Yüksek Hızda Dönen Manyetik Halkanın Faz Sapması Nereden Geliyor? – Robot Manyetik Kodlayıcı Sensörü için Sorun Giderme Kılavuzu

Servo motorlar, robot bağlantıları ve elektrikli miller gibi yüksek performanslı hareket kontrol uygulamalarında, manyetik Kodlayıcılar küçük boyutları, yağa dayanıklılıkları, titreşim toleransları ve düşük maliyetleri nedeniyle popülerlik kazanmaktadır. Ancak birçok mühendis, yüksek hızlı dönüş testi sırasında çetrefilli bir sorunla karşılaşır:  Kodlayıcı tarafından bildirilen açı, rotorun gerçek konumundan sapar;  bu, hızın artmasıyla kötüleşen bir 'faz sapması'dır. Düşük hızlarda yalnızca hafif hız dalgalanmalarına ve artan gürültüye neden olabilir, ancak yüksek hızlarda kontrol dengesizliğine yol açabilir.

I. Robot Manyetik Kodlayıcı Sensörü Açıyı Nasıl 'Görüyor'?

Manyetik kodlayıcının temel yapısını kısaca gözden geçirelim.

Tipik bir manyetik kodlayıcı üç bölümden oluşur:

1. Manyetik halka : rotor ucuna veya şaft uzantısına monte edilmiş olup, çevresi boyunca dağıtılmış birden fazla kutup çifti (N/G alternatif) bulunur.

2. Manyetik sensör : Genellikle Hall, AMR, GMR, TMR vb. manyetik alan değişimlerini algılamak için halka yüzeyine yakın yerleştirilir.

3. Sinyal işleme devresi : zayıf sensör sinyallerini güçlendirir, koşullandırır ve enterpolasyon yapar, sonuçta açı veya karesel darbeler üretir.

Manyetik halka döndükçe, sensör periyodik manyetik alan değişikliklerini algılar ve yarı sinüzoidal/kosinüsoidal sinyaller üretir. Bu iki sinyalin fazı çözümlenerek rotor açısı elde edilir.

İdeal durumda, manyetik alan dağılımı tamamen sinüzoidaldir ve sensör çıkışı kesinlikle mekanik açıya karşılık gelir. Ancak yüksek hızlı dönüş koşullarında bu 'ideal uyum' birçok faktör tarafından bozulur ve faz sapması ortaya çıkar.

II. Faz Sapması Nedir ve Yüksek Hızda Neden Daha Belirgin Hale Gelir?

Basitçe söylemek gerekirse,  faz sapması 'kodlayıcı tarafından algılanan açı' ile 'gerçek rotor açısı' arasındaki farktır..

Örneğin, rotor gerçekte 30°'deyse ancak kodlayıcı 32° çıkış veriyorsa, bu 2° faz sapmasıdır. Düşük hızda bu sapma yalnızca 0,1° olabilir ve zar zor fark edilebilir; ancak hız arttıkça sapma birkaç dereceye, hatta on derecenin üzerine çıkabilir ve bu da kontrol performansını önemli ölçüde azaltır.

Sapma neden yüksek hızda artıyor? Başlıca nedenleri aşağıdaki gibidir.

1. Mekanik kurulum hataları 'büyütülür'

Manyetik halka ile şaft arasında mükemmel eş eksenli hizalama mümkün değildir. Halkanın 0,05 mm'lik bir eksantrikliğe sahip olduğunu varsayalım; düşük hızda sensör, sonuçta ortaya çıkan alan bozulmasını hala tolere edebilir; yüksek hızda merkezkaç kuvveti ve titreşim eksantrikliği artırarak manyetik dalga biçimini bozar ve periyodik faz sapmasına neden olur.

Benzer şekilde, halka uç yüzeyinin salgısı, eksenel oynama ve zayıf dinamik denge, yüksek hızda ilave yüksek frekans bozukluklarına neden olur.

2. Sensör tepki hızı yetersiz

Halka hızı arttıkça manyetik alan değişiminin frekansı da buna bağlı olarak artar. Örneğin, 10.000 rpm'de 32 kutuplu bir halka ile alan frekansı yaklaşık 5,3 kHz'dir; 30.000 rpm'de 16 kHz'i aşıyor.

Ortak Hall sensörleri yalnızca onlarca kHz veya hatta daha düşük bant genişliklerine sahip olabilir; yüksek hızda, çıkış genliği zayıflar ve faz gecikmeleri meydana gelir, bu da açı hatalarına neden olur. Sensörün kendisi hızlı olsa bile sonraki filtre devrelerindeki aşırı gecikme de faz gecikmesine neden olabilir.

3. Manyetik halkanın alan kalitesinin bozulması

Yüksek hızda halka içindeki girdap akımı kayıpları lokal ısınmaya neden olur. Sıcaklık arttıkça kalıcılık ve zorlayıcılık değişir, alan gücü azalır ve dalga biçimi bozulur.

Ek olarak, düzgün olmayan mıknatıslanma, kutuplar arasındaki aşırı geniş geçiş bölgeleri ve kutup çifti sayılarının yanlış seçimi, yüksek hızda manyetik alandaki harmonik içeriği artırarak faz hesaplama hatalarını büyütür.

4. Elektromanyetik girişim ve sinyal bütünlüğü

Yüksek hızda, motor sargılarındaki, şaft akımlarındaki ve yakındaki yüksek güç hatlarındaki yüksek frekanslı PWM akımları parazit oluşturur. Sensörün zayıf çıkış sinyalleri bir kez kirlendiğinde, sıfır geçiş tespitinde veya faz hesaplamasında titremeye ve hataya neden olur.

III. Sorun Giderme Stratejisi: Mekanik, Elektrik ve Algoritmik Yaklaşımlar

Yukarıdaki nedenleri ele almak için üç düzeyde düzeltici eylemler gerçekleştirilebilir:  mekanik kurulum, sensör ve sinyal zinciri ve algoritma telafisi.

1. Mekanik seviye - önce sağlam bir temel oluşturun

Pek çok faz sapması problemi elektronikten değil mekanik tesisattan kaynaklanmaktadır.

(1) Eş eksenliliği ve uç yüz salgısını kesinlikle kontrol edin

Manyetik halkayı monte ettikten sonra eş eksenlilik tutulmalıdır  0,03–0,05 mm ve uç yüz salgısı  0,02 mm dahilinde . Konumlandırma için sıkı geçme, yapışkanlı bağlama veya özel fikstürler kullanın ve halkayı eğebilecek çekiçlemelerden kaçının.

(2) Dinamik dengeleme gerçekleştirin

Halka hafif olmasına rağmen yüksek hızdaki merkezkaç kuvveti ihmal edilemez. Kurulumdan sonra titreşimden kaynaklanan sinyal hatalarını azaltmak için genel dinamik dengeleme yapın.

(3) Manyetik halka üzerindeki eksenel kuvvetlerden kaçının

Halka motor uç kapağına veya yataklara yakınsa, yüksek hızdaki termal genleşme eksenel yer değiştirmeye neden olabilir. Tasarımda uygun eksenel boşluğu ayırın veya elastik bir ön yükleme yapısını benimseyin.

2. Elektrik ve sinyal zinciri - sinyalleri temiz ve zamanında tutun

(1) Doğru sensör tipini seçin

Yüksek hızlı uygulamalar için,  TMR veya GMR sensörlerini tercih edin. bant genişlikleri tipik olarak yüzlerce kHz'e ve hatta sıradan Hall sensörlerinden çok daha yüksek olan MHz'e ulaştığından Ayrıca sensörün manyetik hassasiyetinin ve doygunluk alanının halkanın özellikleriyle eşleştiğinden emin olun.

(2) Diferansiyel sinyal çıkışını kullanın

Diferansiyel çıkış, ortak mod girişimini bastırır ve sinyal bütünlüğünü geliştirir. Sensör yalnızca tek uçlu çıkış sağlıyorsa ön uca bir diferansiyel amplifikatör katı ekleyin.

(3) Filtre gecikmesini azaltın

RC filtreleri ve dijital filtreler faz gecikmesine neden olur. Yüksek hızlı uygulamalarda, filtre kesme frekansını yeterince yükseğe ayarlayın veya  düşük gecikmeli, doğrusal fazlı  filtreler kullanın. Gerçekten kaldırılması gereken yüksek frekanslı gürültü için ham sinyalleri aşırı filtrelemek yerine açı hesaplamasından sonra yumuşatmayı düşünün.

(4) Halka ile sensör arasındaki hava boşluğunu optimize edin

Aşırı hava boşluğu sinyal genliğini azaltır; çok küçük bir boşluk, yüksek hızdaki titreşim nedeniyle sürtünme riski taşır. Halka özelliklerine ve sensör hassasiyetine bağlı olarak genellikle bir hava boşluğu seçin  0,3–1,0 mm'lik  ve optimum değeri deneysel olarak belirleyin.

(5) Uygun koruma ve topraklamayı uygulayın

Sensör kablolaması için blendajlı çift bükümlü kablolar kullanın, blendajı tek bir noktada topraklayın ve elektromanyetik kuplajı azaltmak için kabloyu motor güç hatlarından ve yüksek akım izlerinden uzak tutun.

3. Algoritma düzeyi - 'donanım' eksikliklerini telafi etmek için 'yazılım' kullanın

Donanım iyileştirmelerinden sonra kalan sapmalar algoritmalarla daha da düzeltilebilir.

(1) Çevrimdışı kalibrasyon ve arama tablosu telafisi

Düşük hız, kararlı durum koşulları altında, manyetik kodlayıcının tam daire kalibrasyonunu gerçekleştirmek, her konumdaki sapmayı kaydetmek ve bir telafi tablosu oluşturmak için yüksek hassasiyetli bir referans kodlayıcı (örn. optik kodlayıcı) kullanın. Gerçek çalışma sırasında mevcut konuma göre düzeltmeye bakın.

Bu yöntem, periyodik faz sapmalarını etkili bir şekilde ortadan kaldırır ancak yüksek hızda ortaya çıkan ek dinamik sapmalar üzerinde sınırlı etkiye sahiptir.

(2) Dinamik faz telafisi

Sapmalar esas olarak sinyal zincirindeki sabit bir gecikmeden kaynaklanıyorsa, açı gecikmesini şu şekilde hesaplayın:

burada  w  açısal hızdır ve _td toplam sistem gecikmesidir. Bu dengelemeyi çıkış açısına doğru besleyin; bu, belirli bir hız aralığında yüksek hız doğruluğunu önemli ölçüde artırabilir.

(3) Uyarlanabilir filtreleme ve gözlemciler

Yüksek hızda rastgele titreşim için, kodlayıcı açısını bir motor modeliyle birleştirmek ve gerçek açı sinyalini korurken yüksek frekanslı gürültüyü bastırmak için Kalman filtreleri, kayan modlu gözlemciler veya benzer yöntemler kullanın.

(4) Sıcaklık telafisi

Kalıcılıktaki sıcaklığa bağlı değişiklikler sinyal genliğini etkiler. Bir sıcaklık-genlik/faz dengeleme modeli oluşturmak ve gerçek zamanlı düzeltme uygulamak için kodlayıcının yakınına bir sıcaklık sensörü yerleştirin.

IV. Kısa Sorun Giderme Örnek Olayı

Bir servo motor, 15.000 rpm'de manyetik kodlayıcısından yaklaşık 3,5°'lik periyodik faz sapması sergileyerek akım döngüsü salınımına neden oldu. Ekip şu adımları izledi:

1. Mekanik inceleme : Halkanın eşeksenliliğinin 0,08 mm olduğu bulundu; yeniden kurulumdan sonra 0,03 mm'ye düşürüldü ve sapma 2,1°'ye düştü.

2. Sensör değişimi : Standart Hall sensörü, daha yüksek bant genişliğine sahip bir TMR diferansiyel sensörüyle değiştirildi ve filtre kesme frekansı 20 kHz'den 100 kHz'e yükseltildi; sapma daha da 0,9°'ye düşürüldü.

3. Algoritma telafisi : Sabit gecikmeli ileri besleme telafisi eklendi ve ardından test tezgahında tam daire çevrimdışı kalibrasyon yapıldı. Nihai yüksek hızlı faz sapması dahilinde kontrol edildi . 0,3° , kontrol gerekliliklerini karşılayacak şekilde

Bu örnek göstermektedir ; mekanik, elektriksel ve algoritmik iyileştirmelerin birleşimi en iyi sonuçları verir. , tek bir önlemin genellikle sorunun yalnızca bir kısmını çözdüğünü .

Çözüm

Bir robot manyetik kodlayıcı sensöründeki manyetik halkanın yüksek hızda faz sapması doğası gereği çok faktörlü bir sorundur. Mekanik kurulum hataları, yetersiz sensör bant genişliği, sinyal gecikmeleri, bozulmuş manyetik alan kalitesi ve elektromanyetik girişimin tümü yüksek hızda artar.

Sorun giderme sırasında şu sırayı izleyin:  önce mekanik, sonra elektrik, sonra algoritmalar :

·  Öncelikle eşeksenliliğin, dinamik dengelemenin ve hava boşluğunun sağlam bir şekilde kurulduğundan emin olun;

·  Daha sonra temiz, düşük gecikmeli sinyalleri garanti etmek için sensör seçimini ve sinyal zincirini optimize edin;

·  Son olarak, kalan hatalara 'ince ayar' yapmak için kalibrasyon ve telafi algoritmalarını kullanın.

Çoğu yüksek hızlı uygulama için, bu tür sistematik iyileştirmelerden sonra, manyetik kodlayıcının faz sapması kabul edilebilir bir aralıkta tutularak servo sistemin yüksek hızlarda bile kararlı ve doğru kalmasına olanak sağlanır.