Звідки береться відхилення фази високошвидкісного обертового магнітного кільця? – Посібник з усунення несправностей датчика магнітного кодера робота

У високопродуктивних системах управління рухом, таких як серводвигуни, шарніри роботів і електричні шпинделі, магнітні кодери набувають популярності завдяки своїм невеликим розмірам, маслостійкості, стійкості до вібрації та низькій вартості. Однак багато інженерів стикаються з гострою проблемою під час випробування високошвидкісного обертання:  кут, який повідомляє кодер, відхиляється від фактичного положення ротора - 'відхилення фази'  , яке погіршується зі збільшенням швидкості. На низьких швидкостях це може спричинити лише незначну пульсацію швидкості та підвищений шум, але на високих швидкостях це може призвести до нестабільності керування.

I. Як робот-датчик магнітного кодера «бачить» кут?

Коротко розглянемо базову структуру магнітного кодера.

Типовий магнітний кодер складається з трьох частин:

1. Магнітне кільце : встановлене на кінці ротора або на подовженні вала, з кількома парами полюсів (чергування N/S), розподілених по колу.

2. Магнітний датчик : зазвичай Холла, AMR, GMR, TMR тощо, розміщений поблизу поверхні кільця для визначення коливань магнітного поля.

3. Схема обробки сигналу : підсилює, кондиціонує та інтерполює слабкі сигнали датчика, зрештою виводячи кутові або квадратурні імпульси.

Коли магнітне кільце обертається, датчик виявляє періодичні зміни магнітного поля та видає квазісинусоїдальні/косинусоїдальні сигнали. Розділивши фазу цих двох сигналів, отримують кут ротора.

В ідеалі розподіл магнітного поля є абсолютно синусоїдальним, а вихід датчика строго відповідає механічному куту. Однак під час високошвидкісного обертання ця «ідеальна відповідність» порушується багатьма факторами, і виникає відхилення фази.

II. Що таке відхилення фази і чому воно стає більш вираженим на високій швидкості?

Простіше кажучи,  відхилення фази – це різниця між 'кутом, який сприймає кодер', і 'справжнім кутом ротора'.

Наприклад, якщо ротор фактично знаходиться на 30°, але кодер видає 32°, ці 2° є відхиленням фази. На низькій швидкості це відхилення може бути лише 0,1° і ледь помітним; але зі збільшенням швидкості відхилення може збільшуватися до кількох градусів або навіть до десяти градусів, значно погіршуючи продуктивність керування.

Чому девіація посилюється на великій швидкості? Основні причини наступні.

1. Помилки механічного монтажу 'збільшуються'

Ідеальне коаксіальне центрування між магнітним кільцем і валом неможливе. Припустимо, що кільце має ексцентриситет 0,05 мм - на низькій швидкості датчик все ще може витримувати викривлення поля; на високій швидкості відцентрова сила та вібрація збільшують ексцентриситет, спотворюючи форму магнітного хвилі та викликаючи періодичне відхилення фази.

Подібним чином биття торця кільця, осьовий люфт і поганий динамічний баланс створюють додаткові високочастотні збурення на високій швидкості.

2. Недостатня швидкість реакції датчика

Зі збільшенням швидкості кільця частота зміни магнітного поля відповідно зростає. Наприклад, з кільцем з 32 парами полюсів при 10 000 об/хв частота поля становить приблизно 5,3 кГц; при 30 000 об / хв вона перевищує 16 кГц.

Звичайні датчики Холла можуть мати смугу пропускання лише в десятки кГц або навіть нижче - на високій швидкості вихідна амплітуда затухає та фазові затримки, що призводить до кутових помилок. Навіть якщо сам датчик швидкий, надмірна затримка в наступних ланцюгах фільтра також може спричинити фазову затримку.

3. Погіршення якості поля магнітного кільця

На високій швидкості втрати на вихрові струми всередині кільця викликають локальне нагрівання. З підвищенням температури змінюється залишкова намагніченість і коерцитивність, зменшуючи напруженість поля та спотворюючи форму хвилі.

Крім того, неоднорідна намагніченість, надмірно широкі перехідні зони між полюсами та неправильний вибір номерів пар полюсів — усе це збільшує вміст гармонік у магнітному полі на високій швидкості, збільшуючи помилки обчислення фази.

4. Електромагнітні перешкоди та цілісність сигналу

На високій швидкості ШІМ-струми високої частоти в обмотках двигуна, струми валу та лінії високої потужності поблизу створюють перешкоди. Слабкі вихідні сигнали датчика, після забруднення, викликають тремтіння та помилку при виявленні переходу через нуль або обчисленні фази.

III. Стратегія усунення несправностей: механічні, електричні та алгоритмічні підходи

Щоб усунути вищевказані причини, можна вжити коригувальні дії на трьох рівнях:  механічне встановлення, датчик і сигнальний ланцюг, а також компенсація алгоритму.

1. Механічний рівень - спочатку закладіть міцну основу

Багато проблем із відхиленням фази виникають не через електроніку, а через механічну установку.

(1) Суворо контролюйте коаксіальність і торцеве биття

Після монтажу магнітного кільця співвісність повинна бути в межах  0,03-0,05 мм , а торцеве биття -  0,02 мм . Використовуйте термоусадочні фітинги, клейове скріплення або спеціальні пристосування для позиціонування та уникайте ударів молотком, які можуть нахилити кільце.

(2) Виконайте динамічне балансування

Хоча кільце легке, відцентрова сила на високій швидкості не є незначною. Після встановлення виконайте загальне динамічне балансування, щоб зменшити помилки сигналу, спричинені вібрацією.

(3) Уникайте осьових сил на магнітне кільце

Якщо кільце знаходиться близько до торцевої кришки двигуна або підшипників, теплове розширення на високій швидкості може спричинити осьове зміщення. Залиште належний осьовий зазор у конструкції або застосуйте пружну структуру попереднього натягу.

2. Електричний і сигнальний ланцюг - підтримуйте сигнали чистими та своєчасними

(1) Виберіть правильний тип датчика

Для високошвидкісних застосувань віддавайте перевагу  датчикам TMR або GMR , оскільки їх смуга пропускання зазвичай сягає сотень кГц або навіть МГц, що набагато вище, ніж у звичайних датчиків Холла. Також переконайтеся, що магнітна чутливість датчика та поле насичення відповідають характеристикам кільця.

(2) Використовуйте вихід диференціального сигналу

Диференціальний вихід пригнічує синфазні перешкоди та покращує цілісність сигналу. Якщо датчик забезпечує лише односторонній вихід, додайте каскад диференціального підсилювача на передньому кінці.

(3) Зменшити затримку фільтра

RC-фільтри та цифрові фільтри вводять фазову затримку. У високошвидкісних програмах встановіть достатньо високу частоту зрізу фільтра або використовуйте  з низькою затримкою лінійної фази .  фільтри Для високочастотного шуму, який дійсно потребує видалення, подумайте про згладжування після розрахунку кута, а не про надмірну фільтрацію необроблених сигналів.

(4) Оптимізуйте повітряний зазор між кільцем і датчиком

Надмірний повітряний зазор зменшує амплітуду сигналу; занадто малий зазор може потертися через вібрацію на високій швидкості. Зазвичай вибирайте повітряний зазор  0,3–1,0 мм  на основі характеристик кільця та чутливості датчика та визначте оптимальне значення експериментально.

(5) Застосуйте належне екранування та заземлення

Використовуйте екрановану виту пару для проводки датчика, заземлюйте екран в одній точці та тримайте кабель подалі від ліній живлення двигуна та слідів сильного струму, щоб зменшити електромагнітний зв’язок.

3. Рівень алгоритму - використання 'програмного забезпечення' для компенсації 'апаратних' недоліків

Після удосконалення обладнання залишкові відхилення можуть бути додатково виправлені алгоритмами.

(1) Офлайн-калібрування та компенсація пошукової таблиці

У стаціонарних умовах низької швидкості використовуйте високоточний еталонний кодер (наприклад, оптичний кодер), щоб виконати повне калібрування магнітного кодера, записати відхилення в кожній позиції та створити таблицю компенсації. Під час фактичної роботи знайдіть поправку на основі поточної позиції.

Цей метод ефективно усуває періодичні відхилення фази, але має обмежений вплив на додаткові динамічні відхилення, які з'являються на високій швидкості.

(2) Динамічна фазова компенсація

Якщо відхилення в основному виникають через фіксовану затримку в сигнальному ланцюгу, обчисліть кутову затримку за допомогою:

де  w  — кутова швидкість, а t _d — загальна затримка системи. Подайте цю компенсацію вперед на вихідний кут, що може значно підвищити точність на високій швидкості в певному діапазоні швидкостей.

(3) Адаптивна фільтрація та спостерігачі

Для випадкового тремтіння на високій швидкості використовуйте фільтри Калмана, спостерігачі в ковзному режимі або подібні методи, щоб поєднати кут кодера з моделлю двигуна, пригнічуючи високочастотний шум, зберігаючи справжній сигнал кута.

(4) Температурна компенсація

Спричинені температурою зміни залишкової намагніченості впливають на амплітуду сигналу. Розмістіть датчик температури поблизу кодера, щоб створити модель компенсації температури, амплітуди/фази та застосувати корекцію в реальному часі.

IV. Короткий практичний приклад усунення несправностей

Серводвигун демонстрував періодичне відхилення фази приблизно на 3,5° від свого магнітного датчика при 15 000 об/хв, викликаючи коливання контуру струму. Команда дотримувалася таких кроків:

1. Механічна перевірка : встановлено, що співвісність кільця становить 0,08 мм; після перевстановлення він зменшився до 0,03 мм, а відхилення впало до 2,1°.

2. Заміна датчика : стандартний датчик Холла було замінено диференціальним датчиком TMR з більшою смугою пропускання, а частоту зрізу фільтра було підвищено з 20 кГц до 100 кГц – відхилення ще більше зменшено до 0,9°.

3. Компенсація алгоритму : була додана компенсація прямого зв’язку з фіксованою затримкою, а потім офлайн-калібрування повного кола на випробувальному стенді. Кінцеве високошвидкісне відхилення фази контролювалося з точністю до  0,3° , що відповідає вимогам контролю.

Цей випадок показує, що  один захід часто вирішує лише частину проблеми – поєднання механічних, електричних і алгоритмічних удосконалень дає найкращі результати.

Висновок

Відхилення фази магнітного кільця в датчику магнітного кодера робота на високій швидкості є багатофакторною проблемою. Помилки механічного встановлення, недостатня смуга пропускання датчика, затримки сигналу, погіршена якість магнітного поля та електромагнітні перешкоди посилюються на високій швидкості.

При усуненні несправностей дотримуйтеся послідовності:  спочатку механіка, потім електрика, потім алгоритми :

·  По-перше, переконайтеся, що коаксіальність, динамічне балансування та повітряний зазор надійно встановлені;

·  Потім оптимізуйте вибір датчика та сигнальний ланцюг, щоб гарантувати чисті сигнали з низькою затримкою;

·  Нарешті, використовуйте алгоритми калібрування та компенсації для 'точного налаштування' залишкових помилок.

Для більшості високошвидкісних застосувань після такого систематичного виправлення відхилення фази магнітного кодера можна підтримувати в прийнятному діапазоні, що дозволяє сервосистемі залишатися стабільною та точною навіть на високих швидкостях.