ค่าเบี่ยงเบนเฟสของวงแหวนแม่เหล็กหมุนด้วยความเร็วสูงมาจากไหน? – คู่มือการแก้ไขปัญหาสำหรับเซ็นเซอร์เข้ารหัสแม่เหล็กของหุ่นยนต์

ในการใช้งานควบคุมการเคลื่อนไหวประสิทธิภาพสูง เช่น เซอร์โวมอเตอร์ ข้อต่อหุ่นยนต์ และแกนหมุนไฟฟ้า แม่เหล็ก ตัวเข้ารหัส กำลังได้รับความนิยมเนื่องจากมีขนาดเล็ก ทนทานต่อน้ำมัน ทนทานต่อการสั่นสะเทือน และต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม วิศวกรหลายคนประสบปัญหายุ่งยากในระหว่างการทดสอบการหมุนด้วยความเร็วสูง:  มุมที่รายงานโดยตัวเข้ารหัสเบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งที่แท้จริงของโรเตอร์ - 'ส่วนเบี่ยงเบนเฟส'  ซึ่งจะแย่ลงตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น ที่ความเร็วต่ำอาจทำให้เกิดการกระเพื่อมของความเร็วเพียงเล็กน้อยและมีเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น แต่ที่ความเร็วสูงอาจทำให้การควบคุมไม่เสถียรได้

I. เซ็นเซอร์เข้ารหัสแม่เหล็กของหุ่นยนต์ 'มองเห็น' มุมได้อย่างไร

เรามาทบทวนโครงสร้างพื้นฐานของตัวเข้ารหัสแบบแม่เหล็กโดยย่อ

ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กทั่วไปประกอบด้วยสามส่วน:

1. วงแหวนแม่เหล็ก : ติดตั้งอยู่ที่ปลายโรเตอร์หรือส่วนต่อขยายของเพลา โดยมีขั้วหลายคู่ (สลับ N/S) กระจายอยู่รอบๆ เส้นรอบวง

2. เซ็นเซอร์แม่เหล็ก : โดยทั่วไปแล้ว Hall, AMR, GMR, TMR ฯลฯ จะถูกวางไว้ใกล้กับพื้นผิววงแหวนเพื่อตรวจจับความแปรผันของสนามแม่เหล็ก

3. วงจรประมวลผลสัญญาณ : ขยาย ปรับสภาพ และสอดแทรกสัญญาณเซ็นเซอร์ที่อ่อนแอ ส่งผลให้เกิดมุมเอาต์พุตหรือพัลส์การสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสในท้ายที่สุด

ขณะที่วงแหวนแม่เหล็กหมุน เซ็นเซอร์จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเป็นระยะ และส่งสัญญาณเอาท์พุตกึ่งไซน์ซอยด์/โคไซน์ซอยด์ เมื่อแก้ไขเฟสของสัญญาณทั้งสองนี้ จะได้มุมโรเตอร์

ตามหลักการแล้ว การกระจายของสนามแม่เหล็กจะเป็นแบบไซน์ซอยด์อย่างสมบูรณ์ และเอาท์พุตของเซ็นเซอร์จะสอดคล้องกับมุมเชิงกลอย่างเคร่งครัด อย่างไรก็ตาม ภายใต้การหมุนด้วยความเร็วสูง 'การโต้ตอบในอุดมคติ' นี้จะถูกรบกวนด้วยปัจจัยหลายประการ และการเบี่ยงเบนเฟสก็เกิดขึ้น

ครั้งที่สอง การเบี่ยงเบนเฟสคืออะไร และเหตุใดจึงเด่นชัดมากขึ้นด้วยความเร็วสูง

พูดง่ายๆ ก็คือ  ค่าเบี่ยงเบนเฟสคือความแตกต่างระหว่าง 'มุมที่รับรู้โดยตัวเข้ารหัส' และ 'มุมโรเตอร์ที่แท้จริง'.

ตัวอย่างเช่น หากจริงๆ แล้วโรเตอร์อยู่ที่ 30° แต่ตัวเข้ารหัสส่งออก 32° ค่า 2° นั้นถือเป็นค่าเบี่ยงเบนเฟส ที่ความเร็วต่ำ ความเบี่ยงเบนนี้อาจเป็นเพียง 0.1° และแทบไม่สังเกตเห็นได้ชัด แต่เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ค่าเบี่ยงเบนสามารถขยายได้หลายองศาหรือแม้แต่สิบองศา ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพการควบคุมลดลงอย่างมาก

เหตุใดการเบี่ยงเบนจึงขยายด้วยความเร็วสูง สาเหตุหลักมีดังนี้

1. ข้อผิดพลาดในการติดตั้งกลไก 'ขยาย'

การจัดตำแหน่งโคแอกเซียลที่สมบูรณ์แบบระหว่างวงแหวนแม่เหล็กกับเพลาเป็นไปไม่ได้ สมมติว่าวงแหวนมีความเยื้องศูนย์ 0.05 มม. -ที่ความเร็วต่ำเซ็นเซอร์ยังคงสามารถทนต่อการบิดเบือนของสนามที่เกิดขึ้นได้ ที่ความเร็วสูง แรงเหวี่ยงและการสั่นสะเทือนจะเพิ่มความเยื้องศูนย์ บิดเบือนรูปคลื่นแม่เหล็ก และทำให้เกิดการเบี่ยงเบนเฟสเป็นคาบ

ในทำนองเดียวกัน การเบี่ยงเบนของหน้าวงแหวน การเล่นตามแนวแกน และสมดุลไดนามิกที่ไม่ดี ทำให้เกิดการรบกวนความถี่สูงเพิ่มเติมที่ความเร็วสูง

2. ความเร็วในการตอบสนองของเซนเซอร์ไม่เพียงพอ

เมื่อความเร็วของวงแหวนเพิ่มขึ้น ความถี่ของการแปรผันของสนามแม่เหล็กก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้วงแหวนคู่ 32 ขั้วที่ 10,000 รอบต่อนาที ความถี่ของฟิลด์จะอยู่ที่ประมาณ 5.3 kHz; ที่ 30,000 รอบต่อนาที เกิน 16 กิโลเฮิรตซ์

เซ็นเซอร์ฮอลล์ทั่วไปอาจมีแบนด์วิธเพียงสิบ kHz หรือต่ำกว่าด้วยซ้ำที่ความเร็วสูง แอมพลิจูดเอาท์พุตลดทอนลง และความล่าช้าของเฟส ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดของมุม แม้ว่าเซ็นเซอร์จะเร็ว แต่ความล่าช้าที่มากเกินไปในวงจรตัวกรองที่ตามมาก็อาจทำให้เกิดความล่าช้าของเฟสได้เช่นกัน

3. การเสื่อมคุณภาพของสนามแม่เหล็กของวงแหวนแม่เหล็ก

ที่ความเร็วสูง การสูญเสียกระแสไหลวนภายในวงแหวนทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความคงอยู่และความบังคับเปลี่ยนจะเปลี่ยนไป ลดความแรงของสนามไฟฟ้าและทำให้รูปคลื่นบิดเบี้ยว

นอกจากนี้ แรงดึงดูดที่ไม่สม่ำเสมอ โซนการเปลี่ยนผ่านที่กว้างเกินไประหว่างขั้ว และการเลือกหมายเลขขั้วคู่ที่ไม่เหมาะสม ล้วนเพิ่มปริมาณฮาร์มอนิกในสนามแม่เหล็กที่ความเร็วสูง ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณเฟสที่ขยายใหญ่ขึ้น

4. การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ที่ความเร็วสูง กระแส PWM ความถี่สูงในขดลวดมอเตอร์ กระแสเพลา และสายไฟสูงในบริเวณใกล้เคียงจะทำให้เกิดการรบกวน สัญญาณเอาท์พุตที่อ่อนแอของเซนเซอร์ เมื่อปนเปื้อน จะทำให้เกิดความกระวนกระวายใจและเกิดข้อผิดพลาดในการตรวจจับแบบ Zero-Crossing หรือการคำนวณเฟส

ที่สาม กลยุทธ์การแก้ไขปัญหา: แนวทางเครื่องกล ไฟฟ้า และอัลกอริทึม

เพื่อจัดการกับสาเหตุข้างต้น การดำเนินการแก้ไขสามารถทำได้ในสามระดับ:  การติดตั้งทางกล เซ็นเซอร์และห่วงโซ่สัญญาณ และการชดเชยอัลกอริธึม.

1. ระดับเครื่องกล - วางรากฐานที่มั่นคงก่อน

ปัญหาการเบี่ยงเบนเฟสหลายอย่างไม่ได้มาจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่มาจากการติดตั้งทางกล

(1) ควบคุมความร่วมแกนและการส่ายหน้าปลายอย่างเข้มงวด

หลังจากติดตั้งวงแหวนแม่เหล็กแล้ว ควรรักษาความโคแอกเชียลไว้ภายใน  0.03–0.05 มม. และรันเอาท์ที่ปลายหน้าภายใน  0.02 มม . ใช้อุปกรณ์หด การติดด้วยกาว หรืออุปกรณ์จับยึดเฉพาะในการวางตำแหน่ง และหลีกเลี่ยงการตอกที่อาจทำให้แหวนเอียงได้

(2) ทำการปรับสมดุลแบบไดนามิก

แม้ว่าวงแหวนจะมีน้ำหนักเบา แต่แรงเหวี่ยงที่ความเร็วสูงก็ไม่อาจมองข้ามได้ หลังการติดตั้ง ให้ดำเนินการปรับสมดุลไดนามิกโดยรวมเพื่อลดข้อผิดพลาดของสัญญาณที่เกิดจากการสั่นสะเทือน

(3) หลีกเลี่ยงแรงตามแนวแกนบนวงแหวนแม่เหล็ก

หากวงแหวนอยู่ใกล้กับฝาครอบปลายมอเตอร์หรือแบริ่ง การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่ความเร็วสูงอาจทำให้เกิดการเคลื่อนตัวตามแนวแกน สงวนระยะห่างตามแนวแกนที่เหมาะสมในการออกแบบ หรือใช้โครงสร้างพรีโหลดแบบยืดหยุ่น

2. โซ่ไฟฟ้าและสัญญาณ - รักษาสัญญาณให้สะอาดและทันเวลา

(1) เลือกประเภทเซ็นเซอร์ที่เหมาะสม

สำหรับการใช้งานความเร็วสูง แนะนำให้ใช้  เซ็นเซอร์ TMR หรือ GMR เนื่องจากโดยทั่วไปแบนด์วิธจะสูงถึงหลายร้อย kHz หรือแม้แต่ MHz ซึ่งสูงกว่าเซ็นเซอร์ Hall ทั่วไปมาก นอกจากนี้ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความไวแม่เหล็กและสนามความอิ่มตัวของเซ็นเซอร์ตรงกับคุณลักษณะของวงแหวน

(2) ใช้เอาต์พุตสัญญาณที่แตกต่างกัน

เอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะระงับการรบกวนในโหมดทั่วไปและปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ หากเซ็นเซอร์จ่ายเอาต์พุตแบบปลายเดียวเท่านั้น ให้เพิ่มสเตจแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่ส่วนหน้า

(3) ลดความล่าช้าของตัวกรอง

ฟิลเตอร์ RC และฟิลเตอร์ดิจิตอลทำให้เกิดการหน่วงเฟส ในการใช้งานความเร็วสูง ให้ตั้งค่าความถี่คัตออฟตัวกรองให้สูงเพียงพอ หรือใช้  เฟสเชิงเส้นที่มีการหน่วงเวลาต่ำ  ตัวกรอง สำหรับสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่ต้องการการกำจัดอย่างแท้จริง ให้พิจารณาการปรับให้เรียบหลังจากการคำนวณมุม แทนที่จะกรองสัญญาณดิบมากเกินไป

(4) ปรับช่องว่างอากาศระหว่างวงแหวนและเซ็นเซอร์ให้เหมาะสม

ช่องว่างอากาศที่มากเกินไปจะช่วยลดความกว้างของสัญญาณ ช่องว่างที่เล็กเกินไปอาจเสี่ยงต่อการเสียดสีเนื่องจากการสั่นสะเทือนที่ความเร็วสูง โดยทั่วไปจะเลือกช่องว่างอากาศ  0.3–1.0 มม.  ตามข้อกำหนดเฉพาะของวงแหวนและความไวของเซ็นเซอร์ และกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดจากการทดลอง

(5) ใช้การป้องกันและการต่อสายดินที่เหมาะสม

ใช้สายเคเบิลคู่บิดเกลียวที่มีฉนวนหุ้มในการเดินสายเซ็นเซอร์ กราวด์ชีลด์ที่จุดเดียว และเก็บสายเคเบิลให้ห่างจากสายไฟของมอเตอร์และกระแสไฟสูงเพื่อลดการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า

3. ระดับอัลกอริทึม -ใช้ 'ซอฟต์แวร์' เพื่อชดเชยข้อบกพร่อง 'ฮาร์ดแวร์'

หลังจากการปรับปรุงฮาร์ดแวร์แล้ว ความเบี่ยงเบนที่เหลือสามารถแก้ไขได้ด้วยอัลกอริธึม

(1) การสอบเทียบแบบออฟไลน์และการชดเชยตารางการค้นหา

ภายใต้สภาวะความเร็วต่ำและสภาวะคงที่ ให้ใช้ตัวเข้ารหัสอ้างอิงที่มีความแม่นยำสูง (เช่น ตัวเข้ารหัสแบบออปติคอล) เพื่อทำการสอบเทียบตัวเข้ารหัสแม่เหล็กแบบเต็มวงกลม บันทึกค่าเบี่ยงเบนในแต่ละตำแหน่ง และสร้างตารางการชดเชย ในระหว่างการทำงานจริง ให้ค้นหาการแก้ไขตามตำแหน่งปัจจุบัน

วิธีการนี้กำจัดความเบี่ยงเบนของเฟสเป็นคาบได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่มีผลจำกัดต่อการเบี่ยงเบนไดนามิกเพิ่มเติมที่ปรากฏที่ความเร็วสูง

(2) การชดเชยเฟสไดนามิก

หากการเบี่ยงเบนส่วนใหญ่เกิดจากการหน่วงเวลาคงที่ในสายสัญญาณ ให้คำนวณการหน่วงเวลาของมุมโดย:

โดยที่  w  คือความเร็วเชิงมุม และ t _d คือความล่าช้าของระบบทั้งหมด ป้อนการชดเชยนี้ไปข้างหน้าไปยังมุมเอาท์พุต ซึ่งสามารถปรับปรุงความแม่นยำความเร็วสูงภายในช่วงความเร็วที่กำหนดได้อย่างมาก

(3) การกรองแบบปรับตัวและผู้สังเกตการณ์

สำหรับการกระวนกระวายใจแบบสุ่มที่ความเร็วสูง ให้ใช้ตัวกรองคาลมาน อุปกรณ์สังเกตการณ์แบบเลื่อน หรือวิธีการที่คล้ายกันเพื่อหลอมมุมตัวเข้ารหัสเข้ากับรุ่นมอเตอร์ ซึ่งจะระงับสัญญาณรบกวนความถี่สูงในขณะที่ยังคงรักษาสัญญาณมุมที่แท้จริงไว้

(4) การชดเชยอุณหภูมิ

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากอุณหภูมิในสภาพคงเหลือส่งผลต่อแอมพลิจูดของสัญญาณ วางเซ็นเซอร์อุณหภูมิไว้ใกล้กับตัวเข้ารหัสเพื่อสร้างแบบจำลองการชดเชยอุณหภูมิ-แอมพลิจูด/เฟส และใช้การแก้ไขแบบเรียลไทม์

IV. กรณีศึกษาการแก้ไขปัญหาโดยย่อ

เซอร์โวมอเตอร์มีการเบี่ยงเบนเฟสเป็นคาบประมาณ 3.5° จากตัวเข้ารหัสแม่เหล็กที่ 15,000 รอบต่อนาที ทำให้เกิดการแกว่งของกระแสวน ทีมงานได้ปฏิบัติตามขั้นตอนเหล่านี้:

1. การตรวจสอบทางกล : พบว่าความร่วมแกนของแหวนอยู่ที่ 0.08 มม. หลังจากติดตั้งใหม่ ความบางลดลงเหลือ 0.03 มม. และความเบี่ยงเบนลดลงเหลือ 2.1°

2. การเปลี่ยนเซ็นเซอร์ : เซ็นเซอร์ Hall มาตรฐานถูกแทนที่ด้วยเซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียล TMR แบนด์วิธที่สูงกว่า และความถี่ตัดตัวกรองเพิ่มขึ้นจาก 20 kHz เป็น 100 kHz - ค่าเบี่ยงเบนลดลงอีกเป็น 0.9°

3. การชดเชยอัลกอริธึม : มีการเพิ่มการชดเชยการป้อนไปข้างหน้าแบบหน่วงเวลาคงที่ ตามด้วยการสอบเทียบออฟไลน์แบบเต็มวงกลมบนม้านั่งทดสอบ การเบี่ยงเบนเฟสความเร็วสูงขั้นสุดท้ายถูกควบคุมให้อยู่ภายใน  0.3° ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดการควบคุม

กรณีนี้แสดงให้เห็นว่า  การวัดเพียงครั้งเดียวมักจะแก้ปัญหาได้เพียงบางส่วนเท่านั้น - การผสมผสานระหว่างการปรับปรุงทางกล ไฟฟ้า และอัลกอริธึมจะให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด.

บทสรุป

การเบี่ยงเบนเฟสของวงแหวนแม่เหล็กในเซ็นเซอร์เข้ารหัสแม่เหล็กของหุ่นยนต์ที่ความเร็วสูงเป็นปัญหาหลายประการโดยธรรมชาติ ข้อผิดพลาดในการติดตั้งกลไก แบนด์วิธเซ็นเซอร์ไม่เพียงพอ ความล่าช้าของสัญญาณ คุณภาพสนามแม่เหล็กลดลง และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ล้วนถูกขยายด้วยความเร็วสูง

เมื่อแก้ไขปัญหา ให้ทำตามลำดับ:  กลไกก่อน จากนั้นไฟฟ้า จากนั้นอัลกอริธึม :

·  ขั้นแรก ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการสร้างโคแอกเชียล สมดุลไดนามิก และช่องว่างอากาศอย่างมั่นคง

·  จากนั้นปรับการเลือกเซ็นเซอร์และสายโซ่สัญญาณให้เหมาะสมเพื่อรับประกันสัญญาณที่สะอาดและมีความล่าช้าต่ำ

·  สุดท้าย ใช้อัลกอริธึมการสอบเทียบและการชดเชยเพื่อ 'ปรับแต่ง' ข้อผิดพลาดตกค้าง

สำหรับการใช้งานความเร็วสูงส่วนใหญ่ หลังจากการแก้ไขอย่างเป็นระบบ ค่าเบี่ยงเบนเฟสของตัวเข้ารหัสแม่เหล็กสามารถคงไว้ภายในช่วงที่ยอมรับได้ ทำให้ระบบเซอร์โวยังคงมีเสถียรภาพและแม่นยำแม้ที่ความเร็วสูง