วิธีแก้ปัญหามุมดริฟท์ของดิสก์รหัสแม่เหล็กในเซ็นเซอร์ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กของหุ่นยนต์

ในการใช้งานควบคุมการเคลื่อนไหวที่มีความแม่นยำสูง เช่น ข้อต่อหุ่นยนต์ เซอร์โวมอเตอร์ และกิมบอล ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กกำลังกลายเป็นอุปกรณ์ป้อนกลับตำแหน่งหลักมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากการทำงานแบบไม่สัมผัส ภูมิคุ้มกันต่อสิ่งปนเปื้อน และขนาดกะทัดรัด อย่างไรก็ตาม วิศวกรจำนวนมากพบปัญหาที่น่าหงุดหงิดในทางปฏิบัติ –  การเบี่ยงเบนของมุม : มุมที่อ่านได้ช้า 'เคลื่อนตัวออก' แม้ว่ามอเตอร์จะหยุดนิ่ง หรือความแม่นยำลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง มุมของดิสก์โค้ดแม่เหล็กลอยมาจากไหน และเราจะแก้ไขได้อย่างไร

1. Angle Drift คืออะไร และมันมาจากไหน?

ก ตัวเข้ารหัสแม่เหล็ก ตรวจจับสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนของแม่เหล็กถาวรที่ติดอยู่กับเพลามอเตอร์ ส่งสัญญาณไซน์/โคไซน์ที่มีความต่างเฟส 90° จากนั้นคำนวณมุมผ่านฟังก์ชันอาร์กแทนเจนต์ ตามทฤษฎีแล้ว นี่คือห่วงโซ่การวัดที่สมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง ปัจจัยที่ไม่เหมาะหลายประการทำให้การอ่านค่ามุมเบี่ยงเบนไปจากค่าที่แท้จริง ซึ่งก็คือ 'มุมดริฟท์'

โดยสรุป การเบี่ยงเบนของมุมมีต้นกำเนิดจากสามประเด็นหลัก:

1.1 ข้อผิดพลาดในการติดตั้งกลไก

นี่คือผู้กระทำผิดที่พบบ่อยที่สุด การชดเชยรัศมีระหว่างแม่เหล็กและศูนย์กลางการตรวจจับของเซ็นเซอร์ (ความเยื้องศูนย์) มุมระหว่างแกนการหมุนและชิปปกติ (เอียง) และช่องว่างอากาศที่มากเกินไปหรือผันผวน ทั้งหมดนี้บิดเบือนสัญญาณสนามแม่เหล็กโดยตรง ตัวอย่างเช่น ความเยื้องศูนย์ 0.3 มม. อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดของมุม ±2.1° นอกจากนี้ การเกิดสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอหรือรูปร่างของแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้สนามรับความรู้สึกเบี่ยงเบนไปจากรูปคลื่นไซน์ซอยด์ในอุดมคติ

1.2 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิโดยรอบ

ลักษณะของเซ็นเซอร์ฮอลล์และวงจรประมวลผลสัญญาณจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความแรงของสนามแม่เหล็กจะลดลง แรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตของชิปจะลอย และแรงดันอ้างอิง ADC มีความผันผวน ปัจจัยเหล่านี้รวมกันทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญในการอ่านค่ามุม การวัดตามจริงแสดงให้เห็นว่าด้วยคุณสมบัติแม่เหล็กที่แตกต่างกัน อุณหภูมิจุดศูนย์อาจลดลงจาก +0.02 °/° ถึง +0.15 °/°

1.3 การรบกวนภายนอกและปัจจัยไดนามิก

สนามแม่เหล็กรบกวนตามขวางเลื่อนจุดศูนย์กลางของรูปลิสซาจูส ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในเกือบทุกมุม ยกเว้น 0° และ 180° นอกจากนี้ ความล่าช้าในการตอบสนองแบบไดนามิกระหว่างการทำงานของมอเตอร์ความเร็วสูง และเสียงสัญญาณจากการกระเพื่อมของแหล่งจ่ายไฟ อาจทำให้การอ่านมุมกระวนกระวายใจและไม่เสถียร

2. โซลูชัน: การผสมผสานระหว่างฮาร์ดแวร์ การสอบเทียบ และอัลกอริทึม

ไม่มี 'กระสุนวิเศษ' เพียงนัดเดียวในการแก้การเบี่ยงเบนของมุม จำเป็นต้องมีแนวทางการทำงานร่วมกันในสามระดับ: การติดตั้งกลไก การสอบเทียบชิป และการชดเชยอัลกอริทึม

ระดับ 1: Solid Hardware Foundation – หยุดข้อผิดพลาดที่ต้นทาง

การติดตั้งที่แม่นยำเป็นแนวป้องกันด่านแรก  ตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็กค่อนข้างไวต่อความคลาดเคลื่อนในการติดตั้ง โดยทั่วไป ควรรักษาช่องว่างอากาศไว้ระหว่าง 1.0 มม. ถึง 3.0 มม. (2.0 มม. จะเหมาะสมที่สุด) ความเยื้องศูนย์ของโคแอกเซียล ≤ 0.05 มม. และมุมเอียง ≤ 3° ระหว่างการติดตั้ง ให้ใช้ไดอัลเกจหรือเครื่องมือจัดตำแหน่งด้วยเลเซอร์ในการสอบเทียบ นอกจากนี้ ควรเก็บตัวเข้ารหัสให้ห่างจากแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กแรงสูง เช่น ขดลวดมอเตอร์และทรานซิสเตอร์กำลัง หากจำเป็น ให้เพิ่มเกราะแม่เหล็ก Permalloy

การเลือกแม่เหล็กก็มีความสำคัญเช่นกัน  เลือกแม่เหล็กทรงกลมแม่เหล็กตามแนวแกนคู่เดียวที่มีความแรงของสนามแม่เหล็กที่พื้นผิวระหว่าง 300 mT ถึง 500 mT แม่เหล็กคุณภาพต่ำไม่เพียงแต่มีสนามที่ไม่สม่ำเสมอเท่านั้น แต่ยังมีลักษณะอุณหภูมิต่ำ ซึ่งทำให้การดริฟท์แย่ลงโดยตรง

การออกแบบแหล่งจ่ายไฟและ PCB ต้องเป็นไปตามแนวปฏิบัติที่ดี  ระลอกกำลังควรได้รับการควบคุมภายใน 10 mV และสายสัญญาณ SPI ควรสั้น ยาวเท่ากัน และเดินสายอย่างชัดเจน อย่าวางทองแดงเทหรือร่องรอยไว้ใต้ชิปเพื่อลดการรบกวนความจุของปรสิตกับองค์ประกอบการตรวจจับแม่เหล็ก

ระดับ 2: ใช้ประโยชน์สูงสุดจากการสอบเทียบชิป - ตระหนักถึงความแม่นยำของโรงงานในทางปฏิบัติ

โดยทั่วไปแล้ว ชิปเข้ารหัสแม่เหล็กสมัยใหม่จะรวมขั้นตอนการสอบเทียบหลายขั้นตอน ซึ่งเป็นวิธีที่ตรงที่สุดในการจัดการกับการเบี่ยงเบนของมุม

การสอบเทียบจากโรงงาน (ระดับชิป):  ในระหว่างการทดสอบเวเฟอร์ ผู้ผลิตชิปได้ทำการชดเชย DC offset, การแก้ไขความไม่สมดุลของแอมพลิจูด และการแก้ไขข้อผิดพลาดในการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส โดยมีพารามิเตอร์เก็บไว้ใน EEPROM บนชิป นี่คือ 'รากฐาน' ของความแม่นยำ

การปรับเทียบด้วยตนเองของผู้ใช้ (ระดับระบบ):  หลังการติดตั้ง ให้หมุนมอเตอร์หนึ่งรอบเต็มด้วยความเร็วคงที่ DSP ในตัวรวบรวมข้อมูลมุมตลอดการหมุนทั้งหมด และระบุและชดเชยความเยื้องศูนย์ของการติดตั้ง การแปรผันของช่องว่างอากาศ และข้อผิดพลาดอื่นๆ โดยอัตโนมัติ ชิปจำนวนมากรองรับทริกเกอร์แบบคลิกเดียวโดยไม่ต้องใช้โฮสต์ภายนอก ซึ่งเป็นมิตรกับการผลิตมาก

การชดเชยอุณหภูมิดริฟท์แบบไดนามิก:  ชิปจะตรวจสอบอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ เมื่ออุณหภูมิเบี่ยงเบนไปจากค่าที่สอบเทียบ อุณหภูมิจะใช้ค่าสัมประสิทธิ์การชดเชยอุณหภูมิโดยอัตโนมัติเพื่อแก้ไขมุม ตัวอย่างเช่น Naxin Micro MT6835 ใช้ระบบสอบเทียบสามขั้นตอนเพื่อให้ค่าเบี่ยงเบนของช่วงอุณหภูมิเต็มอยู่ภายใน ±0.08°

ระดับ 3: การชดเชยอัลกอริทึม - ปรับปรุงความแม่นยำให้ดียิ่งขึ้น

สำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงยิ่งขึ้น จำเป็นต้องมีการชดเชยอัลกอริทึมเพิ่มเติม

การสอบเทียบแบบออนไลน์แบบปรับเปลี่ยนได้:  การสอบเทียบแบบออฟไลน์แบบดั้งเดิมจะแก้ไขพารามิเตอร์การชดเชย และไม่สามารถปรับให้เข้ากับการเคลื่อนตัวในระยะยาวได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือการเสื่อมสภาพของแม่เหล็ก อัลกอริธึมแบบปรับเปลี่ยนตาม Recursive Least Squares (RLS) สามารถอัปเดตพารามิเตอร์การชดเชยแบบเรียลไทม์ ทำให้ข้อผิดพลาดของมุมอยู่ภายใน ±0.05° ตลอดช่วงอุณหภูมิเต็ม (–40 ℃ ถึง +125 ℃)

การกรองคาลมานเพื่อลดเสียงรบกวน:  สำหรับเสียงรบกวนความถี่สูงที่ทำให้เกิดความกระวนกระวายใจในมุม ตัวกรองคาลมานจะระงับเสียงรบกวนจากการสังเกตได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงความเสถียรของเอาต์พุตมุม

การชดเชยโครงข่ายประสาทเทียม:  แบบจำลองโครงข่ายประสาทเทียมสามารถสร้างขึ้นให้เหมาะสมกับลักษณะการเคลื่อนตัวของอุณหภูมิ หลังจากฝึกซ้ำในจำนวนที่จำกัด ก็บรรลุผลการแก้ไขการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิแบบปรับตัวที่มีความแม่นยำสูง

3. ประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริง – มันจะดีแค่ไหน?

ด้วยแนวทางที่รวมกันของ 'การติดตั้งฮาร์ดแวร์ + การปรับเทียบชิป + การชดเชยอัลกอริทึม' ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กสมัยใหม่สามารถบรรลุความแม่นยำสูงอย่างน่าทึ่ง:

• MT6816 บรรลุข้อผิดพลาดมุมรวมระดับระบบภายใน  ±0.03°.

• หลังจากการสอบเทียบแล้ว MT6835 จะปรับปรุงความเป็นอินทิกรัลไม่เชิงเส้น (INL) จาก ±1° เป็น  < ±0.07° โดยมีการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิเต็ม  < ±0.08°.

• โซลูชันระดับไฮเอนด์บางตัวสามารถปรับ INL ให้เป็น  ±0.03° ได้ ซึ่งตรงตามระดับความแม่นยำ ±0.05° ที่จำเป็นสำหรับกิมบอลและเซอร์โว

4. สรุปและแนวโน้ม

โดยพื้นฐานแล้ว การเบี่ยงเบนของมุมดิสก์รหัสแม่เหล็กเป็นผลมาจากการรบกวนที่ซ้อนทับจากปัจจัยทางกล ความร้อน แม่เหล็กไฟฟ้า และปัจจัยอื่น ๆ บนสัญญาณสนามแม่เหล็ก ไม่มีวิธีเดียวที่จะรักษาได้ทั้งหมด การแก้ปัญหาควรเป็นไปตามหลักการของ  'ฮาร์ดแวร์เป็นฐาน การปรับเทียบเป็นแกนนำ และอัลกอริธึมเป็นตัวจบสิ้น' :

1. ความแม่นยำในการติดตั้งเป็นรากฐาน เรา  ไม่สามารถมองข้ามช่องว่างอากาศ ความร่วมแกน และการเลือกแม่เหล็กได้

2. การสอบเทียบชิปเป็นเครื่องมือหลัก  – ใช้การสอบเทียบจากโรงงานและการสอบเทียบด้วยตนเองโดยผู้ใช้อย่างเต็มที่

3. การชดเชยอัลกอริธึมเป็นขั้นตอนขั้นสูง  สำหรับสถานการณ์ที่มีความต้องการสูง แนะนำให้ใช้การกรองแบบปรับได้และการสอบเทียบแบบออนไลน์

เนื่องจากการบูรณาการชิปยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและมีการนำอัลกอริธึม AI มาใช้ ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กในอนาคตจะพัฒนาไปสู่  'การตรวจจับตัวเอง การสอบเทียบด้วยตนเอง และการชดเชยตนเอง'  ความสามารถ เมื่อถึงจุดนั้น การเบี่ยงเบนของมุมจะไม่เป็นเรื่องที่น่าปวดหัวสำหรับวิศวกรอีกต่อไป และความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของข้อต่อหุ่นยนต์จะก้าวไปสู่อีกระดับหนึ่ง