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精确定位的关键一高分辨率反馈磁致伸缩位移传感器

发布日期:2021.04.14浏览次数:

具有反馈功能的传感器是闭环流体动力控制系统中的必要组成部分。目前,位置传感器有着较宽的价格与性能选择区间。高分辨率的反馈装置,比如磁致伸缩线性位移传感器(MDT)能够提供接近1μm的分辨率。光栅式增量传感器能够提供几分之一um级别的分辨率。尽管在系统设计中往往不要求达到这样的精确度,但是闭环运动控制的应用中,仍经常用到高分辨率传感器来提供速度和加速度反馈,以实现特确调节和平稳的比例传动。 

磁致伸缩位移传感器的核心包括一条铁磁材料的测量感应元件,一般被称为“波导管”,还有一个可移动的永磁铁。


每当电流脉冲(即“询问脉冲”)由传感器电子头送出并通过波导管时,第二种磁场便由波导管的径向方向制造出来(见图1-1)。

当这两个磁场在波导管相交的瞬间,波导管产生“磁致伸缩”现象,一个应变脉冲即时产生。这个被称为“返回信号”的脉冲以超声的速度从产生点(即位移测量点)运行回传感器电子头,这样位移就被检测出来了。

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图1-1磁致伸缩位移传感器工作原理
 
在设计运动控制系统时,通常认为只要提供比应用程序所需的位置分辨率稍高点的分辨率即可。这种想法对于一此相对简单的应用可能是正确的,比如连续的或者单纯启停的动作。但是在动态条件下,这种想法不适用。在需要精确的运动速度或加速度数据来进行控制运算的场合,对高分辨率传感器的要求也越来越高。 在比例传动应用中,主动轴的反馈必须有尽可能高的分辨率与精确度,才能使从动轴平稳地跟随它的运动轨迹。运动极为缓慢的机器同样需要高分辨率的位置反馈,以便运动控制器在执行每个控制循环刷新时间内都能监测到位置的变化,从而使控制算法可以判断传动轴是否真的在按照预期运动。另外,如果机器需要迅速加速,或者严格依赖于执行机构的速度,那么从传感器发送位置数据到运动控制器读取数据之间的任何延时都可能引如误差。传感器在转换数据(如SSI)时,必须保证数据转换的快速性和一致性。

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分辨率与速率误差 
为了证实控制动态系统性能的重要性,假设控制器的控制循环刷新时间为0.001 sec,同时反馈装置能够对每0.001inch的距离变化,提供一个整数的位置计数。控制器通过两次位置反馈读数之差和两次读数的间隔时间就能计算出速度,那么在第n次的速度计算如下: V。= (P。- P-) : 0.001 通过这些数字可以发现,速度是以inch/sec为单位的整数。如果机始终以恒定的整 数速度值运动当然很好,但是,如果控制加速和减速的逐渐变化是一个重要因素的话,那怎么办?如果需要将速度控制在非整数的0.5 inch/ se时又怎么办?在这些情况下,即使实际误差可能为零,反馈将总是显示有速度误差。对于没有足够位置分辨率的缓慢运动的系统,控制器数据的循环刷新速度也许比位置反馈的变化快得太多,使控制回路甚至检测不到两次循环刷新之间的位置变化,而计算出速度为零的错误结果。 上述的速度误差是由于位置反馈被量化(位置的读取在离散的循环时间间隔下进行),而不是连续值所造成的。下面两张图显示了在计算实际速度时,有多少误差是由于这种量化误差所引起的。

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图3-1-1.理想运动系统中的高分辨率位置和速度曲线

图3-1-2显示了将位置圆整到0.001inch去模拟分辨率为0.001inch的反馈装置的效果。比较这两个图,它们的位置点的不同并不明显。如果机器只需要维持一. 个稳定的位置,那么将分辨率降到0.001 inch也许就可以满足这一点。但是从第二张图上很容易发现,因为量化和位置分辨率的降低,派生的速度曲线变得非常粗糙这在实际操作环境中,会对电子传动和使用微分增益维持稳定的控制系统的可重复性带来麻烦,因为准确的速度计算对这样系统来说至关重要。微分增益(D)常在PID控制系统中使用,因为其电子阻尼作用能够使系统更加的稳定。微分增益可以用来减小系统目标位置变化速率(目标速度)与实际位置变化速率(实际速度)之间的误差。微分增益在控制系统中往往未被充分利用,因为它被认为有“噪音”干扰。这种“噪音”通常是由低分辨率的反馈信号引起的,所以使用高分辨率的反馈装置能够降低“噪音”干扰。

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图3-1-2.速度曲线显示模拟反馈装置的分辨率被四舍五入到最接近0.001英寸位置时的的效果

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图3-1-3. 0.001inch分辨率提供了一个平滑的模拟反馈控制输出

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图3-1-4.把模拟反馈分辨率减少到0.01inch时出现了控制输出的噪音和阶跃变化

 

图3-1-3、图3-1-4 两张图显示了两个其它条件完全一样、 仅仅反馈装置分辨率不同的闲环系统曲线之间的差异。图3-1-3显示了模拟001 inch反馈分辨率下的曲线。可以注意到,控制器输出信号(绿线) 是相对平滑的。图3-1-4是具有完全相同的运动序列和控制回路增益的曲线,但是反馈分辨率降低到0.01inch.这时我们注意到控制输出信号有更大的跃变,而且看起来有“噪音”干扰。这种“噪音”不会给模拟结果造成太大的影响,但在实际系统当中,假如每次扫描的输出电压变化1至2V,系统会变得不可控制。这种看起来有“噪音”的输出,是由于微分环节使用了低分辨率的反馈,所以只能对带“噪音”的速度进行计算。
过滤

系统中加入过滤,能够帮助去除电子噪声干扰和量化误差。但这里有个权衡,增加过滤会成比例地根据速率变化对系统造成延迟,这就是所谓的相位滞后,它会降低系统的可控性。为了使驱动从动装置的目标输出变得平滑,可以在主反溃装置部分增加过滤,但缺点是在主反馈的速度发生变化时会引人跟随误差。

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分辨率与电子比例传动运用

另一个要求应用高分辨率的领域就是电子比例传动系统。控制器生成的运动曲线和轨迹,能控制单个或多个从动轴,让它们跟随着来自于主编码器或主反馈装置的位置和速度信号运动。如果主反馈装置的分辨率低,那么所产生的旨在让从动轴来跟踪的运动曲线分辨率也会很低,而且不平滑。当主反馈信号不平滑时,从动轴可能无法使用前馈增益或微分增益,从而导致从动部分的动态响应受到限制,或不能确切地跟随主编码器或主反馈装置的信号曲线来运动。

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结论 

高分辨率的位置反馈装置应该用F低速或者需要迅速加速或减速的情况,以及需要电子阻尼的执行器的运动控制中( 不仅仅是用PID挖制中的比例环节P)。另外,高分辨本的反馈同样可以用于主/从传动或者电子式凸轮的应用,这些应用需要主反馈为从动装置提供平滑的运动曲线。所幸的是,现今市场上很多传感器都能够提供达到1um的位置分辨率,这使得控制器能够实现更快、更平稳的机械动作控制。



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