EPOS4: Sensoren & Aufstarten der Sinus-Kommutierung

Thema:

• Welche Art von Sensoren sind für eine Sinus-Kommutierung zwingend erforderlich?
• Ab welchem Zeitpunkt wird die Sinus-Kommutierung bei der ersten Bewegung aktiviert?
   

Ausgangslage:

Es gibt zwei mögliche Arten der Wicklungskommutierung (= Wicklungsumschaltung) für bürstenlose Motoren (= EC Motoren):

• Block-Kommutierung:
  Die Block-Kommutierung ist die einfachste Art der Kommutierung. Die Block-Kommutierung schaltet die Motorwicklungen schrittweise ein / aus basierend auf dem Signalmuster der drei Hallsensoren. Im Endergebnis führt diese Art der Kommutierung durch die stufenweise "harte" Umschaltung der Wicklungen zu einem prinzip bedingten Drehmoment-Rippel von 14% innerhalb jedes Kommutierungssegments (-> siehe im angehängten Dokument "Block-Commutation_TorqueRipple.pdf").
  
  
• Sinus-Kommutierung:
  Bei der Sinus-Kommutierung (oder auch als FOC "Field Oriented Control" benannt) wird ein sinus-förmiger Stromverlauf in die Wicklungen eingeprägt, der auf der exakten Rotorposition basiert. Die Rotorposition wiederum wird aus der Encoder-Information abgeleitet. Diese Art der Kommutierung führt zu keinem Drehmoment-Rippel und besitzt den geringsten Motorgeräuschpegel.

Moderne Steuerungen wie die EPOS4 ermöglichen den Einsatz der Block- oder Sinus-Kommutierung in Abhängigkeit von der Konfiguration und dem vorhandenen Geberssystem. 

Lösung:

Die Sinus-Kommutierung erfordert zwingend einen hoch-auflösenden Sensor wie zum Beispiel einen analogen oder digitalen inkrementellen oder absoluten Encoder, sowie teilweise zusätzlich Hallsensoren für den Start der Kommutierung innerhalb der ersten Motorwellen-Umdrehung direkt nach dem Einschalten (oder einem Reset) der Steuerung.

Bei einem Motor mit nur einem Polpaar entspricht eine elektrische Umdrehung ebenfalls einer mechanischen Umdrehung (= 360°) der Motorwelle. Falls ein Motor mit mehreren Polpaaren im Einsatz ist, entspricht eine elektrische Umdrehung nur einer mechanischen Bewegung der Motorwelle von 360° geteilt durch die Polpaar-Anzahl. Falls zum Beispiel ein Motor mit 2 Polpaaren (wie der maxon "EC-4pole") verwendet wird, entspricht eine elektrische 360° Umdrehung einer mechanischen 180° Bewegung der Motorwelle. maxon's EC-flat und EC-i Motoren besitzen eine höhere Anzahl an Polpaaren wodurch eine elektrische Umdrehung nur dem Bruchteil (= 360°/Polpaarzahl) einer mechanischen Umdrehung der Motorwelle entspricht.

Das konkrete Aufstarten einer Sinus-Kommutierung nach dem Einschalten hängt von dem verwendeten Encoder-Typ und der Konfiguration ab. Es ist hierbei möglich, dass zuerst mit einer Block-Kommutierung während der ersten elektrischen Umdrehung gestartet werden muss bevor der Bezug zwischen der Encoder-Information und der Lage des Rotors des Motors hergestellt und dann auf die Sinus-Kommutierung automatisch gewechselt werden kann.

Falls eine Anwendung einen "sanften" Anlauf ohne Drehmoment-Rippel bereits innerhalb der ersten Umdrehung nach dem Einschalten erfordert oder die Motorwelle nur Bewegungen innerhalb 360° ausführen kann, wird empfohlen einen Encoder-Typ und eine Konfiguration zu wählen, die es der Steuerung ermöglicht sofort mit der Sinus-Kommutierung zu starten.

Die EPOS4 bietet verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten (über den EPOS Studio's "Startup Wizard") für die Sinus-Kommutierung bei Vorhandensein eines Encoders. Nachfolgend findet sich ein Überblick über diese Konfigurationsvarianten für die Sinus-Kommutierung mit Hinweisen zu notwendigen Voraussetzungen und dem Verhalten während der initialen Bewegung innerhalb der ersten elektrischen Umdrehung der Motorwelle (nach dem Einschalten oder einem Reset).

1.) Sinus-Kommutierung basierend auf
"Hallsensoren + Digital- / Analog-Inkremental Encoder"

oder:

• Prinzip bedingt kann der Encoder-Bezug zur Rotorposition erst über die Detektion eines Hallsensor-Signals bestimmt werden, d.h. der Betrieb mit Sinus-Kommutierung ist beim Einschalten nicht sofort möglich und wird erst innerhalb der ersten elektrischen Umdrehung aktiviert. In einer ersten Phase bis zur automatischen Umschaltung auf Sinus-Kommutierung erfolgt deshalb eine Block-Kommutierung.
  
  
• EPOS4:
  Die Sinus-Kommutierung wird bei der ersten Detektion des Hall-Sensors 3 aktiviert und bei den weiteren Hallsensor-Signalen nochmals nachjustiert.
  
  
• Der Inkrementalgeber muss auf der Motorwelle montiert sein, aber muss nicht spezifisch auf eine Rotorposition ausgerichtet werden.
  
  
  

2.) Sinus-Kommutierung basierend auf
"SSI-Absolutgeber" (ohne Hallsensoren)

• Die Sinus-Kommutierung wird sofort aktiviert basierend auf der Rotorlage-Information durch den Absolutgeber.
  
  
• maxon Absolutgeber sind in Bezug zur Rotorlage definiert montiert und ausgerichtet.
  
  
• Bei Absolutgebern von Drittherstellern oder auch nachträglich montierten maxon Absolutgebern muss …
  • … der Geber auf der Motorwelle montiert sein.
  • … der sogenannte "SSI commutation offset value" (EPOS4 Objekt: 0x3012/0x0A) konfiguriert werden.
    
    
• Falls keine maxon Motor-/Encoder-Kombination verwendet wird, finden sich Hinweise zur Konfiguration des "SSI commutation offset value" (EPOS4 Objekt: 0x3012/0x0A) hier:
  • EPOS Studio / Start-up Wizard
    -> Controller / Commutation
  • EPOS4 Application Notes Collection:
    -> Chapter “7 Adjustment of SSI Commutation Offset Value”
    
    
    

3.) Sinus-Kommutierung basierend auf
"Hallsensoren und SSI-Absolutgeber"

• Das Verhalten und der Ablauf ist wie bei der Sinus-Kommutierung basierend auf "Hallsensoren und Digital-Inkremental Encoder“.
  
  
• Der Encoder-Bezug zur Rotorposition wird  über die Detektion eines Hallsensor-Signals bestimmt, d.h. der Betrieb mit Sinus-Kommutierung ist beim Einschalten nicht sofort möglich und wird erst innerhalb der ersten elektrischen Umdrehung aktiviert. In einer ersten Phase bis zur automatischen Umschaltung auf Sinus-Kommutierung erfolgt deshalb eine Block-Kommutierung.
  
  
• EPOS4:
  Die Sinus-Kommutierung wird bei der ersten Detektion des Hall-Sensors 3 aktiviert und bei weiteren Hallsensor-Signalen nochmals nachjustiert.
  
  
• Der Absolutgeber muss auf der Motorwelle montiert sein, aber muss nicht in einem definierten Bezug zur Motorwelle ausgerichtet sein.
  
  
  

Zusammenfassung & Tipps aus der Praxis:

• Eine Sinus-Kommutierung setzt einen Encoder zwingend voraus!
  
  
• Der Encoder muss auf der Motorwelle montiert sein muss!
  
  
• Falls ein analoger oder digitaler Inkremental-Encoder verwendet wird, so steht direkt nach dem Einschalten (oder einem Reset) der Bezug zwischen der Encoder-Information und der Rotorlage des Motors noch nicht zur Verfügung. In diesem Fall wird bei der ersten Bewegung der Motorwelle mit einer Block-Kommutierung gestartet und erst bei der Detektion der Hallsensor-Flanken innerhalb der ersten elektrischen Motorwellen-Umdrehung auf die Sinus-Kommutierung umgeschaltet.
  
  
• Sofern bei einer Anwendung die sofortige Aktivierung der Sinus-Kommutierung erforderlich ist (z.B. weil die Motorwelle nur Bewegungen von kleiner 360° ausführt), muss ein Absolutgeber auf der Motorwelle montiert sein. Es muss in diesem Fall als Kommutierungssensor "SSI Absolute Encoder" konfiguriert werden und NICHT(!!) "Digital Hall sensors & SSI Absolute Encoder".
  
  
  • Bei maxon Motor-/Encoder-Kombinationen ist der Encoder definiert zur Rotorposition des Motors montiert und der "SSI commutation offset value" (EPOS4 Objekt: 0x3012/0x0A) muss nicht(!) abgeglichen werden.
    
    
  • Bei dem Einsatz von Encodern von Drittherstellern oder auch der nachträglichen Montage von maxon Encodern muss …
    • … bei der Kommutierung "SSI Absolute Encoder" (ohne Hallsensoren) der "SSI commutation offset value" (EPOS4 Objekt: 0x3012/0x0A) ermittelt und korrekt konfiguriert werden.
      oder
    • … "Digital Hall sensors & SSI Absolute Encoder" als Kommutierungssensor konfiguriert werden. Bei dieser Konfiguration startet die EPOS4 innerhalb der ersten elektrischen Umdrehung jedoch mit einer Block-Kommutierung bevor auf die Sinus-Kommutierung umgeschaltet wird.

Deutsche und englische PDF Kopien der obigen Informationen: