i
Positionsbestämning av en
roterande axel i en vinkelgivare
Position determination of a rotating axis in an angle sensor
Bahman Jahan Frough
K T H R O Y AL I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y
I N F O R M A T I O N A N D C O M M U N I C A T I O N T E C H N O L O G Y
ii
iii
Abstract
This thesis includes a study of a touch-free sensor systems and different principles for measuring a magnetic field. An in-depth study was conducted to describe two important principles in these contexts, i.e. Magnetoresistance principle and the Hall Effect principle. A market evaluation of different sensor chips developed on these principles was conducted.
Furthermore, the study should be linked to existing principles to determine the position of a rotating axis.
Function tests show that the performance requirement for each component was met. The results based on verification tests show that it is important to have a better mechanical connection between drive and device. Temperature tests show that the system meets the project specification at room temperature, but large angular deviations occur in temperature change, especially when driving with short steps.
This thesis can be continued by reprogramming the source code and developing new software that can control more parameters and make it more accurate at positioning.
Another recommendation would be to investigate and compare other sensor chips because there are several sensors that can apply to the system. Further improvements can be made by performing more tests on the system.
Keywords
Position, sensor, Hall Effect, magnetoresistance.
iv
v
Sammanfattning
Examensarbetet innefattar en studie om beröringsfritt givarsystem och olika principer för att mäta ett magnetfält. En fördjupad litteraturstudie utfördes för att förklara två viktiga
principer i dessa sammanhang d.v.s. magnetoresistiva principen och hallgivarprincipen. En marknadsutvärdering av olika sensor-chip som utvecklats enligt dessa principer
genomfördes.
Vidare ska studien kopplas till kända principer för att bestämma positionen för en roterande axel.
Funktionstester visar att prestandakravet för varje komponent uppfylldes. Resultaten baserade på verifieringstester visar att det är viktigt att ha en bättre mekanisk koppling mellan drivdon och enhet. Temperaturtester visar att systemet uppfyller projektets kravspecifikation vid rumstemperaturen men det uppkommer stora vinkelavvikelser vid temperaturförändring framför allt vid körning med korta steg.
Detta arbete kan fortsättas genom omprogrammering av källkoden och utveckling av ny programvara som kan styra fler parametrar och göra det mer exakt vid positionsbestämning.
En annan rekommendation skulle vara att undersöka och jämföra andra sensorchip eftersom det finns flera sensorer som kan tillämpa i systemet. Ytterligare förbättringar kan göras genom att utföra fler tester på systemet.
Nyckelord
Position, sensor, hall effekt, magnetoresistive.
vi
vii
Förord
Detta examensarbete har utförts under våren 2017 på Allied Motion Stockholm AB.
Rapporten är det avslutande momentet på mina studier till högskoleingenjör inom elektronik och datorteknik.
Jag skulle vilja tacka min handledare och min programansvariga Bengt Molin på KTH, jag har lärt mig mycket under studenttiden.
Vidare skulle jag också vilja tacka Allied Motion för att ha startat ett mycket intressant projekt och låtit mig ta del av det.
viii
ix
Innehållsförteckning
Positionsbestämning av en roterande axel i en vinkelgivare ... i
Abstract ... iii
Sammanfattning ... v
Förord ... vii
Innehållsförteckning ... ix
Förkortningar ... xi
1. Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problem ... 1
1.3 Syfte ... 2
1.4 Mål ... 2
1.4.1 Etik och hållbarhet ... 2
1.5 Metod ... 2
1.6 Avgränsningar ... 3
1.7 Disposition ... 3
2. Teoribakgrund ... 5
2.1 DC-motor ... 5
2.2 Borstlös likströmsmotor (BLDC) ... 5
2.3 Givarlös eller med givare drivsystem ... 6
2.4 Magnetisk avkänningsteknologi ... 7
2.4.1 Halleffektmetoden ... 7
2.4.2 MagnetoResistivametoden (MR) ... 8
2.4.3 Vinkelmätning med MR-teknik ... 9
2.5 Wheatstone brygga ... 10
2.6 Rotationsposition eller vinkelläge ... 11
2.6.1 ON-AXIS applikation ... 11
2.6.2 OFF-AXIS applikation ... 11
2.7 Multipolär magnet ... 12
3. Metod ... 15
3.1 Litteraturstudie... 15
3.2 Marknadsutvärdering ... 15
3.3 Urval av sensor-chip ... 15
3.4 Primära Testfaser ... 16
3.4.1 Funktionstest ... 16
3.4.1.1 Sensortest ... 17
x
3.4.1.2 Avläsning av position eller vinkel ... 18
3.5 Positionsberäkning ... 19
3.6 Verifieringstest ... 19
3.7 Temperaturberoendet... 20
3.8 Test av befintlig produkt ... 20
4. Utförande ... 21
4.1 Sensorval ... 21
4.1.1 Sensorfunktionalitet ... 21
4.1.2 Sensor vinkelmätningsområde ... 23
4.1.3 Sensorns inbyggda vinkelavvikelser ... 24
4.2 Hållbarhet ... 25
4.3 Utrustning och installation ... 26
4.3.1 Motor och styrenhet ... 26
4.3.2 Utvecklingsmiljö ... 27
4.3.3 PC Användarinterface ... 28
5. Resultat och Analys ... 29
5.1 Utsignaler från två sensorer ... 29
5.2 Testresultat utan metallplåt... 31
5.3 Testresultat med metallplåt ... 32
5.4 Testresultat med metallplåt och delbarkoppling ... 34
5.5 Testresultat när 360 grader plåt används ... 36
5.6 Temperaturberoendet... 37
5.6.1 Testresultat vid temperaturen -35°C ... 37
5.6.2 Testresultat vid temperaturen 70°C ... 39
6. Sammanfattning ... 42
6.1 Framtida arbete ... 43
Referenser ... 45
Bilaga A ... 47
xi
Förkortningar
ADC Analog till Digital omvandlare AMR Anisotrop MagnetoResistance BLDC Borstlös Likströmsmotor EMC ElectroMagnetic Compatibility EMK
EPS
ElektroMotorisk Kraft Electronic Power Steering IC Integrerad krets
MR MagnetoResistive PCB
PTAT RoHS TC
Printed-Circuit Board
Proportional To Absolute Temperature Restriction of Hazardous Substances Temperature Coefficient
xii
1
1. Introduktion
Beröringsfritt eller borstlöst drivsystem för likströmsmotorer är ett område som har vuxit och skapat större intresse under det senaste decenniet. Det finns en växande efterfrågan på mekatroniska rörelsesystem i industriella områden och antalet mekatroniska ställdons tillämpningar ökar kraftig. Denna utveckling ställer nya krav på den teknik som används för att mäta linjär och rotationsrörelse, position, hastighet etc. inte bara när det gäller industriell automation, men även inom fordons- och flygsektorn.
Examensarbetet fokuserar på utveckling av ett styrsystem på företaget Allied Motion där positionen av en roterande axel skall bestämmas.
1.1 Bakgrund
I ett borstlöst motorsystem kan positionen av en rotor detekteras med hjälp av
magnetpolerna hos en ringmagnet som är direkt kopplad till axeln på rotorn. Tillsammans med axeln roterar ringmagnetens poler, där kan vinkel av axeln bestämmas med två eller flera givare. Som svar på den detekterade positionen, är drivsteget i återkopplingsenheten såsom transistorer eller liknande slås på och av för att kontinuerligt generera vridmoment i motorn.
Det finns ett antal olika varianter för positionsbestämning, det vanligaste sättet är att använda en halleffektgivare för att registrera ett magnetfält när detta passerar givaren. Ett annat sätt är att använda en magnetoresistiv givare, i en sådan givare ändras resistansen proportionellt mot magnetfältet.
1.2 Problem
Utveckla en produkt där positionen av en roterande axel ska bestämmas med hjälp av en sensorer-chip. Sensor-chipet kan vara av olika typer bland annat magnetoresistivgivare, halleffektgivare, optikpulsgivare etc.
2
1.3 Syfte
Syftet med detta arbete är att enligt följande:
• Undersöka vilka principer som finns för att mäta ett magnetfält och avgöra vilken som är mest lämpad för att avkänna magnetfältet bakom en aluminiumvägg.
• Utvärdera och undersöka befintliga sensor-chip på marknaden.
• Undersöka och testa prestationsförmågan hos sensor-chipet, bland annat absolut och relativnoggrannhet, mätnoggrannheten, temperaturberoendet etc.
• Utvärdera om sensor-chipet är kvalificerad enligt projektets kravspecifikation.
• Utvärdera vinkeldifferens mellan två sensorer för att se avvikelser gentemot varandra.
1.4 Mål
Målet för arbetet är att undersöka möjligheten att ersätta nuvarande system för
positionsläsning på ett magnetfält. Detta innebär att finna ett/flera sensor chip som är lämpad för produkten, samt utvärdera detta/dessa chip gentemot projektets
kravspecifikation.
1.4.1 Etik och hållbarhet
Det finns inga etiska frågeställningar som är relevanta för detta arbete men utveckling av hårdvara ska genomföras med hänsyn till miljömässig hållbarheten och samhällsnytta detta genom att öka livslängden för produkten, minimera energiförbrukningen samt välja material som inte innehåller farliga ämnen. Ytterligare en aspekt är att öka säkerhet för produkten genom att tillämpa två sensorchip för indata.
1.5 Metod
Examensarbetet har delats in i två delar. Inledningsvis ska en litteraturstudie om olika principer för att mäta ett magnetfält utföras. Vidare ska studien fördjupas i vilka principer som finns för att bestämma positionen för en roterande axel.
För att lösa ovannämnda problemen kommer en marknadsutvärdering om de befintliga sensor-chip för ett beröringsfritt system genomföras.
Av de undersökta sensor-chip ska ett chip väljas baserad på dess prestationsförmåga med avseende på mätnoggrannhet, temperaturberoendet, etc. Detta chip ska testas och
utvärderas i labbmiljö.
3
1.6 Avgränsningar
I denna uppsats fokuseras huvudsakligen på positionsbestämning och övriga metoder omnämns enbart teoretiskt.
Motorstyrningsprinciper kommer inte att täckas i arbetet, istället kommer en undersökning och utvärdering av olika principer som finns för att mäta ett multipolärt magnetfält
genomföras.
Det kommer inte att finnas någon kodning av programvara. Prestationsförmåga för chipet ska testas endast för att bestämma vinkelavvikelse.
1.7 Disposition
Detta dokument skall verifiera att den utvecklade hårdvaran faktiskt fungerar som önskat och uppfyller produktens krav och design. Rapporten inleds med en kort litteraturstudie om elmotorer framför allt då trefas borstlösa DC motorer (BLDC), olika metoder för att mätta ett magnetfält eftersom det är grundsatsen för att utföra examensarbetet. Detta följs av en fördjupning i olika positionsbestämning metoder i ett beröringsfritt system.
Dokumentet skall ge en översiktlig bild över hur testning har skett under projektets förutsättningar och även förklara hur detta har genomförts.
Om produkten vidareutvecklas i ett senare projekt ska testansvarig med hjälp av detta dokument kunna få en överblick i hur produkten har testats och även hur denne kan arbeta vidare med tester på ett likartat sätt.
I bilaga A finns en lista över utvärderade sensorer.
4
5
2. Teoribakgrund
Idag finns det flera trender som förändrar de tekniska och kommersiella kraven för både ställdon och givare i ett motorsystem. Ett antal av dessa krav kan beskrivas som
a) Högre noggrannhet b) Ökad effektivitet
c) Ökad styrning med återkoppling d) Mer krävande driftsmiljöer e) Kostnadsoptimerad
Detta kapitel består av en genomgång av motorstyrning och en inblick till olika magnetkänsliga givare som ligger till grund för det fortsatta arbetet.
2.1 DC-motor
Elmotorer kan delas in i ett antal kategorier, men den vanligaste el-motorn är en permanentmagnetiserad (PM) DC-motor som består av en stator med två eller flera permanentmagneter och en lindad rotor. Rotor är försedd med ett antal kollektorer (kommutator) till vilken strömmen överförs via kolborstar. Det är kommutatorn som är i kontakt med borstarna och levererar strömmen från borstarna till rotorlindningar (spolar) [1].
När strömmen går genom dessa spolar genereras ett magnetfält runt dem och varje spole blir en elektromagnet. Dessa elektromagneter attraherar eller repellerar polerna hos den
omgivande permanentmagneten. Eftersom permanentmagneten inte kan röra sig, kommer rotorn att rotera och i kontakt med borstarna vänder strömriktningen i rotorlindningar.
Detta förändrar polariteten hos elektromagneten och läget för de magnetiska fälten [1].
2.2 Borstlös likströmsmotor (BLDC)
Konstruktionen i en borstlös likströmsmotor (BLDC) är omvänd jämför med PM-motorer.
En borstlös motor består av en lindad stator och permanentmagneter placeras på rotor. En elektronisk kommutering kontrollerar strömriktning genom lindningarna. Antalet
faslindningar kan varieras men 3-stycken är vanligast, då en avpassning mellan funktion och komplexitet måste göras [1].
Vridmomentet skapas genom att likströmmen växelvis omkopplas på faslindningarna som producerar magnetiska flöde i ett synkroniserat sätt. Det magnetiska flödet ger ett
vridmoment på motorn som orsakar rotationsrörelsen.
6
I syfte att säkerställa att strömmen matas på korrekt fas, används avkänningsmekanismer för att ge information om positionen av rotorn. Denna information erhålls genom olika positionsbestämning system såsom hallgivare, optiska givare eller resolver.
Resolver består av en stator med lindningar i tre faser och en lindad rotor som ger en vinkel uttryckt i en sinus- och en cosinusvåg. Med hjälp av signalbehandling kan fasvinkeln mellan sinus- och cosinussignalerna mätas och rotorns vinkelläge beräknas [1].
Dessa olika system ger inte en absolut position, men tillräckligt med information för att veta den relativa positionen för rotorn i en elektrisk period. Därför är det möjligt att använda dessa mekanismer för att aktivera motorn på ett sådant sätt att den börjar rotera i den korrekta riktningen.
Den borstlösa motorn är försedd med givare för återkoppling av hastighet, position etc. Figur 1 visar grundläggande begrepp inom motorstyrsystem med återkoppling [1].
Figur 1. Grundläggande begrepp inom motorstyrsystem med återkoppling [1].
2.3 Givarlös eller med givare drivsystem
Med givare (eng. sensor) menar man ett mätinstrument som omvandlar en fysikalisk storhet till en elektrisk storhet. Informationen kan då enkelt överföras, behandlas, digitaliseras (lagras) etc.
Drivsystemet i ett borstlöst motorsystem fördelas i två allmänna varianter, "givarlös" och
”med givare”. För att driva motorn krävs att man förser rotoraxeln med någon form av rotorlägesgivare som utgör ett system av signaler som tillsammans talar om var man
befinner sig [1]. Det kan vara av typen magnetkänsliga givare som svarar mot magneterna på motorns rotor.
7
I givarlösa drivsystem kommer styrenheten att mäta EMK, elektromotorisk kraft (spänning), från strömlösa spolen för att bestämma rotorläget. Styrenheten aktiverar två av tre spolar och avkänner rotorns position baserad på mot-EMK från strömlösa spolen. Då kan styrenheten leverera korrekta signaler till spolarna för att starta motorn [4].
2.4 Magnetisk avkänningsteknologi
Ett antal nya trender som spelar en allt viktigare roll i valet av sensorer för vinkel, position och hastighetsmätning kan listas som:
1. inbyggnad av sensorer inom motorer och ställdon (don som överför styrsignal till mekanisk rörelse; jämför styrdon) leder till större efterfrågan på kompakta sensorer.
2. efterfrågan växer också för sensorer med utökad funktionalitet (t.ex. för tillståndskontroll) samt för sensorer som uppvisar funktionssäkerhet.
3. Motorer utvecklas med allt högre hastigheter och högre dynamisk prestanda, vilket ökar efterfrågan på sensorer med extremt hög bandbredd och låg tröghet.
4. Den övergripande trenden till högre energieffektivitet ökar efterfrågan på lågenergi- sensorer.
Detta kräver repeterbar och tillförlitlig mätning av linjära och roterande rörelse. Inom det tekniska området finns det olika teknologier för mätning av magnetfältstyrka eller
magnetfältriktning bland annat: halleffekt och magnetoresistiva (MR) teknologi [17].
2.4.1 Halleffektmetoden
Om vi placerar en ledare eller halvledare i ett vinkelrätt magnetfält B (fig. 2) uppstår ett elektriskt fält vinkelrätt mot I-B-ytan (x-z-ytan). Denna effekt är känd som halleffekten och upptäckts 1879 av den amerikanska fysikern Edwin Herbert Hall [8].
Figur 2. Hall effekt.
8
Strömmen som består av rörliga elektroner flödar i den positiva x-riktningen. På grund av magnetfältet ackumuleras elektroner på ena sidan av materialet. Ledarens sidor får positiv och negativ laddning i förhållande till varandra, med andra ord förekommer en elektrisk spänning (VH ) i y-riktningen och därför vinkelrätt mot x-z-ytan (I-B-ytan) [8].
I en halleffektgivare är hallspänningen proportionell mot produkten av magnetfältets styrka och strömmen genom hallelementet. Hallelementet är ett magnetiskt avkänningselement.
Som ett resultat kan styrenheten bestämma positionen för rotorn från sensorsignalerna [8].
Styrenheten innefattar en mikrokontroller som kommer att köra algoritmer som levererar de riktiga kommuterande signaler som i sin tur avgör vilka spolar aktiveras för att förflytta rotorn och startar motorn.
2.4.2 MagnetoResistivametoden (MR)
Den höga prestandan och flexibiliteten hos magnetoresistiva givare spelar en allt viktigare roll och används i modern industri och elektronik för att känna den magnetiska fältstyrkan i syfte att mäta ström, läge, rörelse, riktning, och andra fysikaliska storheter [2].
I en magnetoresistiv givare ökar resistansen proportionellt mot magnetfältstyrka, med två magnetoresistiva givare monterade på en permanentmagnet kan man t.ex. känna av vridningsvinkeln på ett kugghjul och då även mäta rotationshastighet.
William Thomson (Lord Kelvin) gjorde första upptäckten av vanlig magnetoresistans 1856.
Han experimenterade med bitar av järn och upptäckte att elektriska resistansen ökar när strömmen är i samma riktning som den magnetiska kraften och minskar när strömmen är i 90° mot magnetkraften. Han gjorde samma experiment med nickel och fann att det
påverkades på samma sätt men effekten var större [3].
Denna effekt kallas Anisotrop MagnetoResistance (AMR) och är lätt att realisera i
tunnfilmsteknik, vilket möjliggör att tillverka exakta men även kostnadseffektiva sensorer [16]. Eftersom den AMR effekten är en vinkel effekt passar dess användning för kontaktfria vinkelmätningssystem perfekt. Figur 3 visar principen för den magnetoresistiva teknologin.
9
Figur 3. Magnetoresistiva principen [3].
Det enda villkoret som måste uppfyllas för att uppnå exakta mätningar är att den interna magnetiseringsvektorn (m) direkt måste följa den externa magnetiska fältvektorn (H). Detta tillförsäkras vid användning av mycket högre extern fältstyrka än den inre magnetiseringen [16].
Sensorn känner den starka externa fältstyrkan, därför har den inre fältstyrkan ingen
inverkan på mätningarna. Endast fältets riktning utvärderas. Detta leder till följande fördelar med magnetoresistiva vinkelmätningssystemen [16]:
• Oberoende av magnetisk drift under livstid
• Oberoende av magnetisk drift med temperatur
• Oberoende av mekaniska monteringstoleranser
• Oberoende av mekaniska förändringar orsakade av termisk stress
MR-elementet har mycket högre känslighet än hallelementet, men den har ett smalt linjärt arbetsområde [2]. De är slitagefria och kan helt inkapslas av icke magnetiskt material vilket gör sensormodulerna robusta när det gäller förorening och mekanisk förstöring [16].
2.4.3 Vinkelmätning med MR-teknik
Det integrerade MR-sensorelementet är en känslig magnetfältsensor, som utnyttjar MR- effekten av en tunnfilm av permalloy. Permalloy är en nickel-järn magnetisk legering.
Den grundläggande principen är att det elektriska motståndet hos permalloy-remsan förändras med vinkeln mellan den inre magnetiseringsvektorn i remsan och vektorn av den elektriska strömmen som strömmar igenom den.
10
Alltså, när inget externt magnetfält är närvarande har permalloyen en intern
magnetiseringsvektor M parallellt med strömflödet (α = 0). Figur 4 visar magnetoresistiv effekten i permalloyen [16].
Figur 4. Visar magnetoresistiv effekten i permalloyen [16].
Om ett externt magnetfält appliceras parallellt med permalloyens plan men vinkelrätt mot strömflödet, roterar den inre magnetiseringsvektorn för permalloyen runt en vinkel α.
Som ett resultat kommer motståndet R hos permalloy att förändras som en funktion av rotationsvinkeln α som ges av [16]:
R R0 R0 cos2 α (1) om 0 => Rmax
om 90 => Rmin
Där R0 och R0 är materialkonstanter. Med materialet som används av NXP, R0 är i storleksordningen 2 % till 3 % [16].
Det är uppenbart från denna kvadratiska ekvation att förhållandet mellan motståndet och magnetfält är icke-linjärt. Det blir också klart att den magnetoresistiva effekten naturligtvis är en vinkeleffekt som rekommenderas för tillämpningar av vinkelmätning.
2.5 Wheatstone brygga
En Wheatstone brygga är en elektrisk krets som används för att mäta ett okänt elektriskt motstånd. Det består av två parallella grenar som innehåller två seriemotstånd. Genom att balansera två grenar i kretsen, varav en gren innehåller den okända komponenten, kan värdet hos komponenten bestämmas [15]. Detta illustreras i figur 5.
11
Figur 5. Fyra motstånd i en Wheatstone brygg konfiguration [16].
Enligt det grundläggande förhållandet som ges av ekvation (1) är skillnaden mellan två utsignaler (+Vo, -Vo) av en sådan Wheatstone brygga proportionell mot sin2 α. Detta innebär att sensorn som består av en Wheatstone brygga kan mäta ett vinkelområde på 90°
[16].
2.6 Rotationsposition eller vinkelläge
Det finns två allmänna metoder för att mäta rotationsposition eller vinkelläge. Där används ett eller flera magneter för att skapa ett måttligt magnetfält över givaren. När magneterna roteras runt sensorn, ser det ett fält som är en sinusformad funktion av rotationsvinkeln [19].
Avancerade versioner kan använda flera givare (orienterade i olika vinklar) och en
mikrokontroller för att tillhandahålla en utsignal över ett fullt varv (360°) av vinkelrotation [18].
2.6.1 ON-AXIS applikation
On-axis vinkelavkänning är den vanligaste typen av vinkellägesmätning. Den innefattar mätning av förskjutningen av en roterande magnet som vanligtvis är placerad på änden av en axel eller under ett kugghjul. Montering av en magnet i änden av en axel, som typiskt
används i on-axis tillämpningar, innefattar ofta användning av icke-ferromagnetiska armaturer för att hålla magneten på plats [18].
Jämfört med off-axis applikationer, ger on-axis vinkelmätningar högre mätnoggrannhet och kräver mindre digital efterbearbetning [19].
2.6.2 OFF-AXIS applikation
Off-axis vinkelavkänning är en annan typ av vinkellägesmätning. Där känner vinkelgivare positionen av ett magnetiskt fält som genereras av en ringmagnet som är fäst runt en axel.
Som observeras i figur 6 är vinkelgivaren placerad intill axeln och magnetringen [18].
12
Ett stort problem med off-axis vinkelavkänning är att en stor variation av magnetisk
fältriktning och styrka observeras av vinkelgivare eftersom båda magneten och axeln roterar.
För ett bra resultat kräver denna metod betydligt mer digital efterbearbetning av vinkelmätningen [19].
Det finns två stora utmaningar med tillämpningar av off-axis vinkelanalys. Den första är fältstyrkan, alla anpassningar bör göras för att maximera magnetisk fältstyrkan som känns av. Fältstyrka kan maximeras genom användning av magnetiskt material av hög kvalitet, och genom att minimera avståndet mellan givare och magnetenen [19].
Den andra utmaning är att kompensera den framkommande olinjäritet hos den magnetiska fältstyrkan som genereras vid kanten av en magnet. Figur 6 visar två metoder för
vinkelavkänning [19].
Figur 6. on-axis och off-axis vinkelavkänning [18].
2.7 Multipolär magnet
Multipolära magneter används i flera applikationer inom sensorteknik och elektrisk
drivteknik. Beroende på användningsområde finns det olika krav för multipolära magneten och dess magnetisering.
Multipolära magneter är en bra tillämpning för en beröringsfri magnetisk givare med hög upplösning till off-axis rotationsavkänning. Ökande mätavstånd och noggrannhet i sensorer kräver mer exakta pol-längder. För detta ändamål behövs tillräcklig fältstyrka i ett
kontinuerligt mönster av upprepande nord- och sydpoler [5].
I magnetiska sensorsystem används permanentmagneten ofta som signalsändare, vilken är monterad på rörliga maskindelar, och sensorn är fäst vid en annan del. Den växlande magnetiska signalen mäts sedan av sensorn och utvärderas. På så sätt kan vridriktning, hastighet, acceleration och position av rörliga delar definieras [5][6][7].
13
Olika sensortyper kan användas, såsom hallsensorer och magnetoresistiva (MR) sensorer.
Dessa sensorer innehåller ett tunt ledande material som omvandlar ett vinkelrätt magnetfält till en spänning, vilket utvärderas vidare [8].
Eftersom hallsensorer mäter flödestätheten och dessa minskar med ett högre avstånd till multipolärmagneten är positionering av sensorn till sändaren viktig. MR-sensorer detekterar magnetfältets riktning och är därför mindre känslig till avståndet till magneten [8]. Figur 7 visar fältvektors riktningar omkring en ringmagnet.
Figur 7. Fältvektor kring en ringmagnet.
I allmänhet, kan noggrannheten av mätningen förbättras genom en mindre pol-bredd och mer exakt pol-längd. Båda kraven leder till ett högre behov av en noggrann positionering av sensorn, men mätfelet kan orsakas av monteringstoleranser i systemet, sensorelementet eller elektronisk behandling [9].
En variant av multipolära magneter är ringmagneten som är en skivformad del av ett magnetiskt material med flera magnetiska polar runt sin omkrets. I detta fall medför rotationsrörelse en sinusvågformad kurva [8].
Ringmagneten som illustreras i Figur 8 har två polpar (nord/syd kombination).
Ringmagneter finns tillgängliga med varierande antal polpar beroende på applikationen. Det bör noteras att ju större antal polpar, desto högre blir den magnetiska fältstyrkan (Gauss nivån) från magneten.
14
Figur 8. Ringmagnet med 2 polpar och sin-kurva [8].
När en ringmagnet används i samband med en digital output av en sensor, kommer en utgångspuls att produceras för varje pol. Alltså kan 14 pulser per ett varvs rotation erhållas för en 14-polig ringmagnet. Figur 9 visar utgång signalen från en sensor-chip i samband med en 14 polig (7 polpar) magnet för ett mekaniskt varv (360 grader).
Figur 9. Utsignaler från en sensor i samband med en 14 polig magnet.
0 1 2 3 4
0 50 100 150 200 250 300 350 400
sin-cos voltage [V]
Angle [mec deg]
Series1 Series2
15
3. Metod
Som nämnts i föregående avsnitt ska positionen för en roterande axel bestämmas beroende på var rotorn befinner sig vid ett givet tillfälle. Till detta behövs någon form av givare och metod för att avgöra rotorns position.
För det första samlades information från befintliga sensor-chip på marknaden. En av dem valdes, studerades och testades i olika positioner på nuvarande systemet. För det andra korrigerades nuvarande produkt enligt nya prototypens egenskaper och testades prestationen för chipet för det nya systemet och prototypen.
3.1 Litteraturstudie
Målet med litteraturstudie var att lära och studera de olika motor- och sensorteknikerna.
Informationen samlades in från olika källor enligt nedan:
• Litteratur från företaget dokument och databasen IEEE Xplore.
• Google scholar för tillhörande artiklar och rapporter.
• Datablad för komponenter, artiklar och förklaringar från tillverkaren.
Även om de flesta av källorna var artiklar eller application note som tagits direkt från
tillverkarna jämfördes de med andra källor för att bekräfta att informationen var tillförlitlig.
3.2 Marknadsutvärdering
En marknadsutvärdering utfördes bland befintliga sensor-chip hos olika tillverkare. Den intressanta informationen för sensorer samlades i en Excel arbetsbok och en teoretisk utvärdering genomfördes enligt projektet kravspecifikation. En viktig aspekt för valet av sensor-chipet är placering av sensorelement i chipet. Beräkningar för placeringen av
sensorelementet utfördes enligt deras datablad och inkluderas i denna arbetsbok. Dessutom har priset på varje chip sammanställts via kontakt med tillverkaren. I bilaga A förekommer en lista över utvärderade sensorer.
3.3 Urval av sensor-chip
För det första några fler definitioner [10]:
• En sensors noggrannhet är ett mått på dess noggrannhet av dess utdata.
• En sensors upplösning är ett mått på den minsta ökning eller minskning i position som den kan mäta.
• En sensors precision är dess grad av repeterbarhet.
• En sensors linjäritet är skillnaden mellan en sensors utgång till den faktiska positionen som mäts.
16
De sensorer som skall användas för mätning av en roterande axel (såväl som för mätning av linjära rörelsen och elektrisk ström, som inte kommer att täckas här) måste erbjuda följande funktioner:
1. Hög noggrannhet, för exakt positionering eller hög kontrollkvalitet.
2. Kompakta mått, för att möjliggöra enkel integration i ett litet kort.
3. Låg linjäritet (position vinkelfel), för att säkerställa den faktiska positionen som mäts.
4. Högsta tillåtna driftstemperatur, för att överleva i kyla och varma miljöer.
5. Låg linjäritet (position vinkelfel) relativ temperatur (temperaturberoendet).
6. Låg kostnad för att möjliggöra konkret på marknaden.
Dessa trender har en direkt inverkan på valet av givaren och resulterar i en komplex utvärdering av krav.
3.4 Primära Testfaser
Inom all ingenjörsmässig verksamhet är testning en etablerad metod för att konstatera om en konstruktion eller produkt är korrekt och fungerar som planerat. Målet med testning är att säkerställa att ett system fungerar eller finna fel och brister så fort som möjligt samt att försäkra sig om att dessa åtgärdas.
Detta avsnitt ska ge läsaren ett perspektiv över hur testningen har byggts upp och genomförts under projektet. Vilka testfaser som inrättades och vad de bör innehålla.
3.4.1 Funktionstest
Det som i denna beskrivning kallas för funktionstest är test av olika enheter i systemet, det kan exempelvis vara en sensor eller en metod som ska testas. Funktionstesten ska kunna visa att dessa fungerar och gör som de skall. Ett antal av dessa enhetstest kan sedan integreras tillsammans och bilda en delkomponent av ett system.
Vid testning av elektronisk utrustning, såsom kretskort, elektroniska komponenter och chip används en testfixtur. En fixtur är en apparat eller en inställning som är konstruerad för att hålla enheter på sin plats under test. Alla primära tester genomfördes på en testfixtur i väntan på den nya konstruktionen levereras.
17 3.4.1.1 Sensortest
Först och främst i detta fall skall sensor-chipet testas för att verifiera att den kommer att fungera i ny konstruktion d.v.s. undersöka möjligheten att läsa magnetfältet bakom en aluminiumvägg.
Som ovan nämnts skall chipet känna magnetfält riktningen på en ringmagnet som ligger bakom en aluminiumvägg med ungefär 2mm tjocklek. För att placera chipet i samma position som den ska vara på prototypen används ett labbkort som monterades på aluminiumhuset.
En ringmagnet med 14 magnetpoler eller med andra ord 7 polpar som ligger på en roterande axel placeras på aluminiumhuset. Ringmagneten har 14mm höjd och 32mm diameter och den roterar tillsammans med axel. Figur 10 visar axeln och ringmagneten.
Figur 10. Ringmagnet med 14 polpar och axel.
Axeln kopplas till en momentgivare som roterar 1500 varv per minut (ibland kallat varvtal) eller rpm (från engelska: Revolutions per Minute). Ringmagneten roterar med samma varvtal men magnetpoler roterar 14 gånger snabbare. Det är viktigt att skilja mellan ett mekaniskt varv och ett magnetiskt varv. Förhållandet mellan rotationen för magnetfältet och rotationen av rotorn varierar beroende på antalet magnetiska poler på rotorn. Vid ökat antal poler så roterar magnetfältet fler gånger per mekaniskt varv. Ett samband mellan magnetiskt varv och mekaniska varv finns således [6].
magnetiskt varv = mekaniskt varv* antalet poler (2) Alltså med ett mekaniskt varv så roterar ringmaneten 14 elektriskt varv.
Chipet läser fältriktningen bakom aluminiumväggen och två utsignaler från VOUT1 och VOUT2 kan läsas med hjälp av ett oscilloskop. Figur 11 visar cosinus och sinusutsignaler från chipet i fallet som matningsspänningen (VCC) är 5V. Utsignalerna på pin VOUT1 och VOUT2 är relaterad till den gemensamma nivån av VCC/2 enligt databladet.
18
Figur 11. Utsignaler från chipet.
Anledningen att det visas 9 period på bilden kan motiveras med kommande beräkningar.
Motorn roterar med 1500 rpm och ett mekaniskt varv motsvarar 14 elektroniskvarv d.v.s. varje pol roterar 1500 * 14 = 21 000 rpm. Varje horisontell ruta på skärmen motsvara 2,5ms så att 10 stycken motsvarar 25ms. Resultatet blir (21 000/60) * 0,025 ≈9 pulser som visas i figur 11.
3.4.1.2 Avläsning av position eller vinkel
Det här testfallet utförs för att läsa positionen på magnetpoler. Chipet monteras på aluminiumhuset så att den höjdmässig ligger ungefär i mitten av ringmagneten.
Placeringen på chipet har avsevärd inverkan på mätningar därav bör stor noggrannhet visas vid placering av chipet.
Efter dessa test används en referensmotor för positionsavläsning. Axeln med monterad ringmagnet kopplas till referensmotor som kan köras med korta steg. Från början nollställer man positionen för referensmotorn och läser utsignaler från chipet på så sätt kan
ursprungsvinkel bestämmas. Steglängden i detta fall sätts på 0,01 varv som motsvara 3,6 grader. Referensmotorn roterar 3,6 grader mekaniskt varv i varje steg samtidig roterar ringmagneten med samma steglängd men 14 gånger snabbare.
Positionen för referensmotorn som skickas från motorns resolver kan läsas in via en Labview applikation. På samma sätt kan varje steg läsas in två utsignaler från sensorchipets utgångar som är kopplad till ett oscilloskop. På så sätt kan positionen för magnetfältet beräknas och jämföras med referensmotorns position. För att ha ett fullständigt varv behöver motorn stegas 100 gånger och position för referensmotorn och utsignaler från chipet samlas in.
19
3.5 Positionsberäkning
Data som samlas i Excel arbetsboken är bara två sinus- och cosinusvärden från chipets utgångar och positionen till extern referensmotorn. Denna information måste hanteras för positionsbestämning av magneten som i sin tur visar positionen till ratten.
För att beräkna positionen till axeln används ARCTAN2 i Microsoft Excel som returnerar en vinkel i radianer. Tabell 1 visar en liten del av datainsamlingar i Excel arbetsboken. I syfte att ha bättre grafer kan en godtycklig offset värde tillämpas för att korrigera sinus och
cosinusvärdena och vinkelavvikelsen.
Tabell 1. Datasamlingar från motorn och sensor-chipet.
Andra kolumnen i tabellen (Reference sensor angle) visar positionen för extern
referensmotorn som är kopplad till axeln. Första kolumnen (Reference angle [deg, mech]) visar mekaniska vinkeln för referensmotorn och beräknas genom att multiplicera andra kolumnen med 360 d.v.s. räknar ut mekaniska varvtalet (0,001) till grader.
Elektrisk vinkel (Electrical angle [deg, el]) beräknas från sinus- och cosinusvärdena och elektrisk vinkelreferens (Reference electrical angle [deg, el]) beräknas genom att multiplicera den mekaniska referensvinkeln med 14 (antalet magnetiska poler på ringmagneten).
Följaktligen beräknas den elektriska vinkelavvikelsen (Angle error [deg, el]) genom att ta skillnaden mellan elektrisk vinkel (Electrical angle) och elektrisk vinkelreferens (Reference electrical angle). Till sist beräknas mekanisk vinkelavvikelse (Angle error [deg, mec]) genom att dividera elektrisk vinkelavvikelsen med 14.
3.6 Verifieringstest
För att säkerställa att designen och chippet uppfyller projektets kravspecifikation
analyserades testresultat av funktionstesterna innan verifieringstest påbörjades. Detta utförs för att förbättra vidare testförutsättningar och finna förekommande fel i systemet. Den första ändringen är att minska matningsspänningen till 3,3V som är en optimal spänning för chipet. Chipets matningsspänning ligger mellan 2,7 till 5,5V enligt databladet.
(yellow cells are inputs) offset 2,37 2,37 160
Reference angle
Reference sensor
angle KMZ60 sin KMZ60 cos sin cos Electrical angle
Reference electrical angle
Angle
error Angle error
[deg, mech] [Revolutions] [Volt] [Volt] [deg, el] [deg, el] [deg, el] [deg, mec]
0 0 2,81 1,27 0,44 -1,1 158,1985905 0 1,801409 0,12867211
3,582 0,00995 3,6 2,06 1,23 -0,31 104,1457955 -50,148 5,706205 0,40758604
7,164 0,0199 3,48 3,18 1,11 0,81 53,88065915 -100,296 5,823341 0,41595292
10,728 0,0298 2,41 3,73 0,04 1,36 1,684684318 -150,192 8,123316 0,58023683
14,292 0,0397 1,34 3,25 -1,03 0,88 -49,49045192 -200,088 9,402452 0,67160371
17,892 0,0497 1,12 2,16 -1,25 -0,21 -99,53663576 -250,488 9,048636 0,64633113
21,456 0,0596 1,78 1,35 -0,59 -1,02 -149,9535648 -300,384 9,569565 0,68354034
20
I avsikt att minimera de tänkbara skadorna av ett fel mitt i drift används två sensorchip på kretskortet i syfte att skaffa två kanaler för indata. Om indata från kanalerna är olika då stoppas systemet.
För att undersöka noggrannheten när axeln roterar endast 1 grad ska steglängden minskas till 0,0025. Denna minskning kommer att utföras inom sekvensen 0,001 för att jämföra noggrannheten för mindre rotation. För mer exakta mätdata används fyra stycken voltmeter för avläsning av utsignaler.
3.7 Temperaturberoendet
Den valda vinkelgivare har en temperaturkompensation som kan användas för att kompensera effekten av ökande temperatur. Det betyder att samma amplitud fås på utsignaler oavsett vilken temperatur man kör.
Pin TCC_EN används för att aktivera temperaturkompensationen (TC), två fall är definierad.
Signalamplituden kompenseras i stor del av en inbyggd förstärkare om pin TCC_EN är ansluten till VCC [14].
För en negativ TC eller om ingen TC-kompensation krävs fås den förstärkta utsignalen om pin TCC_EN är ansluten till jord [14]. I detta fall utgångssignalamplituden minskar med ökande temperatur relaterad till MR-sensorns TC [14].
Vinkelnoggrannheten kan minskas något på grund av den begränsade upplösningen av den använda ADC [14].
Den tänkbara temperaturområde som chipet ska användas i ligger mellan -35 °C till +70 °C.
Två stycken temperaturtester vid -35 °C och +70 °C genomförs i detta sammanhang.
3.8 Test av befintlig produkt
För att verifiera funktionalitet för det nya konceptet ska samma test utföras med en befintlig produkt. Samma testförutsättningar inrättas i detta fall men det ska utföras bara i
rumstemperatur.
21
4. Utförande
Den här delen av examensarbete beskriver hur arbetet implementeras samt utrustningar och modeller som används.
4.1 Sensorval
Från marknadsutvärderingen valdes en sensor med hänsyn till noggrannhet, kostnad,
avkänningsmetod och mått. Eftersom i nuvarande versionen används halleffekt sensorer den valda sensoren skulle vara en magnetoresistiv sensor.
Det valda sensor-chipet heter KMZ60 som är en magnetoresistiv vinkelgivare som tillverkas av NXP Semiconductors. Den är konstruerad för vinkelstyrning och BLDC motorer. Utöver detta är kretsen användbar för positionsdetektering och allmän kontaktfri vinkelmätning [14].
För att säkerställa funktionaliteten utfördes en fördjupad undersökning på den valda sensorn. I nästa avsnitt förklaras sensorfunktionalitet och åtgärder som genomfördes på konstruktionen för att förbättra mätresultat.
4.1.1 Sensorfunktionalitet
Sensorn använder sig av det faktum att det elektriska motståndet hos vissa ferromagnetiska legeringar, såsom permalloy, påverkas av en extern magnetiska fält.
Den består av två mikrochips i ett paket (Integrerad krets (IC)), d.v.s. en vinkelgivare och en förstärkare. Kretsen har två utgångar (VOUT1 och VOUT2) som levererar två analoga sinusformiga signaler med en fasskjutning på 90 grader. De är relaterade till vinkel på ett roterande magnetfält [14].
Utgångsspänningsområdet är proportionellt relaterat till matningsspänning (VCC/2) för optimal användning av ADC-ingångsområdet [14].
Temperaturkoefficienten (TC) kan kompenseras för utgångssignalens amplitud och en utgångsspänning proportionellt till temperaturen kan levereras.
Ett Power-down-läge och en temperaturberoende utsignal VTEMP är implementerat.
Om signaler som tillhandahålls av sensorn inte behövs kan enheten ställas in genom att ansluta POWERDOWN_EN till VCC [14].
Figur 12 visar den fullständiga kretsen bestående av MR-sensorelementet som realiserat av två inskjutna Wheatstone-bryggor för cosinus- och sinussignaler. Även stödfunktionerna för styrkrets och signalförstärkningar visas i figuren.
22
Figur 12. Funktionsschema för sensor [16].
En proportionell till absolut temperatur (PTAT) referensström, en spänning-ström
omvandlare och en strömmultiplikator genererar en referensström, vilken är beroende till matningsspänning, temperatur och en resistans (R2) [14].
Denna referensström kontrollerar matningsspänningen hos båda sensorbryggor för att kompensera deras TC via en matningsbuffert. För brus och EMC påverkan implementeras ett lågpassfilter [14].
Bryggans utgångsspänningar förstärks med en konstant faktor och matas till
utgångsbuffertar. För att uppnå bra signalprestanda, matchas båda signalerna i amplitud och fas. Förstärkarens bandbredd är tillräcklig för låg fasfördröjning vid maximal
rotationshastighet [14].
Figur 13 visar utsignaler från VOUT1 och VOUT2. Båda utsignalerna påverkas av två offset
(VOoff1, VOoff2) och en minimumgräns på 7 % och en maximumgräns på 93 %.
23
Figur 13. Två utsignaler från sensorn [16].
4.1.2 Sensor vinkelmätningsområde
Fyra permalloy strimlor d.v.s. fyra magnetoresistiva vinkelavkännare skapar en Wheatstone brygga som är anslutna till sensorns matningsspänning Vccs och sensorns jordplan GND [16].
Sensorn som består av en Wheatstone brygga kan mäta ett vinkelområde på 90° [16]. Detta illustreras i figur 14.
Figur 14. Utsignal från sensorn med en enda Wheatstone brygga [16].
Det begränsade vinkelområdet kan utökas till 180° mätområde genom att använda två inskjutna Wheatstone-bryggor. För detta ändamål placeras de två sensorbryggorna i en vinkel på 45° mot varandra. I denna modell ligger de två utsignalerna i en elektrisk fasförskjutning av 90°.
24
Det är därför de två utsignalerna är proportionella mot sin2α respektive cos2α. Det kan bevisas att dessa två signaler nu tillåter en analys av ett vinkelområde på 180°. Figur 15 visar hur detta utförs. Även i denna modell kommer signalamplituderna förändras med
temperaturen.
Figur 15. Utgångssignal från sensorn med dubbla Wheatstone bryggor [16].
4.1.3 Sensorns inbyggda vinkelavvikelser
Enligt sensorns datablad sitter sensorelementen med maximum 2 grader vinkelavvikelse jämför med chipets framkant. Figur 16 visar placeringen och vinkelavvikelsen för
magnetelement i chipet. Dessutom har chipet en mekanisk vinkelavvikelse som maximum kan vara upptill 1,5 grader.
Figur 16. Visar vinkelavvikelsen i chipet [16].
25
4.2 Hållbarhet
De magnetoresistiva sensorbryggor och den integrerade analoga signalförstärkaren är kombinerade i ett SO8 paket och är markerade som RoHS-direktivet. SO8 är ett
standardpaket för ett chip med 8 pinnar. RoHS (Restriction of Hazardous Substances) är ett EU-direktiv som förbjuder eller begränsar användningen av vissa farliga ämnen i elektrisk och elektronisk utrustning. Direktivet föreskriver att ny elektrisk och elektronisk utrustning som säljs inom Europeiska unionen får inte innehålla något ämne med högsta tillåtna koncentrationsvärden till material såsom bly och kvicksilver.
26
4.3 Utrustning och installation
För att genomföra tester till det utvalda sensorchipet behövs en referensgivare för avläsning av position. För detta ändamål används axeln på ratten som kopplas till en referensmotor och positionen för motorn ska stegas framåt och bakåt med en bestämd steglängd. Det betyder att magnetringen som monterades på axeln stegas med samma steglängd. För varje steg skall utgångar av sensorn läsas av och positionen för ringmagneten bestämmas. Figur 17 visar referensmotorn och kopplingen till rattgivaren.
Figur 17. Visar design och installation.
4.3.1 Motor och styrenhet
Den motor som används som referens är en trefas borstlös AC servomotorer av modellen Baldor BSM50N-175AA [11]. En inbyggd resolver som ger positionsfeedback finns i motorn för att mäta vinklar.
Som styrenhet används Flex Drive-II som är en mångsidig servodrift med integrerad rörelsekontroll för både enkla och komplexa indexeringsprogram.
En enkel position eller hastighetstabell kan konfigureras från Windows. Flex Drive-II ger kontroll över både roterande och linjära motorer. Denna produkt är märkt som Baldor (en medlem i ABB-gruppen) [13]. Figur 18 visar driven och Baldor motorn.
27
Figur 18. Flex Drive-II och Baldor motor [11].
Styrenheten kommunicerar med den seriella kommunikationen RS232 [13]. Datorn kopplas till styrenheten via en USB-kabel. Det finns en konverterare mellan USB och RS232 kablar.
RS-232 får lätt problem med störningar därför används ett flertal olika filter för att filtrera utsignalen från sensor-chipet. De olika delsystemen är ihopkopplade enligt figur 19.
Laddar upp kod
Positionslopp USB RS232 Faser(U,V,W)
Figur 19. Visar installation design.
4.3.2 Utvecklingsmiljö
Programmet på styrenheten är skrivet i programmeringsspråket Mint (Motion Intelligence), vilket är en modifierad version av Basic. Mint är ett programmeringsspråk som är speciellt designat av Baldor för tillämpningar av rörelsestyrning [11]. Mint Workbench v5 [12]
används för att konfigurera och programmera motorn, i detta definieras de olika in- och utgångar som ska användas. Workbench används också för att ladda ner firmware till styrenhet (Baldor Flex drive) även fasa och sätta reglerparametrar för ström, hastighet och positionslopp. Driven kopplas med två kablar till motorn, en för resolver som ger
positionsfeedback och andra för tre faser.
Workbench COMMS obj.
CC Dator med
Labview
Baldor flex drive Konv
erter ar
Motor med Resolver
28 4.3.3 PC Användarinterface
En parameteridentifikation för systemet genomförs för att motorn ska kunna regleras med god noggrannhet. För detta ett PC användargränssnitt (figur 20) som har designats i utvecklingsmiljön Labview. Labview-applikationen skickar parametrar till styrenheten och läser position och moment. Det vill säga värdena på parametrar såsom absolut och relativ position, steglängd och vridmoment kan identifieras i applikationen. Dessa parametrar används i mätningar av sensorutgångar. Detta förenklar avsevärt loggning av data mellan PC:n och styrenheten.
I applikationen kan motorn nollställas och köras framåt och bakåt med en bestämd steglängd. Testmoment som är kopplad till motorn roterar med samma steglängd och positionen för testmomenten kan läsas av med en hög noggrannhet. Samtidigt kan
utgångarna på sensorchipet läsas av och registreras i ett Excel-ark för vidare beräkningar och analys.
Figur 20. Användargränssnitt till Utvecklingsmiljö.
29
5. Resultat och Analys
I detta kapitel presenteras testresultaten från de olika testfaserna tillsammans med en analys av resultatet. Alla testfaserna som beskrivs här utförs på protypen som innehåller två
sensorchip. Funktionstester samt tester som utförts på fixturen är inte inkluderat. En extern vinkelgivare används som referens. Grafer med index 1 representerar mätdata från chipet som ligger på övre delen av kretskortet och grafer med index 2 representerar mätdata från chipet som ligger på nedre delen av det. Grafer med rubriken’’Angle error [deg, mec]’’
representerar mekanisk vinkelavvikelsen vid körning av 360 grader (ett helvarv) framåt och 90 grader bakåt. Grafer med rubriken’’Angle error derivative’’ visar derivatan av
vinkelavvikelsen per grad i procent vilken är den "momentana noggrannheten".
5.1 Utsignaler från två sensorer
Denna testfas har genomförts för att jämföra sinus- och cosinusgrafer som erhålls från två sensorer. Jämförelse mellan utsignaler från två kanaler åskådliggör att de har samma mönster det betyder att två kanaler för utsignaler stämmer överens med varandra och inga stora avvikelser finns. Figur 21 visar utsignalen från övre sensorn.
Figur 21. Visar utsignaler från övre sensorn.
Figur 22 visar utsignalen från nedre sensorn.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
0 50 100 150 200 250 300 350 400
KMZ60 sin1, cos1
KMZ60 cos1 [Volt] KMZ60 sin1 [Volt]
30
Figur 22. Visar utsignaler från nedre sensorn.
För en bättre översikt och jämförelse plottas båda utsignalerna i en graf. Differensen mellan två utsignaler beror antagligen på monteringstolerans och sensortolerans och kan korrigeras med ett gränsvärde på differensen. Figur 23 visar grafen för båda kanalerna.
Figur 23. Visar grafen för båda kanalerna.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
0 50 100 150 200 250 300 350 400
KMZ60 sin2, cos2
KMZ60 sin2 [Volt] KMZ60 cos2 [Volt]
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
sin-cos xy plot channel 1 and 2
31
5.2 Testresultat utan metallplåt
Systemet innehåller två sensorchip (KMZ60) och en 7 polpar magnet. Mekanisk
vinkelavvikelse representeras i grafer 1 och 2 för respektive sensorer vilken visar 1,5 graders noggrannhet som kan verka bra.
Grafer i figur 24 uppvisar mekanisk vinkelavvikelse för respektive sensorer.
Figur 24. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer.
Den "momentana noggrannheten" eller vinkelavvikelse för en gradändring (hastighetsfelet) får inte vara större än ± 0,15 grader per grad (± 15 % per grad) enligt projektets
kravspecifikation.
Grafer i figur 25 visar derivatan av vinkelavvikelsen (momentana noggrannhet) i procent för varje sensor. Som figurer uppvisar uppfyller sensorer kravspecifikationen utom en punkt som beror på fel mätdata.
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 1 [deg, mec]
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 2 [deg, mec]
32
Figur 25. Visar derivatan av mekanisk avvikelse för respektive sensor.
5.3 Testresultat med metallplåt
Systemet innehåller två sensorchip (KMZ60), en 7 polpar magnet och en plåt (som ger friktionsmoment). Syfte med denna testfas är att förstå användningen av metallplåten i systemet och dess effekter på utsignalsekvensen.
Ett flertal parametrar kan påverka testresultatet, men detta skulle kunna ses som ett tecken på olämplig mekanisk koppling mellan axeln och referensmotorn.
Grafer i figur 26 och 27 visar vinkelavvikelse respektive derivatan av vinkelavvikelse från sensorer.
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error derivative 1 [%]
-20,%
-15,%
-10,%
-5,%
0,%
5,%
10,%
15,%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error derivative 2[%]
33
Figur 26. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras i systemet.
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 1 [deg, mec]
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 2 [deg, mec]
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error derivative
Angle [mec deg]
Angle error derivative 1 [%]
34
Figur 27. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras i systemet.
Ett misstänkt scenario för felet är den mekaniska kopplingen mellan motorn och axeln. En fjädrande mjuk koppling används för att koppla axeln till referensgivaren. På grund av plåtens hystereseffekt vrider troligtvis axeln gentemot kopplingen vid körning i korta steg.
För att undvika dessa rotationer används en delbarkoppling som ger bättre mekanisk
koppling mellan axeln på motorn och axeln på konstruktionen. Figur 28 visar de två använda kopplingarna.
Figur 28. En delbar axelkoppling(vänster) och en GFS axelkoppling.
5.4 Testresultat med metallplåt och delbarkoppling
Den enda parametern som ändrades i den här testfasen var att använda en delbarkoppling istället för den fjädrande kopplingen. Det allra tydligaste felet som framträder vid körning bakåt antagligen beror på motorns tröghet när riktningen förändras.
Testresultatet visar svårigheter när man använder Baldormotorn med korta steg, trögheten förändras beroende på rörelsehastighet, längd, acceleration.
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error derivative
Angle [mec deg]
Angle error derivative 2[%]
35
Grafer i figur 29 och 30 visar dessa svårigheter när motorn körs med korta steg. De stora vinkelavvikelse förekommer vid körning bakåt med korta steg. Frånsett denna avvikelse uppfyller sensorer projektets kravspecifikation.
Figur 29. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras i systemet och en delbarkoppling används.
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 1 [deg, mec]
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 2 [deg, mec]
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error derivative
Angle [mec deg]
Angle error derivative 1[%]
36
Figur 30. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för respektive sensorer när plåten placeras i systemet och en delbarkoppling används.
5.5 Testresultat när 360 grader plåt används
I den här testfasen används en helcirkel plåt som täcker 360 grader och sensorer placeras framför metallplåten.
Det är intressant i detta fall att urskilja metallplåtens effekt på nedre sensorn som ligger nära plåten, därför undersöks bara utsignalfrekvensen från den här sensorn.
Som grafer i figur 31 och 32 påvisar överstiger vinkelavvikelsen från den tillåtna gränsen i flera testpunkter. Detta beror på både mekanisk koppling och närvaro av plåten.
Figur 31. Visar mekanisk vinkelavvikelsen för nedre sensorn när 360 grader plåt används och chipet flyttades upp.
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error derivative
Angle [mec deg]
Angle error derivative 2[%]
-1,5-1 -0,50,51,52,5012
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
Angle error 2 [deg, mec]
37
Figur 32. Visar derivatan av mekanisk vinkelavvikelsen för nedre sensorn när 360 grader plåt används och chipet flyttades upp.
5.6 Temperaturberoendet
Testfallet klargör sensorbeteende i olika temperaturer. Till test av temperaturberoendet används ett tempskåp som kan styras via en Labview-applikation. Med hänsyn till sensorns temperaturområde som ligger mellan -40°C till 150°C, har två testfaser genomförts i detta fall för att undersöka sensorbeteende vid kyltemperatur respektive högtemperatur.
5.6.1 Testresultat vid temperaturen -35°C
Temperaturförändringar gör att material förändrar form. När temperaturen minskas, krymper materialet i varierande grad beroende på deras längdutvidgningskoefficient.
Användning av en extern vinkelreferens medför att tre olika material med tre olika längdutvidgningskoefficienter tillämpas i testfaser. Alltså axel på referensmotorn, axel på prototypen och delbarkopplingen krymper i olika grad och detta bidrar till dåligt mekanisk koppling mellan dem.
Dessutom förändras motorns egenskaper mest troligt vid temperaturförändring, detta visar sig vid körning med korta steg. Figur 33 visar mekanisk vinkelavvikelsen i detta fall.
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error derivative
Angle [mec deg]
Angle error derivative 2 [%]
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angle error [mec deg]
Angle [mec deg]
