تیز رفتار گھومنے والی مقناطیسی انگوٹھی کا مرحلہ انحراف کہاں سے آتا ہے؟ - روبوٹ میگنیٹک انکوڈر سینسر کے لیے ٹربل شوٹنگ گائیڈ

اعلی کارکردگی والی موشن کنٹرول ایپلی کیشنز جیسے سروو موٹرز، روبوٹ جوائنٹ، اور الیکٹرک اسپنڈلز، مقناطیسی انکوڈرز اپنے چھوٹے سائز، تیل کی مزاحمت، کمپن برداشت، اور کم قیمت کی وجہ سے مقبولیت حاصل کر رہے ہیں۔ تاہم، بہت سے انجینئرز کو تیز رفتار گردش کی جانچ کے دوران ایک کانٹے دار مسئلہ کا سامنا کرنا پڑتا ہے:  انکوڈر کے ذریعہ رپورٹ کردہ زاویہ روٹر کی اصل پوزیشن سے ہٹ جاتا ہے - ایک 'فیز انحراف'  جو بڑھتی ہوئی رفتار کے ساتھ خراب ہوتا ہے۔ کم رفتار پر یہ صرف ہلکی رفتار کی لہر اور بڑھتے ہوئے شور کا سبب بن سکتا ہے، لیکن تیز رفتاری سے یہ عدم استحکام کو کنٹرول کر سکتا ہے۔

I. ایک روبوٹ مقناطیسی انکوڈر سینسر زاویہ کو کیسے 'دیکھتا' ہے؟

آئیے مختصراً ایک مقناطیسی انکوڈر کی بنیادی ساخت کا جائزہ لیتے ہیں۔

ایک عام مقناطیسی انکوڈر تین حصوں پر مشتمل ہوتا ہے:

1. مقناطیسی انگوٹھی : روٹر اینڈ یا شافٹ ایکسٹینشن پر نصب، اس کے فریم کے ارد گرد تقسیم کیے جانے والے متعدد قطب جوڑے (N/S متبادل) کے ساتھ۔

2. مقناطیسی سینسر : عام طور پر ہال، AMR، GMR، TMR، وغیرہ، مقناطیسی میدان کی مختلف حالتوں کو محسوس کرنے کے لیے رنگ کی سطح کے قریب رکھا جاتا ہے۔

3. سگنل پروسیسنگ سرکٹ : کمزور سینسر سگنلز کو بڑھاتا، کنڈیشنز اور انٹرپولیٹ کرتا ہے، بالآخر زاویہ یا چوکور دالیں نکالتا ہے۔

جیسے جیسے مقناطیسی حلقہ گھومتا ہے، سینسر وقتاً فوقتاً مقناطیسی میدان میں ہونے والی تبدیلیوں کا پتہ لگاتا ہے اور quasi-sinusoidal/cosinusoidal سگنلز نکالتا ہے۔ ان دو سگنلز کے مرحلے کو حل کرکے، روٹر اینگل حاصل کیا جاتا ہے۔

مثالی طور پر، مقناطیسی میدان کی تقسیم بالکل سائنوسائیڈل ہے، اور سینسر آؤٹ پٹ سختی سے مکینیکل زاویہ سے مطابقت رکھتا ہے۔ تاہم، تیز رفتار گردش کے تحت، یہ 'مثالی خط و کتابت' متعدد عوامل سے متاثر ہوتی ہے، اور مرحلہ انحراف ابھرتا ہے۔

II فیز ڈیوی ایشن کیا ہے اور تیز رفتاری سے یہ زیادہ واضح کیوں ہو جاتا ہے؟

سیدھے الفاظ میں،  فیز انحراف 'انکوڈر کے ذریعے سمجھے جانے والے زاویہ' اور 'حقیقی روٹر اینگل' کے درمیان فرق ہے۔.

مثال کے طور پر، اگر روٹر درحقیقت 30° پر ہے لیکن انکوڈر 32° آؤٹ پٹ کرتا ہے، تو یہ 2° فیز انحراف ہے۔ کم رفتار پر، یہ انحراف صرف 0.1° اور بمشکل قابل توجہ ہو سکتا ہے۔ لیکن جیسے جیسے رفتار بڑھتی ہے، انحراف کئی ڈگریوں تک یا دس ڈگری سے بھی زیادہ بڑھ سکتا ہے، جس سے کنٹرول کی کارکردگی میں نمایاں طور پر کمی واقع ہوتی ہے۔

انحراف تیز رفتاری سے کیوں بڑھتا ہے؟ اہم وجوہات درج ذیل ہیں۔

1. مکینیکل تنصیب کی خرابیاں 'بڑھائی' ہیں

مقناطیسی انگوٹھی اور شافٹ کے درمیان کامل سماکشی سیدھ ناممکن ہے۔ فرض کریں کہ انگوٹھی کی سنکی پن 0.05 ملی میٹر ہے -کم رفتار پر، سینسر اب بھی نتیجے میں ہونے والی فیلڈ کی مسخ کو برداشت کر سکتا ہے۔ تیز رفتاری سے، سینٹری فیوگل فورس اور کمپن سنکیت کو بڑھاتے ہیں، مقناطیسی موج کو بگاڑتے ہیں اور وقتاً فوقتاً مرحلے کے انحراف کا باعث بنتے ہیں۔

اسی طرح، رِنگ اینڈ فیس کا رن آؤٹ، ایکسیل پلے، اور ناقص ڈائنامک بیلنس تیز رفتاری سے اضافی ہائی فریکوئنسی ڈسٹربنس متعارف کراتے ہیں۔

2. سینسر کے ردعمل کی رفتار ناکافی ہے۔

جیسے جیسے رنگ کی رفتار بڑھتی ہے، مقناطیسی میدان کے تغیرات کی تعدد اسی کے مطابق بڑھ جاتی ہے۔ مثال کے طور پر، 10,000 rpm پر 32-پول-پیئر رِنگ کے ساتھ، فیلڈ فریکوئنسی تقریباً 5.3 kHz ہے۔ 30,000 rpm پر، یہ 16 kHz سے زیادہ ہے۔

کامن ہال سینسرز میں صرف دسیوں کلو ہرٹز یا اس سے بھی کم بینڈ وڈتھ ہو سکتی ہے - تیز رفتاری پر، آؤٹ پٹ ایمپلیٹیوڈ کم اور فیز لیگز، جس کے نتیجے میں زاویہ کی خرابیاں ہوتی ہیں۔ یہاں تک کہ اگر سینسر خود تیز ہے، بعد میں فلٹر سرکٹس میں ضرورت سے زیادہ تاخیر بھی مرحلے میں وقفے کا سبب بن سکتی ہے۔

3. مقناطیسی انگوٹھی کے فیلڈ کوالٹی کا انحطاط

تیز رفتاری سے، انگوٹھی کے اندر ایڈی کرنٹ کے نقصانات مقامی حرارت کا سبب بنتے ہیں۔ جیسے جیسے درجہ حرارت بڑھتا ہے، بقایا اور جبر میں تبدیلی آتی ہے، میدان کی طاقت کو کم کرتی ہے اور موج کی شکل کو مسخ کرتی ہے۔

اس کے علاوہ، غیر یکساں میگنیٹائزیشن، کھمبوں کے درمیان حد سے زیادہ وسیع ٹرانزیشن زونز، اور قطبی جوڑے کے نمبروں کا غلط انتخاب، یہ سب مقناطیسی میدان میں ہارمونک مواد کو تیز رفتاری سے بڑھاتے ہیں، جس سے مرحلے کے حساب کتاب کی غلطیاں بڑھ جاتی ہیں۔

4. برقی مقناطیسی مداخلت اور سگنل کی سالمیت

تیز رفتاری پر، موٹر وائنڈنگز، شافٹ کرنٹ، اور قریبی ہائی پاور لائنوں میں ہائی فریکوئنسی PWM کرنٹ مداخلت پیدا کرتے ہیں۔ سینسر کے کمزور آؤٹ پٹ سگنلز، جو ایک بار آلودہ ہو جاتے ہیں، صفر کراسنگ کا پتہ لگانے یا فیز کیلکولیشن میں گڑبڑ اور غلطی کا باعث بنتے ہیں۔

III ٹربل شوٹنگ کی حکمت عملی: مکینیکل، الیکٹریکل اور الگورتھمک اپروچز

مندرجہ بالا وجوہات کو حل کرنے کے لیے، تین سطحوں پر اصلاحی اقدامات کیے جا سکتے ہیں:  مکینیکل تنصیب، سینسر اور سگنل چین، اور الگورتھم معاوضہ۔.

1. مکینیکل لیول -پہلے ایک ٹھوس بنیاد رکھیں

بہت سے مرحلے کے انحراف کے مسائل الیکٹرانکس سے نہیں بلکہ مکینیکل تنصیب سے پیدا ہوتے ہیں۔

(1) سختی سے سماکشیی اور اختتامی چہرے کے رن آؤٹ کو کنٹرول کریں۔

مقناطیسی انگوٹھی لگانے کے بعد، سماکشی کو  0.03–0.05 ملی میٹر کے اندر رکھا جانا چاہیے ، اور اختتامی چہرے کا رن آؤٹ  0.02 ملی میٹر کے اندر ہونا چاہیے ۔ پوزیشننگ کے لیے سکڑ فٹنگ، چپکنے والی بانڈنگ، یا مخصوص فکسچر کا استعمال کریں، اور ہتھوڑے سے گریز کریں جو انگوٹھی کو جھکا سکتا ہے۔

(2) متحرک توازن انجام دیں۔

اگرچہ رنگ ہلکا پھلکا ہے، لیکن تیز رفتاری پر سینٹرفیوگل فورس نہ ہونے کے برابر نہیں ہے۔ تنصیب کے بعد، وائبریشن کی وجہ سے سگنل کی خرابیوں کو کم کرنے کے لیے مجموعی طور پر متحرک توازن قائم کریں۔

(3) مقناطیسی انگوٹی پر محوری قوتوں سے بچیں۔

اگر انگوٹھی موٹر اینڈ کور یا بیرنگ کے قریب ہے تو تیز رفتاری سے تھرمل توسیع محوری نقل مکانی کا سبب بن سکتی ہے۔ ڈیزائن میں مناسب محوری کلیئرنس محفوظ کریں، یا ایک لچکدار پری لوڈ ڈھانچہ اپنائیں.

2. الیکٹریکل اور سگنل چین -سگنلز کو صاف اور بروقت رکھیں

(1) صحیح سینسر کی قسم کا انتخاب کریں۔

تیز رفتار ایپلی کیشنز کے لیے،  TMR یا GMR سینسرز کو ترجیح دیں ، کیونکہ ان کی بینڈوتھ عام طور پر سینکڑوں کلو ہرٹز یا یہاں تک کہ میگاہرٹز تک پہنچ جاتی ہے - عام ہال سینسر سے کہیں زیادہ۔ یہ بھی یقینی بنائیں کہ سینسر کی مقناطیسی حساسیت اور سنترپتی فیلڈ انگوٹھی کی خصوصیات سے مماثل ہے۔

(2) تفریق سگنل آؤٹ پٹ کا استعمال کریں۔

تفریق آؤٹ پٹ کامن موڈ کی مداخلت کو دباتا ہے اور سگنل کی سالمیت کو بہتر بناتا ہے۔ اگر سینسر صرف سنگل اینڈڈ آؤٹ پٹ فراہم کرتا ہے تو سامنے والے سرے پر ایک ڈیفرینشل ایمپلیفائر اسٹیج شامل کریں۔

(3) فلٹر کی تاخیر کو کم کریں۔

RC فلٹرز اور ڈیجیٹل فلٹرز مرحلے میں تاخیر کو متعارف کراتے ہیں۔ تیز رفتار ایپلی کیشنز میں، فلٹر کٹ آف فریکوئنسی کو کافی زیادہ سیٹ کریں، یا  کم تاخیر والے، لکیری فیز  فلٹرز استعمال کریں۔ ہائی فریکوینسی شور کے لیے جسے واقعی ہٹانے کی ضرورت ہے، خام سگنلز کو زیادہ فلٹر کرنے کے بجائے زاویہ کے حساب کتاب کے بعد ہموار کرنے پر غور کریں۔

(4) انگوٹی اور سینسر کے درمیان ہوا کے فرق کو بہتر بنائیں

ضرورت سے زیادہ ہوا کا فرق سگنل کے طول و عرض کو کم کرتا ہے۔ بہت چھوٹا خلا تیز رفتاری سے کمپن کی وجہ سے رگڑنے کا خطرہ ہے۔ عام طور پر کا ہوا کا فرق منتخب کریں ، اور تجرباتی طور پر زیادہ سے زیادہ قدر کا تعین کریں۔ 0.3–1.0 ملی میٹر  انگوٹھی کی خصوصیات اور سینسر کی حساسیت کی بنیاد پر

(5) مناسب شیلڈنگ اور گراؤنڈنگ کو لاگو کریں۔

سینسر کی وائرنگ کے لیے شیلڈ بٹی ہوئی جوڑی والی کیبلز کا استعمال کریں، شیلڈ کو ایک ہی نقطہ پر گراؤنڈ کریں، اور کیبل کو موٹر پاور لائنوں اور ہائی کرنٹ ٹریس سے دور رکھیں تاکہ برقی مقناطیسی جوڑے کو کم کیا جا سکے۔

3. الگورتھم کی سطح - 'ہارڈ ویئر' کی کمیوں کو پورا کرنے کے لیے 'سافٹ ویئر' کا استعمال کریں

ہارڈویئر میں بہتری کے بعد، الگورتھم کے ذریعے بقایا انحراف کو مزید درست کیا جا سکتا ہے۔

(1) آف لائن انشانکن اور تلاش ٹیبل معاوضہ

کم رفتار، مستحکم حالت کے تحت، مقناطیسی انکوڈر کی مکمل دائرہ کیلیبریشن کرنے، ہر پوزیشن پر انحراف کو ریکارڈ کرنے، اور معاوضے کی میز بنانے کے لیے ایک اعلیٰ درست حوالہ انکوڈر (مثال کے طور پر، آپٹیکل انکوڈر) کا استعمال کریں۔ اصل آپریشن کے دوران، موجودہ پوزیشن کی بنیاد پر اصلاح کو دیکھیں۔

یہ طریقہ مؤثر طریقے سے متواتر مرحلے کے انحراف کو ختم کرتا ہے، لیکن تیز رفتاری سے ظاہر ہونے والے اضافی متحرک انحراف پر اس کا اثر محدود ہے۔

(2) متحرک مرحلے کا معاوضہ

اگر انحراف بنیادی طور پر سگنل چین میں ایک مقررہ تاخیر سے پیدا ہوتا ہے، تو زاویہ کی تاخیر کا حساب اس طرح کریں:

جہاں  w  کونیی رفتار ہے اور t _d کل نظام کی تاخیر ہے۔ اس معاوضے کو آؤٹ پٹ زاویہ پر آگے بڑھائیں، جو ایک مخصوص رفتار کی حد کے اندر تیز رفتار درستگی کو نمایاں طور پر بہتر بنا سکتا ہے۔

(3) انکولی فلٹرنگ اور مبصرین

تیز رفتاری سے بے ترتیب جھنجھٹ کے لیے، کلمن فلٹرز، سلائیڈنگ موڈ مبصرین، یا انکوڈر اینگل کو موٹر ماڈل کے ساتھ فیوز کرنے کے لیے استعمال کریں، حقیقی زاویہ سگنل کو محفوظ رکھتے ہوئے ہائی فریکوئنسی شور کو دباتے ہوئے

(4) درجہ حرارت کا معاوضہ

ریماننس میں درجہ حرارت کی حوصلہ افزائی تبدیلیاں سگنل کے طول و عرض کو متاثر کرتی ہیں۔ درجہ حرارت کے طول و عرض/مرحلے کے معاوضے کا ماڈل قائم کرنے کے لیے انکوڈر کے قریب درجہ حرارت کا سینسر رکھیں اور ریئل ٹائم اصلاح کا اطلاق کریں۔

چہارم مختصر ٹربل شوٹنگ کیس اسٹڈی

ایک سروو موٹر نے 15,000 rpm پر اپنے مقناطیسی انکوڈر سے تقریباً 3.5° کے متواتر مرحلے کے انحراف کی نمائش کی، جس سے کرنٹ-لوپ آسکیلیشن ہوتا ہے۔ ٹیم نے ان اقدامات پر عمل کیا:

1. مکینیکل معائنہ : انگوٹھی کی ہم آہنگی 0.08 ملی میٹر پائی گئی۔ دوبارہ تنصیب کے بعد یہ 0.03 ملی میٹر تک کم ہو گیا، اور انحراف 2.1° تک گر گیا۔

2. سینسر کی تبدیلی : معیاری ہال سینسر کو ایک اعلی بینڈوتھ TMR ڈفرنشل سینسر سے تبدیل کیا گیا، اور فلٹر کٹ آف فریکوئنسی کو 20 kHz سے بڑھا کر 100 kHz کر دیا گیا - انحراف کو مزید کم کر کے 0.9° کر دیا گیا۔

3. الگورتھم معاوضہ : فکسڈ ڈیلے فیڈ فارورڈ معاوضہ شامل کیا گیا، اس کے بعد ٹیسٹ بینچ پر فل سرکل آف لائن کیلیبریشن۔ حتمی تیز رفتار مرحلے کے انحراف کو  0.3° کے اندر کنٹرول کیا گیا ، کنٹرول کی ضروریات کو پورا کیا۔

یہ کیس واضح کرتا ہے کہ  ایک ہی پیمائش اکثر مسئلے کے صرف ایک حصے کو حل کرتی ہے - مکینیکل، الیکٹریکل اور الگورتھمک بہتری کا مجموعہ بہترین نتائج دیتا ہے۔.

نتیجہ

تیز رفتاری سے روبوٹ مقناطیسی انکوڈر سینسر میں مقناطیسی انگوٹھی کا مرحلہ انحراف فطری طور پر ایک کثیر الجہتی مسئلہ ہے۔ مکینیکل انسٹالیشن کی خرابیاں، ناکافی سینسر بینڈوڈتھ، سگنل میں تاخیر، انحطاطی مقناطیسی فیلڈ کوالٹی، اور برقی مقناطیسی مداخلت سب کو تیز رفتاری سے بڑھا دیا جاتا ہے۔

خرابیوں کا سراغ لگاتے وقت، ترتیب کی پیروی کریں:  پہلے میکانکس، پھر الیکٹریکل، پھر الگورتھم :

·  سب سے پہلے، اس بات کو یقینی بنائیں کہ ہم آہنگی، متحرک توازن، اور ہوا کا فرق مضبوطی سے قائم ہے۔

·  پھر صاف، کم تاخیر والے سگنلز کی ضمانت کے لیے سینسر کے انتخاب اور سگنل چین کو بہتر بنائیں۔

·  آخر میں، بقایا غلطیوں کو 'فائن ٹیون' کرنے کے لیے انشانکن اور معاوضے کے الگورتھم کا استعمال کریں۔

زیادہ تر تیز رفتار ایپلی کیشنز کے لیے، اس طرح کے منظم تدارک کے بعد، مقناطیسی انکوڈر کے فیز انحراف کو قابل قبول حد کے اندر رکھا جا سکتا ہے، جس سے امدادی نظام تیز رفتاری پر بھی مستحکم اور درست رہ سکتا ہے۔