Kako rešiti kotni zamik diska z magnetno kodo v senzorjih robotskega magnetnega kodirnika?

V visoko natančnih aplikacijah za krmiljenje gibanja, kot so robotski spoji, servo motorji in kardanski elementi, postajajo magnetni kodirniki vse bolj osrednje naprave za povratno informacijo o položaju, zahvaljujoč njihovemu brezkontaktnemu delovanju, odpornosti proti onesnaževalcem in kompaktni velikosti. Vendar pa mnogi inženirji v praksi naletijo na frustrirajočo težavo –  zamik kota : odčitek kota počasi 'uhaja', tudi ko motor miruje, ali pa se natančnost znatno poslabša s temperaturnimi spremembami. Od kod izvira zamik kota diska z magnetno kodo in kako ga lahko odpravimo?

1. Kaj je zanašanje kota in od kod prihaja?

A magnetni kodirnik zazna vrtljivo magnetno polje trajnega magneta, pritrjenega na gred motorja, oddaja sinusne/kosinusne signale s fazno razliko 90° in nato izračuna kot prek funkcije arktangensa. V teoriji je to popolna merilna veriga. V resnici pa različni neidealni dejavniki povzročijo, da odčitek kota odstopa od prave vrednosti – to je 'zamik kota'.

Če povzamemo, odmik kota izvira iz treh glavnih vidikov:

1.1 Napake pri mehanski namestitvi

To je najpogostejši krivec. Radialni odmik med magnetom in središčem zaznavanja senzorja (ekscentričnost), kot med osjo vrtenja in normalo čipa (nagib) ter prevelika ali nihajoča zračna reža neposredno izkrivljajo signal magnetnega polja. Na primer, ekscentričnost 0,3 mm lahko povzroči kotno napako ±2,1°. Poleg tega lahko neenakomerna magnetizacija ali nepravilna oblika magneta povzroči, da zaznano polje odstopa od idealne sinusne valovne oblike.

1.2 Spremembe temperature okolja

Lastnosti Hallovih senzorjev in vezij za obdelavo signalov se spreminjajo s temperaturo. Ko se temperatura dvigne, se poljska jakost magneta zmanjša, napetost zamika čipa se premakne in referenčna napetost ADC niha – ti dejavniki skupaj povzročijo znaten temperaturni zamik pri odčitku kota. Dejanske meritve kažejo, da se lahko z različnimi kvalitetami magneta temperaturni premik ničelne točke poslabša z +0,02 °/℃ na +0,15 °/℃.

1.3 Zunanje motnje in dinamični dejavniki

Prečno moteče magnetno polje premakne središče Lissajousove figure, kar povzroči napake pri skoraj vseh kotih, razen pri 0° in 180°. Poleg tega lahko zakasnitve dinamičnega odziva med delovanjem motorja z visoko hitrostjo in šum signala zaradi valovanja napajalnika povzročijo tresenje odčitanega kota in postanejo nestabilni.

2. Rešitve: kombinacija strojne opreme, kalibracije in algoritmov

Za reševanje odmika kota ni ene same 'čarobne krogle'. Potreben je usklajen pristop na treh ravneh: mehanska namestitev, kalibracija čipa in algoritemska kompenzacija.

Raven 1: Trdna strojna podlaga – zaustavite napake pri izvoru

Natančna namestitev je prva obrambna linija.  Magnetni dajalniki so precej občutljivi na tolerance vgradnje. Na splošno mora biti zračna reža med 1,0 mm in 3,0 mm (2,0 mm je optimalna), ekscentričnost koaksialnosti ≤ 0,05 mm in kot nagiba ≤ 3°. Med namestitvijo za kalibracijo uporabite merilno številčnico ali lasersko orodje za poravnavo. Prav tako hranite kodirnik stran od močnih virov magnetnih motenj, kot so navitja motorja in močnostni tranzistorji; po potrebi dodajte magnetni ščit iz permaloja.

Pomembna je tudi izbira magneta.  Izberite enoparni krožni magnet z aksialno magnetizacijo s površinsko poljsko jakostjo med 300 mT in 500 mT. Magneti nizke kakovosti nimajo samo neenakomernih polj, ampak tudi slabe temperaturne lastnosti, kar neposredno poslabša odnašanje.

Oblikovanje napajalnika in tiskanega vezja mora slediti dobri praksi.  Napajalno valovanje je treba nadzorovati znotraj 10 mV, signalne linije SPI pa morajo biti kratke, enake dolžine in čisto speljane. Pod čip ne postavljajte bakrenih polivk ali sledi, da zmanjšate motnje parazitske kapacitivnosti elementov magnetnega zaznavanja.

2. stopnja: kar najbolje izkoristite kalibracijo čipov – uresničite tovarniško natančnost v praksi

Sodobni čipi magnetnega kodirnika običajno vključujejo več stopenj umerjanja, ki so najbolj neposreden način za obvladovanje zamika kota.

Tovarniška kalibracija (raven čipa):  Med testiranjem rezin proizvajalec čipa že izvede kompenzacijo enosmernega odmika, popravek neravnovesja amplitude in popravek kvadraturne napake s parametri, shranjenimi v EEPROM-u na čipu. To je 'temelj' natančnosti.

Uporabniško samoumerjanje (sistemska raven):  Po namestitvi zavrtite motor za en polni obrat s konstantno hitrostjo. Vgrajeni DSP zbira podatke o kotu v celotnem obratu in samodejno identificira in kompenzira ekscentričnost namestitve, variacije zračne reže in druge napake. Veliko čipov podpira proženje z enim klikom brez potrebe po zunanjem gostitelju, kar je zelo prijazno do proizvodnje.

Dinamična kompenzacija temperaturnega premika:  Čip spremlja temperaturo v realnem času. Ko temperatura odstopa od kalibrirane vrednosti, samodejno uporabi koeficient temperaturne kompenzacije, da popravi kot. Naxin Micro MT6835 na primer uporablja tristopenjski kalibracijski sistem za ohranjanje celotnega razpona temperature znotraj ±0,08°.

Raven 3: Algoritemska kompenzacija – še izboljšajte natančnost

Za aplikacije, ki zahtevajo še večjo natančnost, je potrebna dodatna algoritemska kompenzacija.

Prilagodljiva spletna kalibracija:  tradicionalna off-line kalibracija popravi kompenzacijske parametre in se ne more prilagoditi dolgoročnemu odmiku zaradi temperaturnih sprememb ali staranja magneta. Prilagodljivi algoritem, ki temelji na rekurzivnih najmanjših kvadratih (RLS), lahko posodobi parametre kompenzacije v realnem času, pri čemer ohranja kotno napako znotraj ±0,05° v celotnem temperaturnem območju (–40 ℃ do +125 ℃).

Kalmanovo filtriranje za zmanjšanje šuma:  za visokofrekvenčni šum, ki povzroča tresenje kota, Kalmanov filter učinkovito zaduši šum opazovanja in izboljša stabilnost kotnega izhoda.

Kompenzacija nevronske mreže:  Model nevronske mreže je mogoče zgraditi tako, da ustreza značilnostim temperaturnega premika; po omejenem številu ponovitev usposabljanja doseže zelo natančno prilagoditveno korekcijo temperaturnega premika.

3. Zmogljivost v resničnem svetu – kako dobra je lahko?

S kombiniranim pristopom 'namestitve strojne opreme + kalibracije čipa + algoritemske kompenzacije' lahko sodobni magnetni kodirniki dosežejo izjemno visoko natančnost:

• MT6816 dosega napako integriranega kota na ravni sistema znotraj  ±0,03°.

• MT6835 po umerjanju izboljša svojo integralno nelinearnost (INL) z ±1° na  < ±0,07° , z odmikom polne temperature  < ±0,08°.

• Nekatere vrhunske rešitve lahko celo optimizirajo INL na  ±0,03° , s čimer dosežejo natančnost nivoja ±0,05°, zahtevano za kardanske in servomotorje.

4. Povzetek in obeti

V bistvu je odmik kota diska magnetne kode rezultat prekrivajočih se motenj zaradi mehanskih, toplotnih, elektromagnetnih in drugih dejavnikov na signalu magnetnega polja. Ni enega samega zdravila za vse; rešitev bi morala slediti načelu  'strojne opreme kot osnove, kalibracije kot nosilca in algoritmov kot zaključka' :

1. Natančnost namestitve je temelj  – zračne reže, koaksialnosti in izbire magneta ni mogoče spregledati.

2. Kalibracija čipa je primarno orodje  – v celoti izkoristite tovarniško kalibracijo in uporabniško samokalibracijo.

3. Algoritemska kompenzacija je napreden korak  – za zahtevne scenarije uvedite prilagodljivo filtriranje in spletno kalibracijo.

Ker se integracija čipov še naprej povečuje in se uvajajo algoritmi umetne inteligence, se bodo prihodnji magnetni kodirniki razvijali v smeri zmožnosti  'samozaznavanja, samoumerjanja in samokompenzacije'  . Takrat premik kota ne bo več povzročal glavobola za inženirje, natančnost in zanesljivost robotskih sklepov pa bosta dosegli nove višine.