Решение проблем, связанных с согласованием коммутации между серводвигателями переменного тока PM и усилителями сервопривода, особенно когда двигатель и привод от разных производителей, может оказаться довольно сложной задачей. Здесь мы расскажем, как это упростить.

Автор: Херли Гилл • Старший инженер по приложениям и системам |Коллморген

В этой статье мы начнем с подтверждения идентификации выводов серводвигателя. Затем мы перейдем к подтверждению идентичности конкретных выводов для фаз нового привода — тех, для которых метки встроенных функций еще не были проверены на выходах привода. Это проиллюстрирует основные проблемы и решения для обеспечения согласования коммутации.

Первый вопрос связан с двигателем.

Лучший способ подтвердить фазовую идентификацию двигателя — с помощью осциллографа (OSC). Но сначала давайте установим четыре основных правила:

Моторное правило номер один: Мы обозначим узлы фазы двигателя как A, B и C (A, B, C) и предположим, что напряжение обратной или противодействующей электродвижущей силы (Bemf) на фазе A превышает напряжение фазы B на 120° и Bэдс напряжение на фазе B превышает напряжение на фазе C на120°, а на фазе C Bэдс фаза выводов напряжения-A Bэдс напряжение на 120° относительно определенного направления вращения ротора двигателя. Конечно, эти фазы (узлы) можно было бы так же легко идентифицировать как R, S, T или U, V, W.

Моторное правило номер два: Мы также определим фазу А как фазу двигателя, на которую ссылается выравнивание обратной связи, что делает ее фазой привязки двигателя.

Третье моторное правило: Поскольку фазы A, B и C идентифицируют физические выводы (узлы) блока B двигателяэдс или источник питания, мы определим первое положительное или идущее в положительном направлении узловое напряжение как фазу А относительно других узловых напряжений. Это установит фиксированную начальную точку фазы привязки — так что мы можем подходить к анализу так, как если бы питание было только что подано и всегда начиналось с фазы А относительно других фаз.

Четвертое моторное правило: Фаза-Напряжение A будет положительным ведущим напряжением в каждой рассматриваемой начальной последовательности — независимо от того, исследуем ли мы фазу Bэдс двигателя или источника питания для двигателя.

Фазы A, B, C, вращение по часовой стрелке (CW) относительно заданного направления вращения двигателя-ротора — устанавливается ли ориентир, глядя на выходной конец двигателя или на его типичный противоположный конец (датчик крутящего момента) — не имеет значения, пока мы последовательны. Для целей этой статьи мы используем фазы A, B и C для вращения ротора двигателя по часовой стрелке (CW), если смотреть со стороны ввода-вывода двигателя.

Определить фазы серводвигателя несложно с помощью двухканального осциллографа. Последнее позволяет инженерам проверять относительное соотношение фаз двигателя (Bэдс формы сигналов) с заданным вращением ротора. Для получения полных инструкций о том, как это можно сделать, обратитесь к разделу этой статьи, озаглавленному, Глубокое погружение при использовании осциллографа для наблюдения за осциллограммами двигателя.

Затем, исследуя, как Бэдс напряжения узлов связаны друг с другом (ВАB, VBC, ВКA, ИB, VBC, и так далее) фазы вашего двигателя будут успешно идентифицированы и помечены как A, B, C, поскольку ротор серводвигателя вращается в направлении, определенном производителем. Для нашего примера в этой статье мы предполагаем, что это направление — CW, когда смотрим на ведущий выходной конец или типичный задний торцевой звонок нашего размещенного серводвигателя.

В связи с этим следует отметить, что узел VAB или VAB следует читать как напряжение в узле A относительно узла B. Каждый узел помечен для дальнейшего использования таким образом — только одной специально обозначенной буквой. Для этого есть веская причина.

Наш второй вопрос связан с приводом. Предположим, мы только что разработали новый сервопривод и хотим сохранить смещения и выравнивания коммутации с обратной связью, чтобы обеспечить согласованность между продуктами (включая углы коммутации с обратной связью и так далее).

Это действительно хороший вопрос — и в данном примере ясно, что сначала у нас был синхронный двигатель переменного тока с постоянными магнитами (PM), который мы хотим использовать в качестве серводвигателя, — прежде чем использовать для этого усилитель привода.

Как и в случае с нашим исследованием двигателя, давайте ответим на наш вопрос, связанный с вождением, сначала установив некоторые основные правила.

Приводное правило номер один: Убедитесь, что двигатели и приводы вашей предыдущей продукции соответствуют установленным вами методам идентификации фаз двигателя. Это зависит от мощности двигателя Вэдс генерируется при повороте в определенном направлении.

Правило второго привода: Мы должны идентифицировать конкретно определенную фазу в качестве привязки, которую мы устанавливаем как P1 (для целей этой статьи) с помощью устройства обратной связи. Эта фаза питания якоря имеет положительное начальное напряжение в каждой рассматриваемой начальной последовательности, как если бы питание было только что подано и всегда начиналось с указанной фазы якоря относительно всех остальных фаз. Опять же, это то, что мы предполагаем для целей данной статьи. В реальной эксплуатации идентифицированные три фазы вращаются по кругу; определение одной фазы в качестве привязки задает ориентир, на основе которого проектируются или могут быть спроектированы аппаратное обеспечение, программное обеспечение и микропрограммное обеспечение встроенного ПО (как в этом примере).

Третье правило вождения: Для целей этой статьи мы определяем фазы нашего привода как P1, P2 и P3 для положительного направления вращения. Это означает, что источник питания для указанного положительного направления вращения включает в себя выходную фазу P1, ведущую P2 на 120°, и фазу P2, ведущую P3 на 120°, и P3, ведущую P1 на 120°. Конечно, мы хотим, чтобы фазы сервопривода были помечены как A, B и C на выпущенном продукте — чтобы этикетки соответствовали двигателю, с которым он интегрируется. Однако до тех пор, пока наше программирование в приводе не будет подтверждено, мы назначаем выходные фазы привода как P1, P2 и P3 — где P1 — это фаза привязки привода, с которой разрабатывается все аппаратное обеспечение, программное обеспечение прошивки и на которую ссылается ожидаемый сигнал обратной связи внутри привода.

Четвертое правило вождения: Мы предполагаем, что привод увидит сигнал обратной связи, подсчитывающий (положительный) для определенного вращения в положительном направлении (как указано в третьем правиле привода выше) подаваемых фаз. Мы также предполагаем, что это положительное направление коммутации совпадает с определенным направлением коммутации двигателя (CW). Мы также предполагаем, что все соединения с обратной связью функционально такие же, как и у предыдущих приводов и двигателей. (Так и должно быть.)

Примечание: Настройка угла переключения на приводе зависит от согласования фаз двигателя и аппаратной обратной связи. Однако эта настройка также зависит от того, как записано встроенное по и программное обеспечение привода; количества пар полюсов двигателя (электрических циклов) при одном повороте двигателя-ротора на 360°; и его первоначального выравнивания обратной связи относительно фаз двигателя.

Одной из распространенных ошибок является назначение фаз привода A, B и C без промежуточного этапа (обозначение их P1, P2 и P3) для подтверждения правильности маркировки и функционирования. Другой распространенной ошибкой является назначение фаз привода A, B и C без предварительного определения того, какая мощность должна подаваться на двигатель, чтобы он вращался в заданном направлении.

На данном этапе для разработчика привода было бы обычным и, по-видимому, логичным установить программное обеспечение привода, встроенное ПО и физическую схему таким образом, чтобы положительный электрический выходной сигнал вращения эффективно подавал положительное напряжение на фазу якоря предлагаемого двигателя A (наш P1) относительно фазы B (наш P2), а затем на фаза B (P2) относительно фазы C (наш P3) и, наконец, в фазе C (P3) относительно фазы A (P1). Ожидаемая обратная связь для положительного вращения источника электроэнергии будет подсчитана, и будет установлена фазировка коммутации с фазой P1 в качестве якоря привода.

Однако, когда фазы привода назначаются заранее таким образом, на первый взгляд соединения привода с двигателем выглядят как A к A, B к B и C к C. Это быстро выявит ошибку подключения, потому что система не будет работать. Почему?

Такое назначение не сработает, поскольку напряжения питания должны подаваться на каждую фазу двигателя напротив генерируемого двигателем напряжения Bэдс (для того же определенного направления вращения), которое используется для определения индивидуальной фазы двигателя (однобуквенная идентификация). Мы нашли фазы двигателя A, B, C по значению B двигателяэдс ИB, VBC, ВКA, ИB, VBC, и т.д., в частности, с использованием определенного направления вращения — метода, используемого во всей индустрии серводвигателей.

Однако для того, чтобы подаваемая мощность противодействовала или появлялась в противоположность ЭДС двигателя (Bэдс для заданного направления вращения) выходные фазные напряжения привода должны подаваться на двигатель в виде VAC, VBA, ВКB, ИC, VBA, и так далее против Bэдс из двигателя. Итак, с точки зрения нашей определенной фазы привязки, мы должны переключить ее ссылку, а не фазу привязки.

Обратите внимание, что узел VAC или VAC считывается как напряжение в узле A относительно узла C. Это также демонстрирует, почему для определения конкретного двигателя и фазы привода после соответствующего определения используется только одна буква.

Другим элементом, который абсолютно необходим для поддержания гармонии коммутации между устройствами, является идентифицированный фазный якорь привода (здесь P1) для согласования с фазным якорем двигателя (фаза A). Обратите внимание, что фаза возбуждения P1 не обязательно должна быть якорной. В действительности, было бы желательно назначить фазу якоря привода в соответствии с фазой якоря двигателя, для которого необходимо поддерживать выравнивание коммутации.

Можно было бы предположить, что мы можем устранить проблему, переключив фазные соединения двигателя A и B на приводе. Однако это приведет к несовпадению фазы A якоря двигателя с фазой P1 якоря привода и приведет к смещению фазового угла коммутации на ±120° по сравнению со всеми ранее выпускавшимися комбинациями линейки продуктов motor-drive, что также означает, что она не соответствует нашим первоначальным требованиям.

Конечно, переключение фаз двигателя A и B является обычной практикой в электротехнической промышленности для изменения направления вращения асинхронного двигателя переменного тока. Но это решение нежелательно, поскольку наша цель состоит в том, чтобы иметь согласованные и последовательные метки подключения привода A, B и C, а не B, A и C, как они отображаются на диске. Простое изменение маркировки соединений B, A и C на A, B и C (или C, B и A) приводит к нежелательному смещению фазового угла коммутации по сравнению со всеми ранее изготовленными комбинациями линейки электроприводов (если только это не исправлено в программном обеспечении привода или встроенным ПО или схемотехнической схемой)..

Итак, каков был бы наилучший способ избежать или исправить это первоначальное заблуждение?

Во-первых, давайте вернемся к распространенному и, предположительно, логичному случаю, когда разработчик привода устанавливает программное обеспечение, встроенное ПО и физическую схему привода таким образом, чтобы положительное электрическое вращение представлял бы собой выходной сигнал, эффективно подающий положительное напряжение на первоначально обозначенную выходную фазу P1 привода относительно P2, затем фазу P2 относительно фазы P3, а затем фазу P3 относительно фазы P1. Ожидаемая обратная связь для положительного вращения электрического источника будет засчитываться с фазой привязки, установленной как P1.

Предполагая, что соединения привода с двигателем являются P1 для фазы двигателя A, P2 для B и P3 для C, это приведет к аналогичной ошибке при подаче фазных напряжений на Bэдс относительно желаемого заданного направления, а не против направления вращения двигателя Вэдс Итак, каков наилучший способ скорректировать и поддерживать фазу якоря привода P1 и установленную фазу якоря двигателя A?

Ответ заключается в том, что мы переключаем опорную фазу привода (таким образом, P2 подключается к фазе C двигателя) таким образом, чтобы напряжение, подаваемое на привод, соответствовало напряжению B двигателяэдс и позволяющий поддерживать первую фазу (якорь P1) в течение побуждения управляют вторым перечисленные выше. Это означает, что фаза привода P3 подключается к фазе двигателя B, а P1 к фазе двигателя A поддерживается.

Наш прогресс в создании окончательной топологии был бы примерно таким, как показано на рисунке, Прогрессия для окончательной топологии.

Существует множество сценариев подключения, которые приведут к отсутствию желаемой работы при проектировании нового накопителя. Эти различные сценарии в конечном итоге представляют собой ту или иную вариацию представленного выше. Обычно наиболее важным фактором, который необходимо учитывать при повторной маркировке, является согласование фазы якоря привода с фазой якоря двигателя. В противном случае происходит смещение на ±120° и невозможна гармония продукта со старыми и, возможно, нынешними линейками продуктов.

Дополнительное примечание: Независимо от того, соответствует ли третья маркировка, показанная на рисунке, названному, Прогрессия для окончательной топологии требуется внести некоторые изменения в программное обеспечение и встроенное ПО, которые будут зависеть от особенностей того, как программное обеспечение и встроенное ПО были изначально написаны или предназначались для работы.

Также обратите внимание, что если используются устройства с эффектом Холла (Halls), то их связь привода с конкретной фазой двигателя также должна измениться в зависимости от того, как была написана исходная прошивка. Если проблемой является только ссылка на источник для фазы привязки A, то переопределение Hb (Hall-b) как H_P3 и Hc как H_P2 может завершить исправление относительно приводов P2 и P3. Ознакомьтесь с белой книгой Коллморгена, озаглавленной, Фазирование серводвигателя с коммутацией Холла (страницы T20-T22) на kollmorgen.com подробнее об этом читайте здесь.

Наблюдения: Гармония между продуктами должна способствовать поддержанию и повышению качества и безопасности продукции, а также обеспечивать соответствие технологий между заказчиками и поставщиками для устойчивого проектирования и производственных практик. Используя метафору, выявленная опорная фаза во время проектирования должна быть такой же фиксированной, как Каменный меч, — ее не сможет забрать неправомерный претендент. “Если меч перемещать, он перемещается вместе с камнем, будучи закрепленным внутри”.

Конечно, существует множество способов смешивать и сопоставлять фазы двигателя, сигналы Холла, сигналы распознавателя и другие устройства обратной связи, чтобы получить работающую систему. Производители, которые обеспечивают логические взаимосвязи между фазами привода и двигателя со всеми типами обратной связи, сводят к минимуму время, необходимое для понимания и настройки схем движения, поскольку они упрощают задачи подключения. Это также улучшает дизайн, который использует уникальные возможности смешанных и подобранных продуктов; облегчает исправление любых ошибок в встроенном ПО контроллера и привода или программном обеспечении HMI; и дает конечным пользователям положительное представление о поставщике и производителе компонентов.

Чтобы определить обозначения фаз двигателя A, B, C, придерживаясь основных правил, изложенных в первом разделе этой статьи (Как мы можем подтвердить идентификацию фазы производителем) по сути, мы будем использовать Bэдс серводвигателя переменного тока с постоянными магнитами (PM) в качестве генератора переменного тока. Мы сделаем это, подключив осциллограф к двигателю, физически вращая якорь вручную и отслеживая формы сигналов напряжения, генерируемых относительно друг друга.

1. Обозначьте фазу А двигателя в соответствии с документацией производителя. Эта фаза-метка теперь является вашим якорем или колышком в земле. Не меняйте и не удаляйте метку фазы А.

2. Подключите канал 1 двухканального осциллографа к фазе A.

3. Инвертируйте (INV) канал 2 осциллографа и подсоедините любой из двух оставшихся проводов фазы двигателя к каналу 2.

4. Подсоедините зажимы заземления обоих зондов осциллографа к оставшемуся фазному проводу двигателя (клемме).

5. Установите соединение осциллографа (оба канала) на постоянный ток и канал 1 в качестве триггера для захвата сигналов осциллографа с положительным фронтом. Положительный триггер чуть выше нуля должен работать просто отлично.

6. Начните с установки временной базы каналов 1 и 2 осциллографа в диапазоне от 5 до 40 мс на деление. Затем установите амплитуды каналов 1 и 2 в диапазоне от 2 до 20 В на деление. Затем отрегулируйте по мере необходимости для шага 7, указанного ниже.

7. Поверните вал двигателя в направлении постоянного тока. В примере, который мы использовали в этой статье, речь идет о выводном конце двигателя — обычно это задняя торцевая часть двигателя в корпусе.

Это означает, что если вы смотрите на противоположный конец (монтажный раструб) двигателя, вам нужно будет вращать вал ротора против часовой стрелки, чтобы сохранить гармонию с нашим примером. Фактически, вам нужно будет делать это снова и снова (несколько раз для наилучшего отображения области видимости), одновременно настраивая напряжение / деление осциллографа и временную базу.

8. После настройки временной базы осциллографа и амплитуды напряжения вы должны получить график области видимости, который выглядит аналогично показанному на рисунке под названием, График осциллографа двигателя, работающего вручную в качестве генератора (без зеленой пунктирной линии). Если это возможно, на данном этапе может быть очень полезно использовать функцию захвата и удержания осциллографа.

9. Если ваш нынешний Бэдс формы сигналов выглядят как каналы 1 и 2 (синий и красный соответственно триггеру на рисунке под названием, График осциллографа двигателя, работающего вручную в качестве генератора) обозначьте провод, идущий к каналу 2, как фазу C, а провод, подключенный к зажимам заземления осциллографа, как фазу B. Если сигнал вашего канала 2 выглядит так, как будто он смещен вправо по пунктирной зеленой линии, показанной на рисунке, обозначьте провод, идущий к каналу 2, как фазу B, а провод, подключенный к зажимам заземления осциллографа, как фазу C.

Для девятого шага, описанного выше (для использования осциллографа для наблюдения за сигналами двигателя), переключите провода между зажимами заземления осциллографа и каналом 2 и убедитесь, что сигналы теперь выглядят как каналы 1 и 2, как указано выше. если нет, то вы допустили ошибку где-то на этом пути. Здесь убедитесь, что вы вращаете ротор в правильном направлении и что канал 2 перевернут.

Как только выходные данные появятся в соответствии с ожиданиями, фазы вашего двигателя могут быть успешно идентифицированы и помечены как A, B и C, указав, как напряжения узлов соотносятся друг с другом — VAB, VBC, ВКA, ИB, VBC, и так далее от двигателя Bemf когда ротор серводвигателя вращается в заданном направлении. В нашем примере это делается по часовой стрелке, если смотреть на задний торцевой звонок. Обратите внимание, что узел VAB или VAB следует считывать как напряжение в узле A относительно узла B.

Затем каждый узел помечается для дальнейшего использования только одной специально обозначенной буквой. Опять же, для этого есть веская причина.

Херли Гилл — старший инженер по приложениям и системам в Kollmorgen в Рэдфорде, штат Вирджиния. Он окончил Технический университет Вирджинии в 1978 году и работает в индустрии управления движением с 1980 года. С ним можно связаться по адресу херли.gill@kollmorgen.com .

Компания Kollmorgen была основана в 1916 году. Сегодня ее знания в области систем и компонентов движения, лидирующее в отрасли качество и глубокий опыт в соединении и интеграции стандартных и нестандартных продуктов постоянно обеспечивают прорывные решения для движения, не имеющие себе равных по производительности, надежности и простоте использования. Это дает машиностроителям по всему миру неоспоримое преимущество на рынке и обеспечивает их клиентам абсолютное спокойствие. Для получения дополнительной информации посетите www.kollmorgen.com.