Nga vjen devijimi i fazës së një unaze magnetike rrotulluese me shpejtësi të lartë? – Udhëzues për zgjidhjen e problemeve për sensorin e koduesit magnetik të robotit

Në aplikacionet e kontrollit të lëvizjes me performancë të lartë si motorët servo, nyjet e robotëve dhe boshtet elektrike, magnetike koduesit po fitojnë popullaritet për shkak të madhësisë së tyre të vogël, rezistencës së vajit, tolerancës ndaj dridhjeve dhe kostos së ulët. Megjithatë, shumë inxhinierë hasin një problem të mprehtë gjatë testimit të rrotullimit me shpejtësi të lartë:  këndi i raportuar nga koduesi devijon nga pozicioni aktual i rotorit - një 'devijim faze'  që përkeqësohet me rritjen e shpejtësisë. Në shpejtësi të ulëta mund të shkaktojë vetëm valëzim të lehtë të shpejtësisë dhe rritje të zhurmës, por me shpejtësi të lartë mund të çojë në paqëndrueshmëri të kontrollit.

I. Si e 'Shik' këndin një sensor i koduesit magnetik robotik?

Le të shqyrtojmë shkurtimisht strukturën bazë të një koduesi magnetik.

Një kodues tipik magnetik përbëhet nga tre pjesë:

1. Unaza magnetike : e montuar në skajin e rotorit ose në zgjatimin e boshtit, me çifte të shumta polesh (N/S të alternuara) të shpërndara rreth perimetrit të tij.

2. Sensori magnetik : zakonisht Hall, AMR, GMR, TMR, etj., i vendosur afër sipërfaqes së unazës për të ndjerë ndryshimet e fushës magnetike.

3. Qarku i përpunimit të sinjalit : amplifikon, kushtëzon dhe interpolon sinjalet e dobëta të sensorëve, duke nxjerrë përfundimisht pulset këndore ose kuadratike.

Ndërsa unaza magnetike rrotullohet, sensori zbulon ndryshimet periodike të fushës magnetike dhe nxjerr sinjale kuazi-sinusoidale/kosinusoidale. Me zgjidhjen e fazës së këtyre dy sinjaleve, fitohet këndi i rotorit.

Në mënyrë ideale, shpërndarja e fushës magnetike është krejtësisht sinusoidale, dhe dalja e sensorit korrespondon rreptësisht me këndin mekanik. Megjithatë, nën rrotullimin me shpejtësi të lartë, kjo 'korrespondencë ideale' ndërpritet nga faktorë të shumtë dhe shfaqet devijimi i fazës.

II. Çfarë është devijimi i fazës dhe pse bëhet më i theksuar me shpejtësi të lartë?

E thënë thjesht,  devijimi i fazës është ndryshimi midis 'këndit të perceptuar nga koduesi' dhe 'këndit të vërtetë të rotorit'.

Për shembull, nëse rotori është në të vërtetë në 30°, por koduesi nxjerr 32°, ai 2° është devijimi i fazës. Me shpejtësi të ulët, ky devijim mund të jetë vetëm 0,1° dhe mezi i dukshëm; por me rritjen e shpejtësisë, devijimi mund të përforcohet në disa gradë ose edhe mbi dhjetë gradë, duke degraduar ndjeshëm performancën e kontrollit.

Pse përforcohet devijimi me shpejtësi të lartë? Arsyet kryesore janë si më poshtë.

1. Gabimet e instalimit mekanik janë 'zmadhuar'

Shtrirja e përsosur koaksiale midis unazës magnetike dhe boshtit është e pamundur. Supozoni se unaza ka një ekscentricitet prej 0,05 mm - me shpejtësi të ulët, sensori ende mund të tolerojë shtrembërimin e fushës që rezulton; me shpejtësi të lartë, forca centrifugale dhe dridhja rrisin ekscentricitetin, duke shtrembëruar formën e valës magnetike dhe duke shkaktuar devijimin periodik të fazës.

Në mënyrë të ngjashme, dalja e faqes fundore të unazës, loja boshtore dhe ekuilibri i dobët dinamik sjellin shqetësime shtesë me frekuencë të lartë me shpejtësi të lartë.

2. Shpejtësia e reagimit të sensorit është e pamjaftueshme

Ndërsa shpejtësia e unazës rritet, frekuenca e ndryshimit të fushës magnetike rritet në përputhje me rrethanat. Për shembull, me një unazë 32-palëshe me 10,000 rpm, frekuenca e fushës është rreth 5.3 kHz; në 30,000 rpm, kalon 16 kHz.

Sensorët Common Hall mund të kenë gjerësi brezi prej vetëm dhjetëra kHz ose edhe më të ulët - me shpejtësi të lartë, amplituda e daljes zbutet dhe vonesat e fazës, duke rezultuar në gabime në kënd. Edhe nëse vetë sensori është i shpejtë, vonesa e tepërt në qarqet pasuese të filtrit mund të shkaktojë gjithashtu vonesë faze.

3. Degradimi i cilësisë së fushës së unazës magnetike

Me shpejtësi të lartë, humbjet e rrymës vorbull brenda unazës shkaktojnë ngrohje të lokalizuar. Ndërsa temperatura rritet, remanenca dhe shtrëngimi ndryshojnë, duke zvogëluar forcën e fushës dhe duke shtrembëruar formën e valës.

Përveç kësaj, magnetizimi jo uniform, zonat tepër të gjera të tranzicionit midis poleve dhe përzgjedhja e gabuar e numrave të çiftit të poleve, të gjitha rrisin përmbajtjen harmonike në fushën magnetike me shpejtësi të lartë, duke zmadhuar gabimet e llogaritjes së fazës.

4. Ndërhyrja elektromagnetike dhe integriteti i sinjalit

Me shpejtësi të lartë, rrymat PWM me frekuencë të lartë në mbështjelljet e motorit, rrymat e boshtit dhe linjat e afërta me fuqi të lartë gjenerojnë ndërhyrje. Sinjalet e dobëta dalëse të sensorit, pasi kontaminohen, shkaktojnë nervozizëm dhe gabim në zbulimin e kryqëzimit zero ose në llogaritjen e fazës.

III. Strategjia e zgjidhjes së problemeve: Qasje mekanike, elektrike dhe algoritmike

Për të adresuar shkaqet e mësipërme, mund të ndërmerren veprime korrigjuese në tre nivele:  instalimi mekanik, sensori dhe zinxhiri i sinjalit dhe kompensimi i algoritmit.

1. Niveli mekanik - fillimisht vendosni një themel të fortë

Shumë probleme të devijimit të fazës nuk vijnë nga elektronika, por nga instalimi mekanik.

(1) Kontrolloni rreptësisht koaksialitetin dhe daljen e faqes në fund

Pas montimit të unazës magnetike, koaksialiteti duhet të mbahet brenda  0,03-0,05 mm , dhe dalja e faqes në fund brenda  0,02 mm . Përdorni pajisje për tkurrje, ngjitje ngjitëse ose pajisje të dedikuara për pozicionim dhe shmangni goditjet me çekan që mund të anojnë unazën.

(2) Kryeni balancimin dinamik

Megjithëse unaza është e lehtë, forca centrifugale me shpejtësi të lartë nuk është e papërfillshme. Pas instalimit, kryeni balancimin e përgjithshëm dinamik për të reduktuar gabimet e sinjalit të shkaktuara nga dridhjet.

(3) Shmangni forcat boshtore në unazën magnetike

Nëse unaza është afër mbulesës së fundit të motorit ose kushinetave, zgjerimi termik me shpejtësi të lartë mund të shkaktojë zhvendosje aksiale. Rezervoni hapësirën e duhur boshtore në projektim, ose adoptoni një strukturë elastike të parangarkesës.

2. Zinxhiri elektrik dhe sinjalizues - mbani sinjalet të pastra dhe në kohë

(1) Zgjidhni llojin e duhur të sensorit

Për aplikacione me shpejtësi të lartë, preferoni  sensorët TMR ose GMR , pasi gjerësia e brezit të tyre zakonisht arrin qindra kHz ose edhe MHz - shumë më e lartë se sensorët e zakonshëm Hall. Sigurohuni gjithashtu që ndjeshmëria magnetike e sensorit dhe fusha e ngopjes të përputhen me karakteristikat e unazës.

(2) Përdorni daljen e sinjalit diferencial

Dalja diferenciale shtyp interferencën e modalitetit të përbashkët dhe përmirëson integritetin e sinjalit. Nëse sensori ofron vetëm dalje me një skaj, shtoni një fazë amplifikatori diferencial në pjesën e përparme.

(3) Zvogëloni vonesën e filtrit

Filtrat RC dhe filtrat dixhitalë paraqesin vonesën e fazës. Në aplikacionet me shpejtësi të lartë, vendosni frekuencën e ndërprerjes së filtrit mjaftueshëm të lartë ose përdorni  me vonesë të ulët, me fazë lineare .  filtra Për zhurmën me frekuencë të lartë që vërtet ka nevojë për heqje, merrni parasysh zbutjen pas llogaritjes së këndit në vend që të mbifiltroni sinjalet e papërpunuara.

(4) Optimizoni hendekun e ajrit midis unazës dhe sensorit

Hendeku i tepërt i ajrit redukton amplituda e sinjalit; një hendek shumë i vogël rrezikon të fërkohet për shkak të dridhjeve me shpejtësi të lartë. Zakonisht zgjidhni një boshllëk ajri prej  0,3–1,0 mm  bazuar në specifikimet e unazës dhe ndjeshmërinë e sensorit dhe përcaktoni vlerën optimale në mënyrë eksperimentale.

(5) Zbatoni mbrojtjen dhe tokëzimin e duhur

Përdorni kabllot e mbrojtura me çifte të përdredhura për instalimin e sensorëve, tokëzoni mburojën në një pikë të vetme dhe mbajeni kabllon larg linjave të energjisë motorike dhe gjurmëve të rrymës së lartë për të reduktuar bashkimin elektromagnetik.

3. Niveli i algoritmit -përdor 'softuerin' për të kompensuar mangësitë 'hardware'

Pas përmirësimeve të harduerit, devijimet e mbetura mund të korrigjohen më tej me algoritme.

(1) Kalibrimi offline dhe kompensimi i tabelës së kërkimit

Në kushte me shpejtësi të ulët, në gjendje të qëndrueshme, përdorni një kodues referimi me precizion të lartë (p.sh., kodues optik) për të kryer kalibrimin me rreth të plotë të koduesit magnetik, për të regjistruar devijimin në çdo pozicion dhe për të ndërtuar një tabelë kompensimi. Gjatë funksionimit aktual, kërkoni korrigjimin bazuar në pozicionin aktual.

Kjo metodë eliminon në mënyrë efektive devijimet periodike të fazës, por ka efekt të kufizuar në devijimet dinamike shtesë që shfaqen me shpejtësi të lartë.

(2) Kompensimi i fazës dinamike

Nëse devijimet lindin kryesisht nga një vonesë fikse në zinxhirin e sinjalit, llogaritni vonesën e këndit duke:

ku  w  është shpejtësia këndore dhe t _d është vonesa totale e sistemit. Furnizoni këtë kompensim përpara në këndin e daljes, i cili mund të përmirësojë ndjeshëm saktësinë e shpejtësisë së lartë brenda një diapazoni të caktuar shpejtësie.

(3) Filtrim adaptiv dhe vëzhgues

Për nervozizëm të rastësishëm me shpejtësi të lartë, përdorni filtra Kalman, vëzhgues të modalitetit rrëshqitës ose metoda të ngjashme për të bashkuar këndin e koduesit me një model motorik, duke shtypur zhurmën me frekuencë të lartë duke ruajtur sinjalin e vërtetë të këndit.

(4) Kompensimi i temperaturës

Ndryshimet e shkaktuara nga temperatura në remanencë ndikojnë në amplituda e sinjalit. Vendosni një sensor të temperaturës pranë koduesit për të vendosur një model të kompensimit të amplitudës/fazës së temperaturës dhe të aplikoni korrigjimin në kohë reale.

IV. Rasti i shkurtër i zgjidhjes së problemeve

Një servo motor shfaqi një devijim të fazës periodike prej rreth 3.5° nga koduesi i tij magnetik në 15,000 rpm, duke shkaktuar lëkundje të lakut të rrymës. Ekipi ndoqi këto hapa:

1. Inspektimi mekanik : Koaksialiteti i unazës u gjet të ishte 0.08 mm; pas riinstalimit u ul në 0.03 mm dhe devijimi ra në 2.1°.

2. Zëvendësimi i sensorit : Sensori standard Hall u zëvendësua me një sensor diferencial TMR me gjerësi më të lartë dhe frekuenca e ndërprerjes së filtrit u rrit nga 20 kHz në 100 kHz - devijimi u reduktua më tej në 0,9°.

3. Kompensimi i algoritmit : U shtua kompensimi me vonesë fikse përpara, i ndjekur nga kalibrimi jashtë linje me rreth të plotë në stolin e provës. Devijimi përfundimtar i fazës me shpejtësi të lartë u kontrollua brenda  0.3° , duke përmbushur kërkesat e kontrollit.

Ky rast ilustron se  një masë e vetme shpesh zgjidh vetëm një pjesë të problemit - një kombinim i përmirësimeve mekanike, elektrike dhe algoritmike jep rezultatet më të mira.

konkluzioni

Devijimi i fazës së unazës magnetike në një sensor robotik kodues magnetik me shpejtësi të lartë është në thelb një problem shumëfaktorial. Gabimet e instalimit mekanik, gjerësia e pamjaftueshme e brezit të sensorit, vonesat e sinjalit, cilësia e degraduar e fushës magnetike dhe ndërhyrja elektromagnetike përforcohen të gjitha me shpejtësi të lartë.

Kur zgjidhni problemet, ndiqni sekuencën:  fillimisht mekanika, pastaj elektrike, pastaj algoritmet :

·  Së pari, sigurohuni që koaksialiteti, balancimi dinamik dhe hendeku i ajrit të jenë vendosur në mënyrë solide;

·  Më pas optimizoni përzgjedhjen e sensorit dhe zinxhirin e sinjalit për të garantuar sinjale të pastra dhe me vonesë të ulët;

·  Së fundi, përdorni algoritmet e kalibrimit dhe kompensimit për të 'rregulluar mirë' gabimet e mbetura.

Për shumicën e aplikacioneve me shpejtësi të lartë, pas një riparimi të tillë sistematik, devijimi i fazës së koduesit magnetik mund të mbahet brenda një diapazoni të pranueshëm, duke lejuar që sistemi servo të mbetet i qëndrueshëm dhe i saktë edhe në shpejtësi të larta.