Джиттер сигналу датчиків магнітного кодера роботів – від лікування симптомів до систематичного усунення першопричини

1. Тремтіння сигналу: основна проблема в контролі суглобів роботів

У додатках, які вимагають суворого контролю положення, наприклад, з’єднання роботів, поворотно-нахильні пристрої та високоточні сервосистеми – магнітні кодери швидко витісняють традиційні оптичні кодери завдяки безконтактній роботі, високій надійності та тривалому терміну служби. Проте багато інженерів стикаються з неприємною проблемою під час фактичного налагодження:  нестабільні показники кута, періодичні стрибки або випадковий шум.

Прояви тремтіння сигналу різноманітні: на низьких швидкостях високочастотні стрибки кута малої амплітуди викликають коливання контуру швидкості, тремтіння позиціонування та збільшення пульсації крутного моменту; ширина імпульсу квадратурних виходів A/B стає нерівномірною, різниця фаз тремтить близько 90°; у важких випадках виникають втрати кадрів зв’язку та збої в даних, що безпосередньо знижує точність керування, спричиняє ненормальний шум двигуна або навіть викликає відключення системи.

Як зазначив один інженер на онлайн-форумі:  'Ширина імпульсу виходів A/B від магнітного кодера тремтить — навіть на постійній швидкості ширина нерівномірна, тоді як оптичний кодер не має цієї проблеми'.  Це порівняння підкреслює суть проблеми: тремтіння сигналу в магнітних кодувальниках — це  не властивий дефект мікросхеми , а скоріше спільний результат кількох факторів —  компонування апаратного забезпечення, дизайн магнітного кола, цілісність сигналу та обробка програмного забезпечення.

2. Три основні причини тремтіння сигналу

2.1 Помилки механічного встановлення – найпоширеніша причина

Магнітні кодери надзвичайно чутливі до повітряного зазору, коаксіальності, нахилу та ексцентриситету магніту.  Надмірний ексцентриситет  зміщує центр магнітного поля, спотворює синусоїдальні сигнали та вносить періодичні кутові помилки;  занадто великий або занадто малий повітряний проміжок  змінює амплітуду індукованого сигналу, погіршує відношення сигнал/шум і збільшує джиттер;  осьовий нахил  викликає асиметричний розподіл поля та спотворення форми хвилі. Навіть ексцентриситет 0,5 мм може викликати значні похибки другої гармоніки на високих швидкостях обертання.

2.2 Магнітне поле та вплив навколишнього середовища

Розсіяний потік витоку з кінців двигуна, випромінювання інвертора та зв’язані магнітні поля від кабелів високої потужності можуть накладатися безпосередньо на площину чутливості кодера, викликаючи стрибки сигналу. Вихрові струми, індуковані в металевих кронштейнах і корпусах двигунів, також послаблюють або спотворюють корисне магнітне поле. Крім того, магнітні кодери дуже чутливі до напруженості поля та чутливі до сильних вібрацій у суворих промислових умовах.

2.3 Проблеми з електрикою та зв'язком

Надмірна пульсація джерела живлення, плаваюче заземлення та неправильне одностороннє екрануюче заземлення створюють синфазні перешкоди. Зв’язок I⊃2;C, особливо на високих швидкостях або на великих відстанях, вразливий до перешкод, що призводить до збоїв і тремтіння даних. Зв'язок SPI також може страждати від невідповідності часу та високої частоти бітових помилок, що призводить до аномалій даних.

3. Від рішень 'рівня чіпа' до рішень 'рівня системи'

Усунення тремтіння сигналу потребує комплексного загальносистемного підходу.

Апаратні аспекти:  Встановлення магніту має відповідати принципу вирівнювання «трьох осей» – осьове вирівнювання, точний контроль вертикального зазору (рекомендовано 0,5 мм – 2,0 мм) і гарантія паралельності. Повітряний зазор повинен бути в межах допуску, а відхилення коаксіальності повинно бути нижче 0,03 мм. На друкованій платі заливка міді та маршрутизація заборонені під чіпом кодера; відстань між контактами SPI та контактами MCU має бути в межах 10 см. Пульсації джерела живлення повинні підтримуватися нижче 10 мВ із застосуванням багатоступеневої розв’язки.

Аспекти зв’язку:  віддавайте перевагу інтерфейсу SPI над I⊃2;C – апаратний SPI забезпечує набагато кращу завадостійкість, ніж бітовий I⊃2;C. Лінії SPI повинні використовувати екрановану виту пару з диференціальними сигналами, обгорнутими дротами заземлення для зменшення електромагнітних перешкод. Параметри швидкості зв’язку та синхронізації мають бути точно узгоджені, щоб утримувати частоту бітових помилок у прийнятних межах.

Алгоритмічні аспекти:  Застосовувати алгоритми компенсації помилок для виправлення відхилень механічної установки в програмному забезпеченні; використовувати цифрову фільтрацію для покращення співвідношення сигнал/шум; і оптимізувати логіку для обробки переповнення багатооборотного лічильника. Динамічна компенсація прямого зв’язку та адаптивне налаштування ПІД-регулятора можуть також ефективно пригнічувати ефекти затримки, спричинені люфтом трансмісії.

4. Якість магнітного матеріалу – 'основа' стабільності сигналу

Під час обговорення рішень для усунення тремтіння сигналу часто ігнорують один фундаментальний аспект:  якість самого магніту . Точність магнітного кодера в першу чергу визначається рівномірністю і стабільністю розподілу магнітного поля. Дешеві магніти можуть страждати від асиметричних полюсів або нерівномірної напруженості поля, що спричиняє періодичні спотворення вихідної кривої. Ключові параметри, такі як залишкова намагніченість (Br) і однорідність поля поверхні, є однаково критичними.

5. Hangzhou SDM: глибоко вкорінений гравець у магнітних матеріалах

У сфері виробництва магнітних матеріалів  Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd.  є компанією, яку варто відзначити. Засноване в 2009 році зі штаб-квартирою в Ханчжоу, це національне високотехнологічне підприємство, яке спеціалізується на магнітах і магнітних рішеннях.

На тлі індустрії робототехніки, яка швидко розвивається, SDM використовує свій глибокий досвід роботи з рідкоземельними постійними магнітами, щоб активно розширюватися у сферах робототехніки.

Для датчиків магнітного кодера роботів високоефективні постійні магніти є «першою лінією захисту» для забезпечення стабільності сигналу та придушення тремтіння. Технічні переваги SDM у формулюванні магнітів, дизайні магнітних ланцюгів і системах магнітного складання дозволяють йому відігравати важливу роль у вихідному ланцюжку матеріалів, забезпечуючи індивідуальні магнітні рішення з більш рівномірним розподілом поля та кращою температурною стабільністю для кодерів, тим самим зменшуючи тремтіння, спричинене нижчою якістю магніту безпосередньо біля джерела.

Оскільки попит на високоточний зворотний зв’язок у робототехніці продовжує зростати, питання тремтіння сигналу в магнітних кодувальниках приділятиме все більше уваги. Фундаментальне лікування полягає в наскрізній оптимізації – від магнітних матеріалів до системної інтеграції. Роль SDM у цьому ланцюжку заслуговує постійної уваги з боку галузі.