Độ lệch pha của vòng từ quay tốc độ cao đến từ đâu? – Hướng dẫn khắc phục sự cố cho cảm biến mã hóa từ tính Robot

Trong các ứng dụng điều khiển chuyển động hiệu suất cao như động cơ servo, khớp robot và trục điện, từ tính Bộ mã hóa đang trở nên phổ biến do kích thước nhỏ, khả năng chịu dầu, khả năng chịu rung và chi phí thấp. Tuy nhiên, nhiều kỹ sư gặp phải một vấn đề hóc búa trong quá trình thử nghiệm quay tốc độ cao:  góc do bộ mã hóa báo cáo lệch khỏi vị trí thực tế của rôto -a 'độ lệch pha'  ngày càng trầm trọng hơn khi tốc độ ngày càng tăng. Ở tốc độ thấp, nó có thể chỉ gây ra gợn sóng tốc độ nhẹ và tăng tiếng ồn, nhưng ở tốc độ cao, nó có thể dẫn đến mất ổn định điều khiển.

I. Cảm biến bộ mã hóa từ tính của Robot 'Nhìn thấy' góc như thế nào?

Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn cấu trúc cơ bản của bộ mã hóa từ tính.

Một bộ mã hóa từ điển điển hình bao gồm ba phần:

1. Vòng từ : được gắn trên đầu rôto hoặc phần mở rộng của trục, với nhiều cặp cực (N/S xen kẽ) phân bổ xung quanh chu vi của nó.

2. Cảm biến từ : thường là Hall, AMR, GMR, TMR, v.v., được đặt gần bề mặt vòng để cảm nhận sự thay đổi của từ trường.

3. Mạch xử lý tín hiệu : khuếch đại, điều kiện và nội suy các tín hiệu cảm biến yếu, cuối cùng xuất ra các xung góc hoặc cầu phương.

Khi vòng từ quay, cảm biến sẽ phát hiện những thay đổi định kỳ của từ trường và phát ra các tín hiệu gần như hình sin/hình sin. Bằng cách phân giải pha của hai tín hiệu này sẽ thu được góc rôto.

Lý tưởng nhất là sự phân bố từ trường là hình sin hoàn hảo và đầu ra cảm biến hoàn toàn tương ứng với góc cơ học. Tuy nhiên, khi quay ở tốc độ cao, 'sự tương ứng lý tưởng' này bị gián đoạn bởi nhiều yếu tố và xuất hiện độ lệch pha.

II. Độ lệch pha là gì và tại sao nó trở nên rõ ràng hơn ở tốc độ cao?

Nói một cách đơn giản,  độ lệch pha là sự khác biệt giữa 'góc mà bộ mã hóa cảm nhận được' và 'góc rôto thực sự'.

Ví dụ: nếu rôto thực sự ở 30° nhưng bộ mã hóa xuất ra 32° thì 2° đó là độ lệch pha. Ở tốc độ thấp, độ lệch này có thể chỉ là 0,1° và hầu như không đáng chú ý; nhưng khi tốc độ tăng lên, độ lệch có thể tăng lên vài độ hoặc thậm chí hơn 10 độ, làm giảm đáng kể hiệu suất điều khiển.

Tại sao độ lệch khuếch đại ở tốc độ cao? Những lý do chính như sau.

1. Lỗi cài đặt cơ khí được 'phóng đại'

Việc căn chỉnh đồng trục hoàn hảo giữa vòng từ và trục là không thể. Giả sử vòng có độ lệch tâm 0,05 mm - ở tốc độ thấp, cảm biến vẫn có thể chịu được hiện tượng biến dạng trường gây ra; ở tốc độ cao, lực ly tâm và rung động làm tăng độ lệch tâm, làm méo dạng sóng từ và gây lệch pha định kỳ.

Tương tự như vậy, độ lệch của mặt đầu vòng, độ lệch trục và độ cân bằng động kém gây ra nhiễu tần số cao bổ sung ở tốc độ cao.

2. Tốc độ phản hồi của cảm biến không đủ

Khi tốc độ vòng tăng lên, tần số biến thiên của từ trường cũng tăng theo. Ví dụ, với vòng 32 cặp cực ở tốc độ 10.000 vòng/phút, tần số trường là khoảng 5,3 kHz; ở tốc độ 30.000 vòng/phút, nó vượt quá 16 kHz.

Cảm biến Common Hall có thể có băng thông chỉ hàng chục kHz hoặc thậm chí thấp hơn - ở tốc độ cao, biên độ đầu ra bị suy giảm và độ trễ pha, dẫn đến lỗi góc. Ngay cả khi bản thân cảm biến hoạt động nhanh, độ trễ quá mức trong các mạch lọc tiếp theo cũng có thể gây ra độ trễ pha.

3. Suy giảm chất lượng từ trường của vòng từ

Ở tốc độ cao, tổn thất dòng điện xoáy bên trong vòng gây ra hiện tượng nóng cục bộ. Khi nhiệt độ tăng lên, dư lượng và lực kháng từ thay đổi, làm giảm cường độ trường và làm méo dạng sóng.

Ngoài ra, từ hóa không đồng đều, vùng chuyển tiếp quá rộng giữa các cực và việc lựa chọn số cặp cực không đúng đều làm tăng hàm lượng sóng hài trong từ trường ở tốc độ cao, làm tăng sai số tính pha.

4. Nhiễu điện từ và tính toàn vẹn của tín hiệu

Ở tốc độ cao, dòng điện xung tần số cao trong cuộn dây động cơ, dòng điện trục và các đường dây công suất cao gần đó tạo ra nhiễu. Các tín hiệu đầu ra yếu của cảm biến, một khi bị nhiễm bẩn, sẽ gây ra hiện tượng giật và lỗi khi phát hiện giao điểm 0 hoặc tính toán pha.

III. Chiến lược khắc phục sự cố: Các phương pháp tiếp cận cơ, điện và thuật toán

Để giải quyết các nguyên nhân trên, các hành động khắc phục có thể được thực hiện ở ba cấp độ:  lắp đặt cơ khí, chuỗi cảm biến và tín hiệu cũng như bù thuật toán..

1. Trình độ cơ khí - đặt nền móng vững chắc trước tiên

Nhiều vấn đề lệch pha không bắt nguồn từ thiết bị điện tử mà từ việc lắp đặt cơ khí.

(1) Kiểm soát chặt chẽ độ đồng trục và độ đảo mặt cuối

Sau khi lắp vòng từ, độ đồng trục phải được giữ trong khoảng  0,03–0,05 mm và độ đảo mặt cuối trong khoảng  0,02 mm . Sử dụng khớp nối co ngót, liên kết dính hoặc các thiết bị cố định chuyên dụng để định vị và tránh dùng búa có thể làm nghiêng vòng.

(2) Thực hiện cân bằng động

Mặc dù vòng có trọng lượng nhẹ nhưng lực ly tâm ở tốc độ cao không phải là không đáng kể. Sau khi lắp đặt tiến hành cân bằng động tổng thể để giảm thiểu các lỗi tín hiệu do rung động gây ra.

(3) Tránh lực dọc trục lên vòng từ

Nếu vòng gần với nắp đầu động cơ hoặc vòng bi, sự giãn nở nhiệt ở tốc độ cao có thể gây ra dịch chuyển dọc trục. Dành khoảng hở dọc trục thích hợp trong thiết kế hoặc sử dụng cấu trúc tải trước đàn hồi.

2. Chuỗi điện và tín hiệu - giữ tín hiệu sạch sẽ và kịp thời

(1) Chọn loại cảm biến phù hợp

Đối với các ứng dụng tốc độ cao, hãy ưu tiên  cảm biến TMR hoặc GMR vì băng thông của chúng thường đạt tới hàng trăm kHz hoặc thậm chí MHz - cao hơn nhiều so với cảm biến Hall thông thường. Đồng thời đảm bảo độ nhạy từ và trường bão hòa của cảm biến phù hợp với đặc điểm của vòng.

(2) Sử dụng đầu ra tín hiệu vi sai

Đầu ra vi sai ngăn chặn nhiễu ở chế độ chung và cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu. Nếu cảm biến chỉ cung cấp đầu ra một đầu, hãy thêm tầng khuếch đại vi sai ở mặt trước.

(3) Giảm độ trễ của bộ lọc

Bộ lọc RC và bộ lọc kỹ thuật số gây ra độ trễ pha. Trong các ứng dụng tốc độ cao, hãy đặt tần số cắt của bộ lọc đủ cao hoặc sử dụng các bộ lọc  pha tuyến tính có độ trễ thấp  . Đối với nhiễu tần số cao thực sự cần loại bỏ, hãy cân nhắc việc làm mịn sau khi tính toán góc thay vì lọc quá mức các tín hiệu thô.

(4) Tối ưu hóa khe hở không khí giữa vòng và cảm biến

Khe hở không khí quá mức làm giảm biên độ tín hiệu; khe hở quá nhỏ có nguy cơ cọ xát do rung ở tốc độ cao. Thông thường, hãy chọn khe hở không khí từ  0,3–1,0 mm  dựa trên thông số kỹ thuật của vòng và độ nhạy cảm biến, đồng thời xác định giá trị tối ưu bằng thực nghiệm.

(5) Thực hiện che chắn và nối đất phù hợp

Sử dụng cáp xoắn đôi có vỏ bọc để nối dây cảm biến, nối đất tấm chắn tại một điểm duy nhất và giữ cáp cách xa đường dây điện động cơ và dòng điện cao để giảm khả năng ghép điện từ.

3. Cấp độ thuật toán - sử dụng 'phần mềm' để bù đắp cho những thiếu sót về 'phần cứng'

Sau khi cải tiến phần cứng, các sai lệch còn lại có thể được sửa chữa thêm bằng thuật toán.

(1) Hiệu chỉnh ngoại tuyến và bù bảng tra cứu

Trong điều kiện tốc độ thấp, trạng thái ổn định, hãy sử dụng bộ mã hóa tham chiếu có độ chính xác cao (ví dụ: bộ mã hóa quang học) để thực hiện hiệu chỉnh toàn bộ vòng tròn của bộ mã hóa từ tính, ghi lại độ lệch ở từng vị trí và xây dựng bảng bù. Trong quá trình vận hành thực tế, tra cứu sự điều chỉnh dựa trên vị trí hiện tại.

Phương pháp này loại bỏ hiệu quả các độ lệch pha định kỳ, nhưng có tác dụng hạn chế đối với các độ lệch động bổ sung xuất hiện ở tốc độ cao.

(2) Bù pha động

Nếu độ lệch chủ yếu phát sinh từ độ trễ cố định trong chuỗi tín hiệu, hãy tính độ trễ góc bằng cách:

trong đó  w  là vận tốc góc và t _d là tổng độ trễ của hệ thống. Đưa phần bù này chuyển tiếp tới góc đầu ra, điều này có thể cải thiện đáng kể độ chính xác tốc độ cao trong phạm vi tốc độ nhất định.

(3) Lọc thích ứng và quan sát

Đối với hiện tượng biến động ngẫu nhiên ở tốc độ cao, hãy sử dụng bộ lọc Kalman, bộ quan sát chế độ trượt hoặc các phương pháp tương tự để hợp nhất góc bộ mã hóa với mô hình động cơ, triệt tiêu nhiễu tần số cao trong khi vẫn giữ được tín hiệu góc thực.

(4) Bù nhiệt độ

Những thay đổi do nhiệt độ gây ra trong dư lượng ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu. Đặt cảm biến nhiệt độ gần bộ mã hóa để thiết lập mô hình bù biên độ nhiệt độ/pha và áp dụng hiệu chỉnh theo thời gian thực.

IV. Nghiên cứu trường hợp khắc phục sự cố ngắn gọn

Một động cơ servo có độ lệch pha định kỳ khoảng 3,5° so với bộ mã hóa từ tính của nó ở tốc độ 15.000 vòng/phút, gây ra dao động vòng dòng điện. Nhóm đã làm theo các bước sau:

1. Kiểm tra cơ học : Độ đồng trục của vòng được tìm thấy là 0,08 mm; sau khi cài đặt lại, nó giảm xuống còn 0,03 mm và độ lệch giảm xuống 2,1°.

2. Thay thế cảm biến : Cảm biến Hall tiêu chuẩn đã được thay thế bằng cảm biến vi sai TMR băng thông cao hơn và tần số cắt của bộ lọc được tăng từ 20 kHz lên 100 kHz - độ lệch tiếp tục giảm xuống 0,9°.

3. Bù thuật toán : Đã bổ sung tính năng bù chuyển tiếp có độ trễ cố định, sau đó là hiệu chỉnh ngoại tuyến toàn vòng tròn trên băng ghế thử nghiệm. Độ lệch pha tốc độ cao cuối cùng được kiểm soát trong khoảng  0,3° , đáp ứng các yêu cầu điều khiển.

Trường hợp này minh họa rằng  một biện pháp đơn lẻ thường chỉ giải quyết được một phần của vấn đề - sự kết hợp của các cải tiến về cơ, điện và thuật toán mang lại kết quả tốt nhất.

Phần kết luận

Độ lệch pha của vòng từ trong cảm biến bộ mã hóa từ tính của robot ở tốc độ cao vốn là một vấn đề đa yếu tố. Các lỗi cài đặt cơ học, băng thông cảm biến không đủ, độ trễ tín hiệu, chất lượng từ trường suy giảm và nhiễu điện từ đều được khuếch đại ở tốc độ cao.

Khi khắc phục sự cố, hãy làm theo trình tự:  cơ học trước, sau đó là điện, sau đó là thuật toán :

·  Thứ nhất, đảm bảo tính đồng trục, cân bằng động và khe hở không khí được thiết lập vững chắc;

·  Sau đó tối ưu hóa việc lựa chọn cảm biến và chuỗi tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sạch, độ trễ thấp;

·  Cuối cùng, sử dụng các thuật toán hiệu chỉnh và bù để 'tinh chỉnh' các lỗi còn lại.

Đối với hầu hết các ứng dụng tốc độ cao, sau khi khắc phục một cách có hệ thống như vậy, độ lệch pha của bộ mã hóa từ có thể được giữ trong phạm vi chấp nhận được, cho phép hệ thống servo duy trì ổn định và chính xác ngay cả ở tốc độ cao.