Od kod izvira fazno odstopanje visokohitrostnega vrtečega se magnetnega obroča? – Priročnik za odpravljanje težav za senzor robotskega magnetnega kodirnika

V visoko zmogljivih aplikacijah za nadzor gibanja, kot so servo motorji, robotski spoji in električna vretena, magnetni kodirniki postajajo vse bolj priljubljeni zaradi svoje majhnosti, odpornosti na olje, tolerance na vibracije in nizkih stroškov. Vendar se mnogi inženirji med preskušanjem vrtenja pri visoki hitrosti srečujejo s težavo:  kot, ki ga sporoči kodirnik, odstopa od dejanskega položaja rotorja – 'fazno odstopanje'  , ki se poslabša z naraščajočo hitrostjo. Pri nizkih hitrostih lahko povzroči le rahlo valovanje hitrosti in povečan hrup, pri visokih hitrostih pa lahko povzroči nestabilnost krmiljenja.

I. Kako senzor robotskega magnetnega kodirnika 'vidi' kot?

Oglejmo si na kratko osnovno zgradbo magnetnega kodirnika.

Tipičen magnetni kodirnik je sestavljen iz treh delov:

1. Magnetni obroč : nameščen na koncu rotorja ali podaljšku gredi, z več pari polov (izmenično N/S), razporejenih po njegovem obodu.

2. Magnetni senzor : običajno Hall, AMR, GMR, TMR itd., nameščen blizu površine obroča za zaznavanje variacij magnetnega polja.

3. Vezje za obdelavo signalov : ojača, kondicionira in interpolira šibke senzorske signale, na koncu pa oddaja kotne ali kvadraturne impulze.

Ko se magnetni obroč vrti, senzor zazna periodične spremembe magnetnega polja in oddaja kvazisinusne/kosinusne signale. Z razrešitvijo faze teh dveh signalov dobimo kot rotorja.

V idealnem primeru je porazdelitev magnetnega polja popolnoma sinusna, izhod senzorja pa strogo ustreza mehanskemu kotu. Vendar pa pri vrtenju z visoko hitrostjo to 'idealno korespondenco' prekine več dejavnikov in pojavi se fazno odstopanje.

II. Kaj je fazno odstopanje in zakaj postane bolj izrazito pri visoki hitrosti?

Preprosto povedano,  fazno odstopanje je razlika med 'kotom, ki ga zazna kodirnik' in 'pravim kotom rotorja'.

Na primer, če je rotor dejansko na 30°, dajalnik pa oddaja 32°, je ta 2° fazno odstopanje. Pri nizki hitrosti je lahko to odstopanje le 0,1° in komaj opazno; toda z večanjem hitrosti se lahko odstopanje poveča na nekaj stopinj ali celo čez deset stopinj, kar znatno poslabša učinkovitost krmiljenja.

Zakaj se odstopanje poveča pri visoki hitrosti? Glavni razlogi so naslednji.

1. Napake mehanske namestitve so 'povečane'

Popolna koaksialna poravnava med magnetnim obročem in gredjo ni mogoča. Recimo, da ima obroč ekscentričnost 0,05 mm - pri nizki hitrosti lahko senzor še vedno prenese posledično popačenje polja; pri visoki hitrosti centrifugalna sila in vibracije povečajo ekscentričnost, popačijo obliko magnetnega valovanja in povzročijo periodično fazno odstopanje.

Podobno odtekanje čelne ploskve obroča, aksialna zračnost in slabo dinamično ravnovesje povzročajo dodatne visokofrekvenčne motnje pri visoki hitrosti.

2. Hitrost odziva senzorja je nezadostna

Ko se hitrost obroča poveča, se ustrezno poveča tudi frekvenca variacije magnetnega polja. Na primer, z obročem z 32-polnimi pari pri 10.000 obratih na minuto je frekvenca polja približno 5,3 kHz; pri 30.000 obratih na minuto preseže 16 kHz.

Običajni Hallovi senzorji imajo lahko pasovne širine le desetine kHz ali celo nižje - pri visoki hitrosti izhodna amplituda oslabi in fazni zamiki, kar povzroči kotne napake. Tudi če je sam senzor hiter, lahko prekomerna zakasnitev v nadaljnjih filtrskih tokokrogih prav tako povzroči fazni zamik.

3. Poslabšanje kakovosti polja magnetnega obroča

Pri visoki hitrosti izgube zaradi vrtinčnih tokov znotraj obroča povzročijo lokalno segrevanje. Ko temperatura narašča, se remanenca in koercitivnost spreminjata, kar zmanjšuje poljsko jakost in popači valovno obliko.

Poleg tega neenakomerna magnetizacija, pretirano široka prehodna območja med poli in neustrezna izbira števila parov polov povečujejo vsebnost harmonikov v magnetnem polju pri visoki hitrosti, kar povečuje napake pri izračunu faze.

4. Elektromagnetne motnje in celovitost signala

Pri visoki hitrosti povzročajo motnje visokofrekvenčni tokovi PWM v navitjih motorja, tokovi gredi in bližnji visokonapetostni vodi. Šibki izhodni signali senzorja, ko so kontaminirani, povzročijo tresenje in napako pri zaznavanju prehoda čez ničlo ali izračunu faze.

III. Strategija odpravljanja težav: mehanski, električni in algoritemski pristopi

Za odpravo zgornjih vzrokov je mogoče izvesti korektivne ukrepe na treh ravneh:  mehanska namestitev, senzor in signalna veriga ter kompenzacija algoritma.

1. Mehanska raven - najprej postavite trdno podlago

Veliko težav s faznim odstopanjem ne izvira iz elektronike, ampak iz mehanske namestitve.

(1) Strogo nadzorujte koaksialnost in odtekanje na čelni strani

Po namestitvi magnetnega obroča mora biti koaksialnost znotraj  0,03–0,05 mm , odmik na čelni strani pa znotraj  0,02 mm . Za pozicioniranje uporabite skrčljiv nastavek, lepilno lepilo ali namenske pritrdilne elemente in se izogibajte udarcem s kladivom, ki bi lahko nagnili obroč.

(2) Izvedite dinamično uravnoteženje

Čeprav je obroč lahek, centrifugalna sila pri visoki hitrosti ni zanemarljiva. Po namestitvi izvedite splošno dinamično uravnoteženje, da zmanjšate napake signala, ki jih povzročajo vibracije.

(3) Izogibajte se aksialnim silam na magnetni obroč

Če je obroč blizu pokrova motorja ali ležajev, lahko toplotna ekspanzija pri visoki hitrosti povzroči aksialni premik. Pri načrtovanju rezervirajte ustrezno aksialno zračnost ali uporabite elastično prednapetostno strukturo.

2. Električna in signalna veriga - vzdržujte signale čiste in pravočasne

(1) Izberite pravo vrsto senzorja

Za aplikacije z visoko hitrostjo dajte prednost  senzorjem TMR ali GMR , saj njihova pasovna širina običajno doseže stotine kHz ali celo MHz - veliko več kot običajni Hallovi senzorji. Zagotovite tudi, da se magnetna občutljivost senzorja in polje nasičenosti ujemata z značilnostmi obroča.

(2) Uporabite diferencialni signalni izhod

Diferencialni izhod zavira skupne motnje in izboljšuje celovitost signala. Če senzor zagotavlja samo enostranski izhod, dodajte stopnjo diferencialnega ojačevalnika na sprednjem koncu.

(3) Zmanjšajte zakasnitev filtra

RC filtri in digitalni filtri uvajajo fazno zakasnitev. Pri aplikacijah z visoko hitrostjo nastavite mejno frekvenco filtra dovolj visoko ali uporabite filtre  z nizko zakasnitvijo in linearno fazo  . Za visokofrekvenčni šum, ki ga je resnično treba odstraniti, razmislite o glajenju po izračunu kota namesto pretiranega filtriranja neobdelanih signalov.

(4) Optimizirajte zračno režo med obročem in senzorjem

Prevelika zračna reža zmanjša amplitudo signala; premajhna reža tvega drgnjenje zaradi tresljajev pri visoki hitrosti. Običajno izberite zračno režo  0,3–1,0 mm  glede na specifikacije obroča in občutljivost senzorja ter poskusno določite optimalno vrednost.

(5) Izvedite ustrezno zaščito in ozemljitev

Za ožičenje senzorjev uporabite oklopljene dvožilne kable, ozemljite oklop na eni točki in držite kabel stran od napajalnih vodov motorja in visokotokovnih sledi, da zmanjšate elektromagnetno sklopitev.

3. Raven algoritma - uporaba 'programske opreme' za kompenzacijo pomanjkljivosti 'strojne opreme'

Po izboljšavah strojne opreme je možno preostala odstopanja dodatno popraviti z algoritmi.

(1) Umerjanje brez povezave in kompenzacija iskalne tabele

V pogojih stacionarnega stanja pri nizki hitrosti uporabite visoko natančen referenčni dajalnik (npr. optični dajalnik), da izvedete kalibracijo magnetnega dajalnika v celotnem krogu, zabeležite odstopanje na vsakem položaju in sestavite kompenzacijsko tabelo. Med dejanskim delovanjem poiščite popravek na podlagi trenutnega položaja.

Ta metoda učinkovito odpravi periodične fazne odklone, vendar ima omejen učinek na dodatna dinamična odstopanja, ki se pojavijo pri visoki hitrosti.

(2) Dinamična fazna kompenzacija

Če so odstopanja v glavnem posledica fiksne zakasnitve v signalni verigi, izračunajte kotno zakasnitev z:

kjer je  w  kotna hitrost in t _d celotna sistemska zakasnitev. Pomaknite to kompenzacijo naprej do izhodnega kota, kar lahko znatno izboljša natančnost visoke hitrosti v določenem območju hitrosti.

(3) Prilagodljivo filtriranje in opazovalci

Za naključno tresenje pri visoki hitrosti uporabite Kalmanove filtre, opazovalce drsnega načina ali podobne metode, da spojite kot dajalnika z modelom motorja, tako da zadušite visokofrekvenčni šum in hkrati ohranite pravi kotni signal.

(4) Temperaturna kompenzacija

Temperaturno povzročene spremembe remanence vplivajo na amplitudo signala. Namestite temperaturni senzor blizu kodirnika, da vzpostavite model kompenzacije temperaturne amplitude/faze in uporabite korekcijo v realnem času.

IV. Kratka študija primera odpravljanja težav

Servo motor je pokazal periodično fazno odstopanje za približno 3,5° od svojega magnetnega dajalnika pri 15.000 obratih na minuto, kar je povzročilo nihanje tokovne zanke. Ekipa je sledila tem korakom:

1. Mehanski pregled : Ugotovljeno je bilo, da je koaksialnost obroča 0,08 mm; po ponovni vgradnji se je zmanjšal na 0,03 mm, odstopanje pa je padlo na 2,1°.

2. Zamenjava senzorja : Standardni Hallov senzor je bil zamenjan z diferencialnim senzorjem TMR z večjo pasovno širino, mejna frekvenca filtra pa je bila dvignjena z 20 kHz na 100 kHz – odstopanje se je dodatno zmanjšalo na 0,9°.

3. Kompenzacija algoritma : dodana je bila kompenzacija za naprej s fiksno zakasnitvijo, ki ji je sledila kalibracija celotnega kroga brez povezave na preskusni napravi. Končno fazno odstopanje visoke hitrosti je bilo nadzorovano na  0,3° , kar je izpolnilo zahteve za nadzor.

Ta primer ponazarja, da  en sam ukrep pogosto reši le del problema – kombinacija mehanskih, električnih in algoritemskih izboljšav daje najboljše rezultate.

Zaključek

Fazni odklon magnetnega obroča v senzorju robotskega magnetnega kodirnika pri visoki hitrosti je sam po sebi večfaktorski problem. Napake pri mehanski namestitvi, nezadostna pasovna širina senzorja, zakasnitve signala, poslabšana kakovost magnetnega polja in elektromagnetne motnje se povečajo pri visoki hitrosti.

Pri odpravljanju težav sledite zaporedju:  najprej mehanika, nato elektrika, nato algoritmi :

·  Najprej zagotovite, da so koaksialnost, dinamično uravnoteženje in zračna reža dobro vzpostavljeni;

·  Nato optimizirajte izbiro senzorja in signalno verigo, da zagotovite čiste signale z nizko zakasnitvijo;

·  Končno uporabite algoritme za umerjanje in kompenzacijo za 'natančno nastavitev' preostalih napak.

Pri večini visokohitrostnih aplikacij se lahko po takšni sistematični sanaciji fazni odklon magnetnega kodirnika ohrani v sprejemljivem območju, kar omogoča, da servo sistem ostane stabilen in natančen tudi pri visokih hitrostih.