzeru  0,3–1,0 mm  na základe špecifikácií prstenca a citlivosti snímača a optimálnu hodnotu určte experimentálne.

(5) Implementujte správne tienenie a uzemnenie

Na zapojenie snímača použite tienené krútené dvojlinky, tienenie uzemnite v jednom bode a kábel držte ďalej od elektrického vedenia motora a stôp vysokého prúdu, aby ste znížili elektromagnetickú väzbu.

3. Úroveň algoritmu – použite 'softvér' na kompenzáciu 'hardvérových' nedostatkov

Po vylepšeniach hardvéru môžu byť zvyškové odchýlky ďalej korigované pomocou algoritmov.

(1) Offline kalibrácia a kompenzácia vo vyhľadávacej tabuľke

V podmienkach nízkej rýchlosti v ustálenom stave použite vysoko presný referenčný enkodér (napr. optický enkodér) na vykonanie celokruhovej kalibrácie magnetického enkodéra, zaznamenajte odchýlku v každej polohe a vytvorte kompenzačnú tabuľku. Počas skutočnej prevádzky vyhľadajte korekciu na základe aktuálnej polohy.

Táto metóda účinne eliminuje periodické fázové odchýlky, ale má obmedzený vplyv na dodatočné dynamické odchýlky, ktoré sa objavujú pri vysokej rýchlosti.

(2) Dynamická fázová kompenzácia

Ak odchýlky vznikajú hlavne z pevného oneskorenia v signálovom reťazci, vypočítajte oneskorenie uhla podľa:

kde  w  je uhlová rýchlosť a t _d je celkové oneskorenie systému. Posuňte túto kompenzáciu dopredu do výstupného uhla, čo môže výrazne zlepšiť presnosť vysokej rýchlosti v určitom rozsahu rýchlosti.

(3) Adaptívne filtrovanie a pozorovatelia

V prípade náhodného chvenia pri vysokej rýchlosti použite Kalmanove filtre, pozorovače v posuvnom režime alebo podobné metódy na spojenie uhla kódovača s modelom motora, čím sa potlačí vysokofrekvenčný šum pri zachovaní signálu skutočného uhla.

(4) Teplotná kompenzácia

Zmeny remanencie vyvolané teplotou ovplyvňujú amplitúdu signálu. Umiestnite teplotný snímač blízko enkodéra, aby ste vytvorili model kompenzácie amplitúdy/fázy teploty a aplikovali korekciu v reálnom čase.

IV. Stručná prípadová štúdia na riešenie problémov

Servomotor vykazoval periodickú fázovú odchýlku približne 3,5° od svojho magnetického kódovača pri 15 000 ot./min., čo spôsobilo osciláciu prúdovej slučky. Tím postupoval podľa týchto krokov:

1. Mechanická kontrola : Zistilo sa, že koaxiálnosť krúžku je 0,08 mm; po opätovnej inštalácii sa zmenšila na 0,03 mm a odchýlka klesla na 2,1°.

2. Výmena snímača : Štandardný Hallov snímač bol nahradený diferenciálnym snímačom TMR s vyššou šírkou pásma a medzná frekvencia filtra bola zvýšená z 20 kHz na 100 kHz - odchýlka bola ďalej znížená na 0,9°.

3. Kompenzácia algoritmu : Bola pridaná dopredná kompenzácia s pevným oneskorením, po ktorej nasledovala celokruhová offline kalibrácia na testovacej stolici. Konečná vysokorýchlostná fázová odchýlka bola riadená v rozmedzí  0,3° , čo spĺňalo požiadavky kontroly.

Tento prípad ukazuje, že  jediné opatrenie často rieši len časť problému – najlepšie výsledky prináša kombinácia mechanických, elektrických a algoritmických vylepšení..

Záver

Fázová odchýlka magnetického prstenca v snímači magnetického kódovača robota pri vysokej rýchlosti je vo svojej podstate multifaktoriálny problém. Mechanické chyby inštalácie, nedostatočná šírka pásma snímača, oneskorenia signálu, zhoršená kvalita magnetického poľa a elektromagnetické rušenie sú zosilňované vysokou rýchlosťou.

Pri odstraňovaní problémov postupujte podľa poradia:  najprv mechanika, potom elektrika, potom algoritmy :

·  Najprv sa uistite, že koaxiálnosť, dynamické vyváženie a vzduchová medzera sú pevne stanovené;

·  Potom optimalizujte výber snímača a signálny reťazec, aby ste zaručili čisté signály s nízkym oneskorením;

·  Nakoniec použite kalibračné a kompenzačné algoritmy na 'jemné doladenie' zvyškových chýb.

Pre väčšinu vysokorýchlostných aplikácií sa po takejto systematickej náprave môže fázová odchýlka magnetického kódovača udržiavať v prijateľnom rozsahu, čo umožňuje servosystému zostať stabilný a presný aj pri vysokých rýchlostiach.