Làm thế nào để giải quyết độ lệch góc của đĩa mã từ trong cảm biến bộ mã hóa từ tính của robot?

Trong các ứng dụng điều khiển chuyển động có độ chính xác cao như khớp robot, động cơ servo và gimbal, bộ mã hóa từ tính ngày càng trở thành thiết bị phản hồi vị trí cốt lõi nhờ hoạt động không tiếp xúc, khả năng miễn nhiễm với chất gây ô nhiễm và kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, nhiều kỹ sư gặp phải một vấn đề khó chịu trong thực tế –  lệch góc : góc đọc chậm 'đi chệch hướng' ngay cả khi động cơ đứng yên hoặc độ chính xác giảm đáng kể khi nhiệt độ thay đổi. Độ lệch góc của đĩa mã từ đến từ đâu và chúng ta có thể khắc phục nó như thế nào?

1. Độ lệch góc là gì và nó đến từ đâu?

MỘT Bộ mã hóa từ tính phát hiện từ trường quay của nam châm vĩnh cửu gắn vào trục động cơ, phát ra tín hiệu hình sin/cos có độ lệch pha 90°, sau đó tính toán góc thông qua hàm arctang. Về lý thuyết, đây là một chuỗi đo lường hoàn hảo. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều yếu tố không lý tưởng khác nhau khiến số đo góc lệch khỏi giá trị thực – đây là 'độ lệch góc'.

Tóm lại, độ lệch góc bắt nguồn từ ba khía cạnh chính:

1.1 Lỗi lắp đặt cơ khí

Đây là thủ phạm phổ biến nhất. Độ lệch hướng tâm giữa nam châm và tâm cảm biến của cảm biến (độ lệch tâm), góc giữa trục quay và pháp tuyến của chip (độ nghiêng) và khe hở không khí quá mức hoặc dao động đều trực tiếp làm biến dạng tín hiệu từ trường. Ví dụ: độ lệch tâm 0,3 mm có thể gây ra sai số góc là ±2,1°. Ngoài ra, từ hóa không đồng đều hoặc hình dạng nam châm không đều có thể làm cho trường cảm nhận bị lệch khỏi dạng sóng hình sin lý tưởng.

1.2 Sự thay đổi nhiệt độ môi trường

Đặc tính của cảm biến Hall và mạch xử lý tín hiệu thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, cường độ trường của nam châm giảm, điện áp bù của chip bị lệch và điện áp tham chiếu ADC dao động – những yếu tố này kết hợp với nhau để tạo ra độ lệch nhiệt độ đáng kể trong góc đọc. Các phép đo thực tế cho thấy rằng với chất lượng nam châm khác nhau, độ lệch nhiệt độ điểm 0 có thể xấu đi từ +0,02 °/oC đến +0,15 °/oC.

1.3 Các yếu tố động và nhiễu bên ngoài

Một từ trường giao thoa ngang làm dịch chuyển tâm của hình Lissajous, gây ra sai số ở hầu hết các góc ngoại trừ 0° và 180°. Hơn nữa, độ trễ đáp ứng động trong quá trình vận hành động cơ tốc độ cao và nhiễu tín hiệu từ gợn sóng nguồn điện có thể làm cho số đọc góc bị giật và trở nên không ổn định.

2. Giải pháp: Sự kết hợp giữa phần cứng, hiệu chuẩn và thuật toán

Không có một 'viên đạn ma thuật' nào để giải quyết vấn đề lệch góc. Cần có một cách tiếp cận phối hợp ở ba cấp độ: lắp đặt cơ học, hiệu chỉnh chip và bù thuật toán.

Cấp độ 1: Nền tảng phần cứng vững chắc – Ngăn chặn lỗi tại nguồn

Lắp đặt chính xác là tuyến phòng thủ đầu tiên.  Bộ mã hóa từ tính khá nhạy cảm với dung sai lắp đặt. Nói chung, khe hở không khí phải được giữ trong khoảng từ 1,0 mm đến 3,0 mm (2,0 mm là tối ưu), độ lệch tâm đồng trục 0,05 mm và góc nghiêng 3°. Trong quá trình cài đặt, hãy sử dụng đồng hồ đo quay số hoặc công cụ căn chỉnh bằng laser để hiệu chỉnh. Ngoài ra, hãy giữ bộ mã hóa tránh xa các nguồn gây nhiễu từ tính mạnh như cuộn dây động cơ và bóng bán dẫn điện; nếu cần, hãy thêm tấm chắn từ tính Permalloy.

Lựa chọn nam châm cũng rất quan trọng.  Chọn một nam châm tròn từ hóa hướng trục một cặp có cường độ trường bề mặt trong khoảng từ 300 mT đến 500 mT. Nam châm chất lượng thấp không chỉ có từ trường không đồng đều mà còn có đặc tính nhiệt độ kém, trực tiếp làm trầm trọng thêm tình trạng trôi dạt.

Việc cung cấp điện và thiết kế PCB phải tuân theo thông lệ tốt.  Độ gợn điện phải được kiểm soát trong phạm vi 10 mV và các đường tín hiệu SPI phải ngắn, có độ dài bằng nhau và được định tuyến rõ ràng. Không đặt các vết đổ hoặc vết đồng bên dưới chip để giảm nhiễu điện dung ký sinh với các phần tử cảm biến từ tính.

Cấp độ 2: Tận dụng tối đa hiệu chuẩn chip – Hiện thực hóa độ chính xác của nhà máy trong thực tế

Các chip mã hóa từ tính hiện đại thường kết hợp nhiều giai đoạn hiệu chỉnh, đây là cách trực tiếp nhất để xử lý độ lệch góc.

Hiệu chuẩn tại nhà máy (cấp chip):  Trong quá trình thử nghiệm tấm bán dẫn, nhà sản xuất chip đã thực hiện bù bù DC, hiệu chỉnh mất cân bằng biên độ và sửa lỗi cầu phương, với các tham số được lưu trữ trong EEPROM trên chip. Đây là 'nền tảng' của sự chính xác.

Tự hiệu chỉnh của người dùng (cấp hệ thống):  Sau khi lắp đặt, quay động cơ hết một vòng với tốc độ không đổi. DSP tích hợp thu thập dữ liệu góc trong toàn bộ vòng quay và tự động xác định cũng như bù cho độ lệch tâm của lắp đặt, sự thay đổi khe hở không khí và các lỗi khác. Nhiều chip hỗ trợ kích hoạt bằng một cú nhấp chuột mà không cần máy chủ bên ngoài, điều này rất thân thiện với hoạt động sản xuất.

Bù nhiệt độ động:  Chip theo dõi nhiệt độ trong thời gian thực. Khi nhiệt độ lệch khỏi giá trị hiệu chuẩn, nó sẽ tự động áp dụng hệ số bù nhiệt độ để điều chỉnh góc. Ví dụ: Naxin Micro MT6835 sử dụng hệ thống hiệu chuẩn ba giai đoạn để duy trì độ lệch toàn dải nhiệt độ trong phạm vi ±0,08°.

Cấp độ 3: Bù thuật toán – Cải thiện hơn nữa độ chính xác

Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao hơn nữa, cần phải bù thuật toán bổ sung.

Hiệu chuẩn trực tuyến thích ứng:  Hiệu chuẩn ngoại tuyến truyền thống cố định các tham số bù và không thể thích ứng với độ lệch dài hạn do thay đổi nhiệt độ hoặc lão hóa nam châm. Thuật toán thích ứng dựa trên Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) có thể cập nhật các tham số bù theo thời gian thực, giữ sai số góc trong phạm vi ±0,05° trên toàn phạm vi nhiệt độ (–40oC đến +125oC).

Lọc Kalman để giảm nhiễu:  Đối với nhiễu tần số cao gây ra hiện tượng biến động góc, bộ lọc Kalman sẽ triệt tiêu nhiễu quan sát một cách hiệu quả và cải thiện độ ổn định của đầu ra góc.

Bù mạng nơ-ron:  Một mô hình mạng nơ-ron có thể được xây dựng để phù hợp với các đặc tính lệch nhiệt độ; sau một số lần lặp huấn luyện hạn chế, nó đạt được hiệu chỉnh độ lệch nhiệt độ thích ứng có độ chính xác cao.

3. Hiệu suất trong thế giới thực – Nó có thể đạt được tốt đến mức nào?

Với phương pháp kết hợp 'cài đặt phần cứng + hiệu chỉnh chip + bù thuật toán', bộ mã hóa từ tính hiện đại có thể đạt được độ chính xác cao đáng kể:

• MT6816 đạt được sai số góc tích hợp cấp hệ thống trong phạm vi  ±0,03°.

• MT6835, sau khi hiệu chuẩn, cải thiện Độ phi tuyến tính tích phân (INL) từ ±1° đến  < ±0,07° , với độ lệch nhiệt độ tối đa  < ±0,08°.

• Một số giải pháp cao cấp thậm chí có thể tối ưu hóa INL đến  ±0,03° , đáp ứng độ chính xác ở mức ±0,05° cần thiết cho gimbals và servo.

4. Tóm tắt và triển vọng

Về bản chất, độ lệch góc của đĩa mã từ là kết quả của sự nhiễu loạn chồng chất từ ​​các yếu tố cơ, nhiệt, điện từ và các yếu tố khác lên tín hiệu từ trường. Không có cách chữa trị duy nhất nào cả; giải pháp phải tuân theo nguyên tắc  'phần cứng làm cơ sở, hiệu chỉnh làm trụ cột và thuật toán làm điểm hoàn thiện' :

1. Độ chính xác của việc lắp đặt là nền tảng  – không thể bỏ qua khe hở không khí, độ đồng trục và lựa chọn nam châm.

2. Hiệu chuẩn chip là công cụ chính  - tận dụng tối đa hiệu chuẩn tại nhà máy và tự hiệu chuẩn của người dùng.

3. Bù thuật toán là bước nâng cao  – dành cho các tình huống đòi hỏi khắt khe, hãy giới thiệu tính năng lọc thích ứng và hiệu chỉnh trực tuyến.

Khi khả năng tích hợp chip tiếp tục gia tăng và các thuật toán AI được giới thiệu, các bộ mã hóa từ tính trong tương lai sẽ phát triển theo hướng  'tự cảm nhận, tự hiệu chỉnh và tự bù'  . Khi đó, hiện tượng lệch góc sẽ không còn là vấn đề đau đầu của các kỹ sư, độ chính xác và độ tin cậy của các khớp nối robot sẽ đạt đến tầm cao mới.