Решение проблем, связанных с согласованием коммутации между серводвигателями переменного тока PM и сервоусилителем, особенно когда двигатель и привод разных производителей, может быть довольно сложной задачей. Здесь мы расскажем, как сделать это проще.

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

Первый вопрос связан с двигателем.

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

Моторное правило номер один: Мы определим узлы фазы двигателя как A, B и C (A, B, C) и предположим, что напряжение обратной или противоэлектродвижущей силы (Bemf) на фазе A опережает напряжение фазы B на 120° и противоЭДС на фазе B опережает напряжение на фазе C на 120°, а в фазе C противоЭДС опережает напряжение на выводе фазы-A на 120° относительно определенного направления вращения ротора двигателя. Фазы (узлы) так же могут быть обозначены как R, S, T или U, V, W.

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

Третье моторное правило: Поскольку фазы A, B и C идентифицируют физические выводы (узлы) двигателя противоЭДС или источника питания, мы определим первое положительное или идущее с положительной частотой узловое напряжение как фазу А относительно других узловых напряжений. Это установит фиксированную начальную точку привязки фазы — 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: Напряжение фазы A будет положительным ведущим напряжением для каждой рассматриваемой начальной последовательности — независимо от того, исследуем ли мы фазу противоЭДС двигателя или источника питания для двигателя.

Фазы A, B, C имеют направление вращения по часовой стрелке (CW) относительно заданного направления вращения ротора двигателя — независимо от того, устанавливается ли исходное значение путем осмотра выводных концов двигателя или его типичного противоположного конца (торцевой звонок 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 входного отверстия двигателя.

С помощью двухканального осциллографа легко определить фазы серводвигателя. Последнее позволяет инженерам соотнести фазы двигателя (формы сигналов противоЭДС ) с определенным направлением вращения ротора. Для получения полных инструкций о том, как это можно сделать, обратитесь к разделу этой статьи, озаглавленному, Глубокое погружение в использование осциллографа для наблюдения за осциллограммами двигателя.

Затем, исследуя, как напряжения противоЭДС в узлах соотносятся друг с другом (ВАB, VBC, VCA, 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 является CW, когда смотрим на выходной конец вала или типичный задний торцевой звонок нашего встроенного серводвигателя.

В связи с этим отметим, что узел VAB или VAB следует читать как напряжение в узле A по отношению к узлу B. Каждый узел помечен таким образом для дальнейшего использования — 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 для данного примера 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 приводом, сначала установив некоторые основные правила.

Правило привода первое: Убедитесь, что двигатели и приводы вашей предыдущей установки соответствуют установленным вами методам идентификации фаз двигателя. Это зависит от мощности двигателя противоЭДС генерируется при вращении в определенном направлении.

Правило привода второе: Мы должны идентифицировать конкретно определенную фазу в качестве якоря, который 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 других фаз. Опять же, это то, что мы предполагаем для целей данной статьи. В реальной эксплуатации указанные три фазы вращаются по кругу; определение одной фазы в качестве привязки задает эталон, на основе которого разрабатываются или могут быть разработаны аппаратные средства, программное обеспечение и микропрограммное обеспечение (как в этом примере).

Третье правило привода: Для целей этой статьи мы определяем наши фазы привода как P1, P2 и P3 для положительного направления вращения. Это означает, что источник питания для указанного положительного направления вращения включает выходную фазу P1, опережающую P2 на 120°, и фазу P2, опережающую P3 на 120°, и P3, опережающую P1 на 120°. Конечно, мы хотим, чтобы фазы сервопривода были помечены на выпускаемом продукте как A, B и C — чтобы метки соответствовали двигателю, с которым он интегрируется. Однако, пока наше программирование внутри привода не будет подтверждено, мы назначаем выходные фазы привода как P1, P2 и P3 — где P1 — это фаза привязки привода, на основе которой разрабатывается все аппаратное обеспечение, программное обеспечение, микропрограммное обеспечение и на которые ссылается ожидаемый сигнал обратной связи внутри привода.

Четвертое правило привода: Мы предполагаем, что привод увидит сигнал обратной связи, отсчитывающий (положительный) заданное положительное направление вращения (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 функционируют так же, как у предыдущих приводов и двигателей.

Примечание: Настройка угла переключения в приводе зависит от согласования фаз двигателя и аппаратных средств обратной связи. Однако эта настройка также зависит от того, как записано встроенное ПО и программное обеспечение в приводе; от количества пар полюсов двигателя (электрических циклов) за один поворот двигателя-ротора на 360°; и от первоначальной настройки обратной связи относительно фаз двигателя.

Одной из распространенных ошибок является назначение фаз привода A, B и C без промежуточного шага (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, каким образом необходимо подавать мощность на двигатель, чтобы он вращался в заданном направлении.

На этом этапе разработчику 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 фаза коммутации с фазой P1 в качестве якоря привода.

Однако, когда фазы привода назначаются заранее таким образом, на первый взгляд (первое впечатление) соединения привода с двигателем являются 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 напряжение питания должно подаваться на каждую фазу двигателя, противоположную генерируемому двигателем 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, VCA, ИB, VBC и т.д., в частности, с использованием определенного направления вращения — метод, используемый во всей индустрии серводвигателей.

Однако для того, чтобы питающая мощность противодействовала или появлялась в противоположность ЭДС двигателя (BЭДС для определенного направления вращения) выходные фазные напряжения привода должны подаваться на двигатель в виде ВАC, VBA, VCB, ИC, VBA, и так далее по отношению к 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 по отношению к узлу 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 согласованности коммутации между продуктами, является обозначенный фазовый якорь привода (здесь P1) для согласования с фазовым якорем двигателя (фаза A). Обратите внимание, что фаза привода P1 не обязательно должна быть якорной. В действительности, хотелось бы 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 несоответствию фазы A якоря двигателя фазе P1 якоря привода и приведет к смещению фазового угла коммутации на ±120° по сравнению со всеми ранее изготовленными комбинациями линейки мотор-приводов, что также означает, что они не соответствуют 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, потому что наша цель — иметь согласованные и последовательные метки подключения к дисководу A, B и C, а не B, A и C, как они отображаются на диске. Простая замена 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 программным обеспечением привода и встроенным ПО или схемой компоновки)..

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

Во-первых, давайте вернемся к обычному и, предположительно, логичному случаю, когда разработчик накопителя устанавливает программное обеспечение, встроенное ПО и физическую схему накопителя таким образом, чтобы положительное электрическое вращение будет представлять собой выходной сигнал, эффективно подающий положительное напряжение на первоначально обозначенную выходную фазу привода P1 относительно P2, затем фазу P2 относительно фазы P3, а затем фазу P3 относительно фазы P1. Ожидаемая обратная связь для положительного вращения источника электроэнергии будет учитываться при установке фазы якоря как P1.

Предположение, что подключение привода к двигателю осуществляется P1 к фазе двигателя A, P2 к B и P3 к C, приведет к аналогичной ошибке при подаче фазных напряжений на BЭДС относительно желаемого определенного направления, а не против направления B двигателя.ЭДС. Итак, каков наилучший способ исправить 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 подаваемое напряжение привода соответствовало напряжению B двигателяЭДС и позволяющий поддерживать первую фазу (якорь P1) в течение управляет правилом номер два перечисленные выше. Это означает, что фаза привода P3 подключается к фазе двигателя B, а P1 к фазе двигателя A поддерживается.

Наш подход к 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 следует учитывать при повторной маркировке, является согласование фазы якоря привода с фазой якоря двигателя. В противном случае происходит смещение на ±120° и отсутствует возможность гармонизации продукта со старыми и потенциально существующими линейками продуктов.

Дополнительное примечание: Соответствует ли третья маркировка, показанная на рисунке, названию, Прогрессия для окончательной топологии требуются некоторые изменения в программном обеспечении и микропрограммном обеспечении, которые будут зависеть от особенностей того, как программное обеспечение и микропрограммное обеспечение были первоначально написаны или предназначены для работы.

Также обратите внимание, что если используются устройства с эффектом Холла (Halls), их связь с приводом и конкретной фазой двигателя также должна измениться в зависимости от того, как была написана исходная прошивка. Если проблема связана только с исходной ссылкой для фазы привязки A, то переопределение Hb (Hall-b) как H_P3 и Hc как H_P2 может завершить исправление относительно привода 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 в целях устойчивого проектирования и производственной практики. Используя метафору, определенная фаза привязки во время проектирования должна быть такой же незыблемой, как Каменный меч, — ее невозможно взять неправомерному претенденту. “Если меч двигать, он движется вместе с камнем, закрепленным внутри”.

Конечно, существует множество способов смешивания и согласования фаз двигателя, сигналов Холла, сигналов преобразователя и других устройств обратной связи для получения работающей системы. Производители, которые обеспечивают логические взаимосвязи между фазами привода и электродвигателя со всеми типами обратной связи, минимизируют время, необходимое для понимания и настройки схемы движения, поскольку они упрощают задачи подключения. Это также улучшает дизайн, позволяющий использовать уникальные возможности комбинированных продуктов; упрощает исправление любых ошибок во встроенном ПО контроллеров и приводов или программном обеспечении HMI; и дает конечным пользователям положительное представление о поставщике и производителе компонентов.

Чтобы определить метки 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. Этот этап — 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 датчиков осциллографа к оставшемуся фазному проводу двигателя (клемме).

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

6. Начните с настройки 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 задний торцевой разъем двигателя в корпусе.

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

8. После настройки временной базы осциллографа и амплитуды напряжения вы должны получить график области видимости, похожий на приведенный на рисунке., График осциллографа двигателя, включенного вручную в качестве генератора (без зеленой пунктирной линии). Если таковая имеется, использование функции захвата и удержания осциллографа может быть очень полезным на данном этапе.

9. Если ваш нынешний БЭДС сигналы выглядят как каналы 1 и 2 (синий и красный, соответствующие триггеру на рисунке под названием, График осциллографа двигателя, включенного 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 поверх 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 сигналов двигателя), переключите провода между зажимами заземления осциллографа и каналом 2 и убедитесь, что сигналы теперь выглядят как канал 1 и канал 2, как указано. если нет, то вы где-то допустили ошибку 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 можно будет успешно идентифицировать и обозначить как A, B и C, указав, как напряжения узлов соотносятся друг с другом — VAB, VBC, VCA, ИB, VBC, и так далее от двигателя Bemf при вращении ротора серводвигателя 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 рассматривать как напряжение в узле A по отношению к узлу 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 факультет 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 благодаря знаниям в области систем и компонентов движения, лидирующему в отрасли качеству и глубокому опыту в области соединения и интеграции стандартных и изготовленных на заказ продуктов компания постоянно предлагает 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.