EPOS4 : Capteurs et procédure de démarrage de la commutation sinusoïdale

Sujet :

• Quels types de capteurs sont nécessaires pour une commutation sinusoïdale ?
• Quand la commutation sinusoïdale devient-elle active lors du mouvement initial ?
   

Situation :

Il existe deux types différents de commutation de bobinage dans le cas des moteurs sans balais (= moteurs EC) :

• Commutation en bloc
  La commutation en bloc est le mode de commutation le plus simple. Elle consiste simplement à activer/désactiver progressivement les bobinages en fonction des signaux émis par les trois capteurs à effet Hall. Enfin, la commutation entraîne une ondulation du couple de 14 % au cours de chaque cycle de commutation (voir le document joint "Block-Commutation_TorqueRipple.pdf") en raison de la commutation progressive " forte " des enroulements.
  
  
• Commutation sinusoïdale
  La commutation sinusoïdale (ou FOC "Field Oriented Control") applique un courant de bobinage "sinusoïdal" basé sur des informations précises concernant la position du rotor du moteur. La position du rotor est dérivée des informations du codeur. Enfin, ce type de commutation permet d'obtenir une ondulation de couple nulle et un bruit de moteur réduit.

Les contrôleurs modernes tels que l'EPOS4 utilisent une commutation par bloc ou sinusoïdale en fonction de la configuration et des capteurs de retour utilisés.

Solution :

La commutation sinusoïdale exige un capteur à haute résolution tel qu'un codeur incrémental ou absolu analogique ou numérique, ainsi que des capteurs à effet Hall pour la procédure de démarrage pendant le premier tour électrique de l'arbre du moteur après la mise sous tension.

Dans le cas d'un moteur à paire unipolaire (= 2 pôles), un tour électrique de l'arbre du moteur correspond à un tour mécanique de 360° de l'arbre du moteur. Si un moteur à paires de pôles multiples est utilisé, un tour électrique correspond à un mouvement mécanique de l'arbre du moteur de 360° divisé par le nombre de paires de pôles. Si un moteur à 2 paires de pôles (= 4 pôles) est utilisé (comme le "EC-4pole" de maxon) par exemple, un tour électrique de 360° correspond à un tour mécanique de 180° de l'arbre du moteur. Les moteurs EC-flat ou EC-i de maxon ont un nombre de paires de pôles élevé, c'est-à-dire qu'un tour électrique correspond juste à une fraction (= 360°/nombre de paires de pôles) d'un tour mécanique de l'arbre du moteur.

La procédure concrète de démarrage de la commutation sinusoïdale dépend du type de codeur et de la configuration. La commutation peut être bloquée pendant le premier tour électrique de l'arbre du moteur jusqu'à ce que la position du codeur par rapport au rotor du moteur soit détectée et que la commutation sinusoïdale puisse être traitée.

Si une application exige un mouvement régulier sans ondulation de couple dès la mise sous tension ou si une application peut tourner l'arbre du moteur sur moins de 360°, il est recommandé de choisir un type de codeur et une configuration qui permettent au contrôleur de démarrer la commutation sinusoïdale immédiatement.

L'EPOS4 offre différentes possibilités de configuration (par le"Startup Wizard" de l'EPOS Studio) pour la commutation sinusoïdale en fonction des encodeurs utilisés. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des configurations possibles des capteurs pour la configuration sinusoïdale, ainsi que quelques conseils sur les conditions préalables et le comportement résultant lors du premier mouvement initial au cours d'un tour électrique de l'arbre du moteur (après la mise sous tension ou la réinitialisation).

1.) Commutation sinusoïdale basée sur
"Capteurs à effet Hall + codeur incrémental numérique/analogique".

ou :

• Par principe, un mouvement initial de l'arbre du moteur est nécessaire après la mise sous tension (ou la réinitialisation) pour détecter la position du rotor du moteur par rapport à la position de l'encodeur. Cela signifie que le premier mouvement du moteur commence par une commutation en bloc et que le contrôleur passe à une commutation sinusoïdale au cours du premier tour électrique de l'arbre du moteur.
  
  
• EPOS4 :
  La commutation sinusoïdale est activée après la détection du capteur à effet Hall 3 et est finalement réglée en croisant les signaux du capteur à effet Hall suivant.
  
  
• Le codeur incrémental doit être monté sur l'arbre du moteur mais ne doit pas être aligné sur une position spécifique du rotor.
  
  
  

2.) Commutation sinusoïdale basée sur
"codeur absolu SSI" (sans capteurs à effet Hall)

• La commutation sinusoïdale est activée immédiatement sur la base des informations du codeur absolu qui doit être monté et aligné d'une manière définie par rapport à la position du rotor du moteur.
  
  
• Les codeurs absolus maxon sont montés et alignés dans une position définie par rapport au rotor du moteur.
  
  
• Dans le cas d'un codeur absolu tiers ou d'un codeur maxon qui n'a pas été monté par maxon, il est impératif que ...
  
  • ... le codeur soit monté sur l'arbre du moteur.
  • ... la "valeur de décalage de commutation SSI" (objet EPOS4 : 0x3012/0x0A) soit évaluée et configurée correctement.
    
    
• Si aucune combinaison moteur maxon / encodeur n'est utilisée, les informations relatives à la configuration de la "valeur de décalage de commutation SSI" (objet EPOS4 : 0x3012/0x0A) peuvent être trouvées ici :
  
  • EPOS Studio / Start-up Wizard
    -> Controller / Commutation
  • EPOS4 Application Notes Collection :
    -> Chapter "7 Adjustment of SSI Commutation Offset Value"
    
    
    

3.) Commutation sinusoïdale basée sur
"capteurs Hall + codeur absolu SSI".

• Le principe de commutation et le démarrage sont les mêmes que dans le cas d'un système et d'une configuration utilisant des "capteurs à effet Hall et un codeur numérique incrémental".
  
  
• Un mouvement initial de l'arbre du moteur est nécessaire après la mise sous tension (ou la réinitialisation) pour détecter la position du rotor du moteur par rapport à la position du codeur. Cela signifie que le premier mouvement du moteur commence par une commutation en bloc et que le contrôleur passe à une commutation sinusoïdale au cours du premier tour électrique de l'arbre du moteur.
  
  
• EPOS4 :
  La commutation sinusoïdale est activée après la détection du capteur à effet Hall 3 et est finalement réglée en croisant les signaux du capteur à effet Hall suivant.
  
  
• Le codeur absolu doit être monté sur l'arbre du moteur mais ne doit pas être aligné sur une position définie du rotor du moteur.
  
  

Conclusion et conseils sur les meilleures pratiques :

• Il est obligatoire d'utiliser un codeur pour la commutation sinusoïdale !
  
  
• Le codeur doit être monté sur l'arbre du moteur !
  
  
• Si un codeur incrémental analogique ou numérique est utilisé, il n'est pas possible de détecter la position du codeur par rapport au rotor du moteur. Le mouvement initial après la mise sous tension (ou la réinitialisation) commencera par une commutation en bloc et passera à une commutation sinusoïdale après la détection des signaux obligatoires du capteur à effet Hall au cours du premier tour électrique de l'arbre du moteur.
  
  
• Si une application exige une activation immédiate de la commutation sinusoïdale (par exemple, parce que le mouvement complet ne dépasse pas 360°), il est obligatoire de monter un encodeur absolu sur l'arbre du moteur. Il est également obligatoire de configurer "SSI Absolute Encoder" pour la commutation et non "Digital Hall sensors & SSI Absolute Encoder".
  
  
  • Si une combinaison moteur maxon / encodeur est utilisée, l'encodeur et le rotor du moteur sont montés et alignés dans une position définie et il n'est pas nécessaire d'ajuster la "SSI commutation offset value" (objet EPOS4 : 0x3012/0x0A).
    
    
  • Si un codeur tiers est utilisé ou si le codeur n'a pas été monté par maxon, il est impératif de ...
    
    • … évaluer et configurer la "SSI commutation offset value" (EPOS4 object: 0x3012/0x0A) en cas d'utilisation du type de commutation "codeur absolu SSI" (sans capteurs à effet Hall).
      ou
    • … le type de commutation "Digital Hall sensors & SSI Absolute Encoder" doit être sélectionné. Dans cette configuration, le premier tour électrique de l'arbre du moteur après la mise sous tension (ou la réinitialisation) commence par une commutation en bloc avant que le contrôleur ne passe automatiquement à une commutation sinusoïdale.

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