Одакле долази фазно одступање магнетног прстена велике брзине који се ротира? – Водич за решавање проблема са сензором магнетног енкодера робота

У апликацијама за контролу кретања високих перформанси као што су серво мотори, зглобови робота и електрична вретена, магнетна енкодери добијају на популарности због своје мале величине, отпорности на уље, толеранције на вибрације и ниске цене. Међутим, многи инжењери се сусрећу са проблематичним проблемом током тестирања ротације велике брзине:  угао који пријављује енкодер одступа од стварног положаја ротора - „одступање фазе“  које се погоршава са повећањем брзине. При малим брзинама може изазвати само незнатно таласање брзине и повећану буку, али при великим брзинама може довести до нестабилности контроле.

И. Како сензор магнетног енкодера робота „види“ угао?

Погледајмо укратко основну структуру магнетног енкодера.

Типичан магнетни енкодер се састоји од три дела:

1. Магнетни прстен : монтиран на крају ротора или продужетку осовине, са више парова полова (Н/С наизменични) распоређених по свом обиму.

2. Магнетни сензор : обично Халл, АМР, ГМР, ТМР, итд., постављен близу површине прстена да би осетио варијације магнетног поља.

3. Коло за обраду сигнала : појачава, условљава и интерполира слабе сигнале сензора, на крају емитујући угаоне или квадратурне импулсе.

Како се магнетни прстен ротира, сензор детектује периодичне промене магнетног поља и емитује квазисинусоидне/косинусоидне сигнале. Решавањем фазе ова два сигнала добија се угао ротора.

У идеалном случају, расподела магнетног поља је савршено синусоидна, а излаз сензора стриктно одговара механичком углу. Међутим, под великом брзином ротације, ово 'идеално подударање' је поремећено вишеструким факторима и јавља се фазна девијација.

ИИ. Шта је одступање фазе и зашто постаје израженије при великој брзини?

Једноставно речено,  фазна девијација је разлика између 'угла који енкодер опажа' и 'правог угла ротора'.

На пример, ако је ротор заправо на 30°, али енкодер даје 32°, то 2° је фазно одступање. При малој брзини, ово одступање може бити само 0,1° и једва приметно; али како се брзина повећава, одступање се може појачати на неколико степени или чак преко десет степени, значајно умањујући перформансе контроле.

Зашто се одступање појачава великом брзином? Главни разлози су следећи.

1. Грешке механичке инсталације су 'увећане'

Савршено коаксијално поравнање између магнетног прстена и осовине је немогуће. Претпоставимо да прстен има ексцентрицитет од 0,05 мм -при малој брзини, сензор и даље може толерисати резултујућу дисторзију поља; при великој брзини, центрифугална сила и вибрације повећавају ексцентрицитет, изобличујући облик магнетног таласа и узрокујући периодично одступање фазе.

Слично томе, избијање крајњег дела прстена, аксијални зазор и лоша динамичка равнотежа уносе додатне сметње високе фреквенције при великој брзини.

2. Брзина одзива сензора је недовољна

Како се брзина прстена повећава, фреквенција варијације магнетног поља расте сходно томе. На пример, са прстеном од 32 пара на 10.000 обртаја у минути, фреквенција поља је око 5,3 кХз; при 30.000 обртаја у минути прелази 16 кХз.

Уобичајени Холови сензори могу имати пропусни опсег од само десетина кХз или чак нижи - при великој брзини, излазна амплитуда слаби и заостаје фаза, што доводи до грешака углова. Чак и ако је сам сензор брз, прекомерно кашњење у наредним круговима филтера такође може изазвати фазно кашњење.

3. Деградација квалитета поља магнетног прстена

При великој брзини, губици вртложних струја унутар прстена узрокују локализовано загревање. Како температура расте, реманенција и коерцитивност се мењају, смањујући јачину поља и изобличујући таласни облик.

Поред тога, неуједначена магнетизација, претерано широке прелазне зоне између полова и неправилан избор бројева парова полова повећавају садржај хармоника у магнетном пољу при великој брзини, повећавајући грешке у прорачуну фазе.

4. Електромагнетне сметње и интегритет сигнала

При великој брзини, високофреквентне ПВМ струје у намотајима мотора, струјама вратила и оближњим водовима велике снаге стварају сметње. Слаби излазни сигнали сензора, када су једном контаминирани, изазивају подрхтавање и грешку у детекцији преласка нуле или израчунавању фазе.

ИИИ. Стратегија за решавање проблема: механички, електрични и алгоритамски приступи

Да би се решили горе наведени узроци, корективне мере се могу предузети на три нивоа:  механичка инсталација, сензорски и сигнални ланац и компензација алгоритама.

1. Механички ниво - прво поставите чврсту основу

Многи проблеми са девијацијом фазе не потичу од електронике, већ од механичке инсталације.

(1) Строго контролишите коаксијалност и излаз на крајњој страни

Након монтаже магнетног прстена, коаксијалност треба да буде унутар  0,03–0,05 мм , а одбојност на крајњој страни унутар  0,02 мм . Користите скупљајући спој, лепљење или наменске елементе за позиционирање и избегавајте ударање чекићем које би могло да нагне прстен.

(2) Извршите динамичко балансирање

Иако је прстен лаган, центрифугална сила при великој брзини није занемарљива. Након инсталације, извршите свеукупно динамичко балансирање да бисте смањили грешке сигнала изазване вибрацијама.

(3) Избегавајте аксијалне силе на магнетном прстену

Ако је прстен близу поклопца мотора или лежајева, топлотно ширење при великој брзини може изазвати аксијално померање. Резервишите одговарајући аксијални зазор у дизајну или усвојите еластичну структуру предоптерећења.

2. Електрични и сигнални ланац - одржавајте сигнале чистим и благовременим

(1) Изаберите прави тип сензора

За апликације велике брзине, преферирајте  ТМР или ГМР сензоре , јер њихов пропусни опсег обично достиже стотине кХз или чак МХз - далеко већи од обичних Халл сензора. Такође обезбедите да магнетна осетљивост и поље засићења сензора одговарају карактеристикама прстена.

(2) Користите излаз диференцијалног сигнала

Диференцијални излаз потискује сметње заједничког мода и побољшава интегритет сигнала. Ако сензор даје само једнострани излаз, додајте степен диференцијалног појачала на предњи крај.

(3) Смањите кашњење филтера

РЦ филтери и дигитални филтери уводе фазно кашњење. У апликацијама велике брзине, подесите граничну фреквенцију филтера на довољно високу или користите  линеарне фазе са малим кашњењем .  филтере За високофреквентну буку којој је заиста потребно уклањање, размислите о изглађивању након израчунавања угла уместо о претераном филтрирању сирових сигнала.

(4) Оптимизујте ваздушни размак између прстена и сензора

Прекомерни ваздушни јаз смањује амплитуду сигнала; премали зазор ризикује трљање услед вибрација при великој брзини. Обично изаберите ваздушни зазор од  0,3–1,0 мм  на основу спецификација прстена и осетљивости сензора и експериментално одредите оптималну вредност.

(5) Спроведите одговарајућу заштиту и уземљење

Користите оклопљене каблове са упреденим парицама за ожичење сензора, уземљите штит у једној тачки и држите кабл даље од водова мотора и високострујних трагова да бисте смањили електромагнетно спајање.

3. Ниво алгоритма - користите 'софтвер' да надокнадите недостатке 'хардвера'

Након хардверских побољшања, заостала одступања се могу даље кориговати алгоритмима.

(1) Офлајн калибрација и компензација у табели за тражење

У условима ниске брзине, стабилног стања, користите референтни енкодер високе прецизности (нпр. оптички енкодер) да извршите калибрацију магнетног енкодера у пуном кругу, забележите одступање на свакој позицији и направите табелу компензације. Током стварног рада, потражите корекцију на основу тренутног положаја.

Овај метод ефикасно елиминише периодична одступања фазе, али има ограничен ефекат на додатна динамичка одступања која се појављују при великој брзини.

(2) Динамичка фазна компензација

Ако одступања углавном произилазе из фиксног кашњења у ланцу сигнала, израчунајте угаоно кашњење на следећи начин:

где је  в  угаона брзина и т _д је укупно кашњење система. Повежите ову компензацију напред до излазног угла, што може значајно побољшати прецизност при великим брзинама унутар одређеног опсега брзине.

(3) Адаптивно филтрирање и посматрачи

За насумично подрхтавање при великој брзини, користите Калманове филтере, посматраче клизног режима или сличне методе да спојите угао енкодера са моделом мотора, потискујући високофреквентни шум уз очување правог сигнала угла.

(4) Температурна компензација

Температуром изазване промене реманенције утичу на амплитуду сигнала. Поставите температурни сензор близу енкодера да бисте успоставили модел компензације температурне амплитуде/фазе и применили корекцију у реалном времену.

ИВ. Кратка студија случаја за решавање проблема

Серво мотор је показивао периодично одступање фазе од око 3,5° у односу на свој магнетни енкодер на 15.000 о/мин, узрокујући осцилације струјне петље. Тим је следио ове кораке:

1. Механички преглед : утврђено је да је коаксијалност прстена 0,08 мм; након поновне инсталације смањен је на 0,03 мм, а одступање је пало на 2,1°.

2. Замена сензора : Стандардни Холов сензор је замењен ТМР диференцијалним сензором већег пропусног опсега, а гранична фреквенција филтера је подигнута са 20 кХз на 100 кХз - одступање је даље смањено на 0,9°.

3. Компензација алгоритма : Додата је компензација са фиксним кашњењем, праћена ванмрежном калибрацијом пуног круга на испитном столу. Коначна девијација фазе велике брзине је контролисана на  0,3° , испуњавајући захтеве контроле.

Овај случај илуструје да  једна мера често решава само део проблема - комбинација механичких, електричних и алгоритамских побољшања даје најбоље резултате.

Закључак

Фазно одступање магнетног прстена у сензору магнетног енкодера робота при великој брзини је инхерентно мултифакторски проблем. Грешке механичке инсталације, недовољан пропусни опсег сензора, кашњење сигнала, смањен квалитет магнетног поља и електромагнетне сметње се појачавају великом брзином.

Приликом решавања проблема, следите редослед:  прво механика, затим електрика, а затим алгоритми :

·  Прво, обезбедите да су коаксијалност, динамичко балансирање и ваздушни јаз чврсто успостављени;

·  Затим оптимизујте избор сензора и сигнални ланац да бисте гарантовали чисте сигнале са малим кашњењем;

·  На крају, користите алгоритме за калибрацију и компензацију да бисте 'фино подесили' преостале грешке.

За већину апликација великих брзина, након такве систематске санације, фазно одступање магнетног енкодера може се задржати у прихватљивом опсегу, омогућавајући серво систему да остане стабилан и прецизан чак и при великим брзинама.