AC PM-servodrev forstærker
om justering af servo-motorers faser og kommutering

Det kan være ret udfordrende problemer med justering af kommutation mellem servomotorer og servodrev, især når motoren og drevet er fra forskellige producenter.

Forståelse af typiske designudfordringer kan hjælpe med at tackle problemer med sekvensering af motorfase.

Vi begynder med at identificere eller bekræfte identifikationen af en servomotors ledninger. Derefter går vi til bekræftelsen af den specifikke identifikation af faserne til et nyt drev; et, hvor firmware funktions-etiketter ikke er verificeret til omverdenen.

Denne metode giver os mulighed for at gennemgå en række spørgsmål for at engagere læseren, der ønsker bedre forståelse af de grundlæggende problemer med justering af kommutering.

Kollmorgen 2G Motion System udnytter det fulde ydeevne potentiale for vores førende AKM2G servomotorer og perfekt matchede AKD2G drev designet til at levere uovertruffen effekttæthed og kontrol.

AC-servomotorers permanente magnet (PM)
Hvordan kan man bekræfte en producents identifikation af faserne?

Den bedste måde at beskrive dette på er ved anvendelse af et oscilloskop (OSC); men først sætter vi grundreglerne.

Her vil vi identificere knudepunkterne for motorens faser som:

A, B og C, hvor BEMF spændingen ved:
fase-A er 120° faseforskudt til fase-B
fase-B er 120° faseforskudt til fase-C og
fase-C er 120° faseforskudt til fase A i forhold til en defineret rotationsretning af motorens rotor.

Bemærk at disse faser/noder kunne lige så godt identificeres som R, S, T eller U, V, W, osv.

Back EMF spændingen:

EMF er ElektroMagnetiske Felter. Back EMF (BEMF) er systemet i spolen til en elektrisk motor, der modsætter sig strømmen, som går gennem spolen, når ankeret roterer. Når hastigheden varierer kan viklingskarakteristikaene svinge, hvilket resulterer i variation af back-EMF spændingen. Ved høje hastigheder roterer motorens anker hurtigt og det giver en høj back-EMF.

Modelektromotorisk kraft (mod EMF), kendt som elektromoto-risk kraft (Back-EMF), er den elektromotoriske kraft eller "spænding", der modsætter sig ændringer i den strøm, der inducerede den.

Back EMF kan enten have en sinusformet (AC) eller en trapezformet (DC) bølgeform. Formen på den bageste EMF er vigtig, da den bestemmer typen af drevstrøm og kommuteringsmetode, som skal bruges til motoren.

1. Vi identificerer også fase-A, som den motoriske fase, hvor der refereres til justering af feedback. Dette gør den til motorens ankerfase.
   
   
2. Da faserne A, B, C identificerer fysiske ledninger/noder i motorens BEMF-værdi eller strømkilde, vil vi identificere den første positive eller positivt gående spænding som fase A, i forhold til alle andre noders spænding. Dette vil præsentere et fast startpunkt for forankringsfasen, som om tvang netop blev anvendt og altid startede med fase-A i forhold til alle andre faser.
   
   
3. Således vil denne fase-A spænding være den positivt ledende spænding for hver indledende sekvens, der overvejes, uanset om vi ser på motorens BEMF eller strømkilde til motoren.
   
   
4. Således vil denne fase-A spænding være den positive ledende spænding i hver indledende sekvens, der overvejes, uanset om vi ser på motorens BEMF-værdi eller strømkilden til en motor.

A, B og C fasernes rotation med uret (CW) i forhold til en given rotationsretning af rotoren betyder ikke noget så længe vi er konsistente. Dette, uanset om referen-cen er etableret ved at se ind i enden af motorens ledningsudgange eller ved dens typiske modsatte ende (Torque endbell).

I artiklen bruger vi fase A, B, C rotateret med uret (CW) set ind i enden af motorens ledningsudgange.

Eksempel, hvor man ser ind i motorens ledningsudgange.

Identifikation af en servomotors faser kan let ses på et dobbeltkanalsoscilloskop (OSC). Her kan man kontrollere det relative forhold mellem motorens faser (BEMF-kurveformer) og den definerede rotation af rotoren. For fuldstændige instruktioner om, hvordan dette kan opnås, henvises til Appendiks: A.

Motorens faser er nu blevet identificeret og mærket A, B, C ved at finde ud af, hvordan BEMF-nodespændingerne relaterer sig til hinanden: VAB, VBC, VCA, VAB, VBC osv.

Servomotorens rotor roteres i producentens definerede retning. I dette eksempel CW (med uret) og man ser ind i enden af ledningsudgangen eller den typiske bageste ’endbell’ på en indkapslet servomotor.

Bemærk: Knudepunktet VAB skal læses som spændingen ved knudepunktet A, i forhold til knudepunktet B. Derudover er hvert knudepunkt mærket til fremtidig reference med kun et specifikt identificeret bogstav og det er en grund til!

Servodrev relateret spørgsmål
feedback, kommutering offset, justering mellem produkter er fast og konstant


Kollmorgen har netop designet et nyt servodrev og ønsker at opretholde feedback, kommutering offsets og justeringer, således at overensstemmelse (feedback-kommuteringsvinkler osv.) mellem Kollmorgen's produkter er konsistent. Herefter forklares den bedste procedure til dette.

Det er et rigtig godt spørgsmål og - i det mindste i dette tilfælde - er det klart, at vi havde en AC-synkronmotor med permanentmagnet (PM), som vi vil køre som servo, inden vi havde et drev. Men spørgsmålet kan først blive besvaret, når vi har etableret nogle grundregler.

Grundregler

1. Produkterne motorer og drev er i tråd med metoderne til identifikation af motorfaserne som en funktion af motorens genererede BEMF-værdi, når den drejes i en defineret retning:

2. En specifik identificeret fase (anker [P1 – fase A]) identificeres med feedback enheden. Denne specifikt identificerede anker-fase vil have en positiv ledende spænding for hver indledende sekvens der overvejes; som om en tvang lige blev anvendt og altid begyndte med nævnte ankerfase i forhold til alle andre faser (i vores kommunikation).

Bemærk: De cirkulerende faser - når de identificeres og drives - er grunden til, at vi skal definere en fase som et anker, hvorfra hardware / software / firmware er designet og refereret til.

3. Til formålene heri vil vi definere vores drevfaser som P1, P2 og P3 for en positiv rotationsretning. Således fører strømforsyningen til den nævnte positive rotationsretning: output fase-P1 faseforskudt 120° til P2;
fase-P2 faseforskudt 120° til P3;
og P3 faseforskudt 120° til P1.

Bemærk: Det er ønskeligt at have servo drevets faser mærket (for frigivet produkt): A, B, C (samme som motor). Indtil vor programmering inden for drevet er blevet bekræftet, tildeler vi drevets outputfaser som P1, P2 og P3, hvor P1 er drevets forankringsfase, hvorfra al hardware/software/firmware er designet og refereret med det forventede feedback signal, internt i drevet.

4. Vi antager også, at drevet forventer at se et feedback-signal, der tæller op (positivt) for den definerede positive retningsrotation (# 3 ovenfor) for de leverede faser. Med henblik på dette svar er denne positive kommuteringsretning (# 3 ovenfor) den samme som motorens definerede kommuteringsretning (CW). Og alle feedbackforbindelser er funktionelt de samme som tidligere drev og motorer [som de skulle være ].

Bemærk: Den nødvendige kommuteringsvinkelindstilling i drevet bruges i forhold til feedbackjusteringen mellem feedbackhardware og motorens faser. Det er imidlertid også en funktion af, hvordan firmwaren/softwaren i drevet er skrevet, antallet af motorens polpar (elektriske cyklusser) inden for en 360° rotation af motorens rotor, ud over dets oprindelige feedbackjustering i forhold til motorens faser.
En af de mest sandsynlige fejl er, at tildele drevfaserne A, B, C uden mellemliggende trin (P1, P2, P3) for at bekræfte korrekt mærkning og funktion. Eller for at tildele kørefaser A, B, C uden forhåndsspecifik bestemmelse af, hvordan motoren skal tilføres strøm for at den kan rotere i sin definerede retning.

I dette tilfælde ville det være almindeligt og tænkelig logisk for drevdesigneren at etablere drevets software, firmware og fysiske kredsløb. Det ville være således, at en positiv elektrisk rotation ville frembringe en udgang, der effektivt placerede en positiv spænding ved den foreslåede motors anker;

●  Fase-A [ vores P1], i forhold til fase-B [vores P2], derefter
●  Fase-B [vores P2] i forhold til fase-C [vores P3], derefter
●  Fase-C [vores P3] i forhold til fase-A [vores P1] med

forventet feedback for den positive elektriske source rotation: Optælling (positiv) og kommuteringsfasning indstillet med fase-P1 som drevets anker.

Når drevfaserne er tildelt foran på denne måde, er prima facie (første indtryk) drev-til-motor-forbindelser imidlertid:
A til A - B til B - C til C.

Afsløring af fejl i forbindelser
og så fungerer systemet jo ikke - hvorfor?


Fordi forsyningsspændingerne skal præsenteres for hver fase modsat motorens genererede BEMF (for den samme definerede rotationsretning), som brugt til at bestemme den individuelle motorfases enkeltbogstav identifikation.

Vi fandt motorfaserne A, B, C ved den definerede rotationsretning og af motorernes Back-EMF: VAB, VBC, VCA, VAB, VBC osv. (En metode anvendt i hele servo industrien).

For at denne Back-EMF skal vises i modsætning til den leverede effekt (for defineret omdrejningsretning) skal drevets udgangsfasespændinger præsenteres for motoren som: VAC, VBA, VCB, VAC, VBA osv. Således skal vi fra synspunktet af vor definerede ankerfase skifte dens reference og ikke ankerfasen.

• Bemærk: Knudepunktet VAC læses som spændingen ved knudepunktet A i forhold til knudepunktet C. Dette viser også, hvorfor kun et enkelt bogstav bruges til at definere en bestemt motor og drev fase, når den er korrekt defineret.
  Forsyningsspændingerne skal betragtes og præsenteres for hver motorfase i forhold til motorens genererede BEMF (for samme definerede rotationsretning), som brugt til at bestemme den individuelle motorfase (enkeltbogstav) identifikation.

Vi fandt motorfase A, B, C ved den definerede rotationsretning og ved motorens BEMF: VAB, VBC, VCA, VAB, VBC osv. For at denne counter-EMF (CEMF) skal vises i modsætning til den leverede effekt (for den definerede omdrejningsretning) skal drevets output fasespændinger præsenteres for motoren som: VAC, VBA, VCB, VAC, VBA osv. [mod motorens BEMF]. Således skal vi fra synspunktet af vor definerede ankerfase skifte dens reference og ikke ankerfasen.

• Bemærk: Noden VAC eller VAC, læses som spændingen på node A, i forhold til node C. Dette viser også, hvorfor kun et enkelt bogstav bruges til at definere en bestemt motor & drev fase, når den er korrekt defineret.

Det andet element, der absolut er kritisk til at opretholde kommutations overensstemmelse mellem produkterne, er den identificerede drevfase (anker P1) til matchning med motorens fase-anker (fase-A). Det er vigtigt at bemærke, at drevfasen-P1 ikke behøver at være ankeret. I virkeligheden ønsker man at tildele drevets ankerfase i overensstemmelse med motorens ankerfase for hvilken kommutationsjustering skal opretholdes.

Korrektionen af denne fejl kan være at skifte motorfaseforbindelser: A og B ved drevet. Dette vil dog ikke matche motorens ankerfase [A] med drevets ankerfase [P1] og frembringe en kommutationsfase forskydning +/- 120° mod alle tidligere fremstillede kombinationer af motordrevsprodukter. Den opfylder således ikke vore oprindelige krav.

Bemærkninger:

1. Skift af motorfaserne A og B er almindelig praksis i industrien for at ændre rotationsretning på en AC-induktionsmotor.

2. Dette skift er også uønsket på grund af kravet om at have alle drevforbindelsesetiketter i rækkefølgen: A, B, C (ikke: B, A, C), som de vises på drevet. Det kan ikke anbefales bare at mærke forbindelserne om: B, A, C til 'A, B, C eller C, B, A', da det opretholder en uønsket vinkelforskydning af kommutationsfaser. Man kan gøre det, hvis det er rettet inden for drevets software/firmware eller ved kredsløbets layout.

Den bedste måde
at rette eller undgå denne indledende fejl

Lad os først vende tilbage til det almindelige og tænkelige logiske tilfælde, hvor designereren etablerer drevets software, firmware og fysiske kredsløb. Således at en positiv elektrisk rotation vil præsentere en udgang, der effektivt placerer en positiv spænding ved drevets oprindeligt mærkede udgangsfase-P1 i forhold til P2. Derefter fase-P2 i forhold til fase-P3 og fase-P3 i forhold til fase-P1 med forventet feedback for nævnte positive, elektriske rotation: Optælling (positiv), hvor den etablerede ankerfase er P1.

Forudsat at vores oprindelige forbindelser fra drev til motor er de samme - undtagen mærkningen: P1 til motor fase-A, P2 til motor B og P3 til C - vil vi producere den samme fejl. Så hvad er den bedste måde at korrigere og vedligeholde ankerfasen P1 og den etablerede motor anker fase-A?

Svar: Vi vender drevets referencefase (P2, forbinder det til motorfase-C), således at drevets leverede spænding præsenteres mod motorens BEMF. Den første fase (P1 - Anker) kan så opretholdes i henhold til vores grundregler (# 2). Dette betyder, at drevets fase-P3 er forbundet til motorens fase-B og P1 til motorens fase-A opretholdes.

Vores fremskridt med en endelig topologi ville være noget som dette:

Det er vigtigt at bemærke, at der er flere forbindelses scenarier, der vil medføre mangel på ønsket drift som skal overvejees under designet af et nyt drev. Disse forskellige scenarier ender med at være af en eller anden variation af den der er præsenteret ovenfor.

Sandsynligvis er det vigtigste, der skal realiseres og opnås under korrektionen af en eventuel mærkningsfejl, justeringen af drevets ankerfase med motorens ankerfase - ellers er der en +/- 120° forskydning og ingen mulighed for produkt-overensstemmelse med ældre og mulige nuværende produktlinjer.

Ekstra notater

1. Hvorvidt den tredje mærkningstabel [se ovenfor] kræver nogle ændringer i software/firmware, afhænger af specifikationen for, hvordan softwaren/firmwaren oprindeligt blev skrevet eller beregnet til at fungere.

2. Hvis Hall-effekt-enheder* (Halls) benyttes skal deres drevassociation eller forbindelse med deres specifikke motorfase også ændre sig afhængigt af, hvordan den originale firmware blev skrevet.

* Hall-effekten er et fænomen, der optræder i samspillet mellem elektrisk strøm og et magnetfelt: Hvis der går en elektrisk strøm i en tynd leder eller halvleder, som gennemkrydses af et magnetfelt, tvinges de ladningsbærende dele ud mod en af lederens sider.

Hall-effect-enheder bruges ofte til at forenkle 6-trins drevkommutering for BLDC-servomotorer eller etablere indstilling af et drevs kommutationsforskydning for sinusbølgekommuteret AC PM-servomotor.

Bemærkninger

Overensstemmelse mellem produkter skal hjælpe med at opretholde, forbedre produktkvalitet, sikkerhed og sikre overholdelse af teknologi mellem kunder og leverandører for et bæredygtigt design og fremstillingspraksis. Den identificerede ankerfase under konstruktionen skal være som ”fastgjort i beton”.

Konklusion
Selvfølgelig er der mange måder at blande og matche motorfaser, feedback af hall-signal, resolvere* og andre feedback-enheder for at få et fungerende system.

Producenter, der præsenterer en logisk sammenhæng mellem identificerede faser på drevet og motoren - med alle feedback typer - tager mindre tid at forstå og opsætte ved ligefremhed af signalerne og forbindelserne. Dette forbedrer også implementeringen af mix og matchede produkter, yderligere funktioner og rettelser af eventuelle fejl, controller/drev firmware og/eller HMI software, hvilket efterlader en positiv opfattelse af leverandøren og producenten.

*  En resolver er en type roterende elektrisk transformer, der bruges til at måle rotationsgrader. Det betragtes som en analog enhed og har digitale modstykker såsom digital resolver, roterende kode.

Appendix A
____________________________________________________________________________________________

For at bestemme motorfasemærkater: A, B, C - mens vi holder grundreglerne - bruger vi et dobbeltkanalsoscilloskop (OSC) og BEMF af den permanente magnet (PM) AC-servomotor som en generator ved fysisk at dreje rotoren manuelt. Der tænkes her på overvågning af spændings kurveformer genereret i forhold til hinanden.

Instruktioner:

1. Mærk fase-A på motoren efter producentens dokumentation. Denne fase-A-etiket er nu dit anker eller stel/ground (skift eller fjern ikke etiket Phase-A (anker)).

2. Forbind kanal 1 i dobbeltkanalsoscilloskopet (OSC) til fase-A.

3. Inverter (INV) kanal 2 i OSC og tilslut en af ​​de to resterende motorfaser/ledninger til kanal 2.

4. Forbind jordklemmerne på begge OSC-prober til den resterende motorfaseledning/terminal.

5. Indstil begge OSC-kanaler til DC og kanal 1 som trigger til opsamling af OSC-spor med en positiv trigger lige over nul og det skulde fungere fint.

6. Start: Indstil OSC-kanal 1 og 2, tidsbasis mellem: 5-40 m sekunder pr. division og amplitude mellem: 2-20 volt pr. division.

7. Drej motorakslen med urets retning; Aktuelt for dette eksempel - kigger ind i motorens ledningsender - typisk den bageste end-Bell på en indkapslet motor.

Dette betyder, at hvis man kigger ind i den modsatte ende på motoren, bliver man nødt til at dreje akslen/rotoren i retning mod uret for at opretholde harmoni med vores eksempel.

Bemærk: Man bliver nødt til at gøre dette flere gange for den bedste gengivelse af omfang, mens man justerer indstillingerne af OSC-volt/division og tidsbasen.

8. Efter at have justeret OSC's tidsbase og spændingsamplitude, skal man se et skærmbillede, som figur B.

9.1. Hvis nuværende BEMF-sinuskurver ligner kanal 1 (blå), der fører rød i forhold til kanal 2, figur B ovenfor; mærk da ledningen, der går til kanal 2, som fase-C og ledningen, der er forbundet til OSC-jordklemmerne, som fase-B.

9.2. Hvis kanal-2’s sinuskirve ser ud til at være forskudt til højre over den stiplede grønne linje vist ovenfor, mærk da ledningen, der går til kanal 2, som fase-B, og ledningen, der er forbundet til OSC-jordklemmerne, som fase-C.

Til top