Elektronische Kommutierung

Diese modernen Motoren erzeugen das für den Motorenlauf notwendige Wechselfeld über eine elektronische Schaltung, verschleißfrei und reibungslos. Der eingesetzte Motortyp und das eingesetzte Gebersystem entscheidet über das Kommutierungsverfahren.

Absolutes Gebersystem (Motor-Feedback) innerhalb einer Umdrehung

Beispiele für diese Art von Gebersystemen sind: Resolver, EnDat, BiSS und HIPERFACE

Hierbei kommen zwei unterschiedliche Kommutierungsverfahren zur Anwendung:

Mechanische Justierung des Gebers

Das Gebersystem des Motors ist vom Werk aus mechanisch justiert (Geber und Rotor sind aufeinander abgeglichen), aber die Rotorposition ist unbekannt.
Der Kommutierungswinkel wird einmalig mit dem Kommando P160 über die IDN "P0-0-165_Command mode_Static current vector" und die IDN "P-0-057 "Electrical commutation offset" ermittelt, d.h. in P-0-0058 wird der entsprechende mechanische Winkel vom Gebersystem kommend, angezeigt und ausgelesen, und in die IDN "P-0-0150_Parameter chanel_Adjustable commutation offset" (Motordatenbank) gespeichert. Damit der Parameter verwendet werden kann, muss die IDN "P-0-0150_Parameter chanel_Commutation mode" (Motordatenbank) auf 3: "Adjustable offset" eingestellt werden. Der zugehörige Wert der IDN "P-0-057 "Electrical commutation offset" wird ebenfalls in der Motordatenbank gespeichert.

Elektronische Justierung des Gebersystems

	Synchron-Motoren! Die elektronische Justierung ist nur bei Synchron-Motoren erforderlich. Bei Asynchron-Motoren wird das Magnetfeld des Rotors elektronisch erzeugt und kann somit passend zu dem elektromagnetischen Feld der Wicklung gestellt werden.

Je nach Gebersystem gibt es wiederum zwei unterschiedliche Kommutierungsverfahren:

Der Geber ist vom Hersteller immer in der gleichen rotatorischen Position auf dem Rotor angebracht, aber die Rotorposition ist unbekannt
Der Kommutierungswinkel wird einmalig mit dem Kommando P160 über die IDN "P0-0-165_Command mode_Static current vector" und die IDN "P-0-057 "Electrical commutation offset" ermittelt, d.h. in P-0-0058 wird der entsprechende mechanische Winkel vom Gebersystem kommend, angezeigt und ausgelesen, und im Datenspeicher des Gebersystems (Ausnahme) und in die IDN "P-0-0150_Parameter chanel_Adjustable commutation offset" (Motordatenbank) gespeichert. Damit der Parameter verwendet werden kann, muss die IDN "P-0-0150_Parameter chanel_Commutation mode" (Motordatenbank) auf 3: "Adjustable offset" eingestellt werden. Der zugehörige Wert der IDN "P-0-057 "Electrical commutation offset" wird ebenfalls in der Motordatenbank gespeichert. Dieses Verfahren erfordert ein Gebersystem mit Datenspeicher und Datenleitung.
Der Winkel zwischen Gebersystem und Rotor wird vom Motorhersteller mit einem geberspezifischen Kommando ermittelt und dem Gebersystem übermittelt. Das Gebersystem speichert diesen Winkel und verrechnet ihn intern, aber die Rotorposition ist unbekannt.
Der Kommutierungswinkel wird einmalig mit dem Kommando P160 über die IDN "P0-0-165_Command mode_Static current vector" und der IDN "P-0-057 "Electrical commutation offset" ermittelt, d.h. in P-0-0058 wird der entsprechende mechanische Winkel vom Gebersystem kommend, angezeigt und ausgelesen, und im Datenspeicher des Gebersystems (Ausnahme) und in die IDN "P-0-0150_Parameter chanel_Adjustable commutation offset" (Motordatenbank) gespeichert. Damit der Parameter verwendet werden kann, muss die IDN "P-0-0150_Parameter chanel_Commutation mode" (Motordatenbank) auf 3: "Adjustable offset" eingestellt werden. Bei internen Berechnungsvorgängen wird dieser Winkel immer mit verrechnet. Dieses Verfahren erfordert ein intelligentes Gebersystem.

Nicht absolutes Gebersystem (Feedback) innerhalb einer Umdrehung

Beispiele für diese Art von Gebersystemen sind: SIN / COS 1Vss

In diesem Fall muss ein spezieller Kommutierungsvorgang (wake&shake) gestartet werden um den Kommutierungswinkel zu ermitteln. Dieser Winkel wird intern gespeichert und beim Betrieb berücksichtigt. Wird der AX5000 ausgeschaltet oder wird die "EtherCAT-State machine" in "Pre-op" oder tiefer geschaltet, geht der Kommutierungswinkel auf Grund des nicht absoluten Gebersystems verloren. "wake&shake" kann nur fehlerfrei funktionieren, wenn das Antriebssystem stabil läuft, d.h. es sollten keine Schwingungen auftreten, welche den Motor von außen beeinflussen. Weiterhin ist bei der Erstinbetriebnahme eine Stabilitätsuntersuchung mit den Default-Werten der "IDN P-0-0165" notwendig.

	Schwingungsfähiges System! Für diese Stabilitätsuntersuchung ist es wichtig, die Applikation im Vorfeld zu analysieren und den ungünstigsten Fall der Schwingung zu ermitteln. Dieser Fall kann sowohl unter Lastbedingungen, als auch ohne Last vorliegen.

WARNUNG

Vorsicht, Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Bewegungen!

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird die Motorwelle unmittelbar auf eine bestimmte Position gebracht. Stellen Sie sicher, dass Ihre Applikation diese Bewegung erlaubt und sichern Sie die Umgebung gegen unbeabsichtigtes Betreten ab und stellen Sie sicher, dass sich keine Personen im Gefährdungsbereich befinden.

Schwingungsfähiges System

Bei einem schwingenden System müssen Sie den Schwingungsverlauf analysieren und entsprechende Maßnahmen zur Dämpfung treffen. Schwingungen wirken sich immer beim "wake&shake" in Phase 2 aus, in Phase 1 sind Schwingungen eher unkritisch.

Elektronische Kommutierung 3:

Abklingende Schwingung
Bei dieser Art der Schwingung ist die Amplitude (k) und die Abklingzeit (l) zu beurteilen. Mit den Parameter IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" können Sie sowohl die Amplitude (k), als auch die Abklingzeit (l) beeinflussen. Der Parameter IDN-P-0-0165 " Second phase duration" sollte > als die Abklingzeit (l) sein.

Elektronische Kommutierung 4:

Konstante Schwingung
Diese Art der Schwingung ist unzulässig, da kein stabiler Regelungsprozess stattfindet. Der Parameter IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" ist zu prüfen und ggf. anzupassen. Wenn diese Maßnahme keine Wirkung zeigt, müssen Sie die Schwingung mechanisch dämpfen.

Elektronische Kommutierung 5:

Ansteigende Schwingung
Diese Art der Schwingung ist unzulässig, da kein stabiler Regelungsprozess stattfindet. Der Parameter IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" ist zu prüfen und ggf. anzupassen. Wenn diese Maßnahme keine Wirkung zeigt, müssen Sie die Schwingung mechanisch dämpfen.

Im Zuge dieser Untersuchung wird die Motorwelle auf frei definierbare elektrische Positionen mittels Stromeinprägung gedreht. Nach Abschaltung der Stromeinprägung sollte der Motor in seiner erreichten Position stehen bleiben. BECKHOFF empfiehlt die Positionen 0°, 90°, 180° und 270°. Bei kritischen Applikationen sollten anstatt vier, acht Positionen gewählt werden (0°, 45°, 90°, 135° ...270°). Die Parametrierung der Stromeinprägung erfolgt in der IDN P-0-0165 unter "Static current vektor", die frei wählbare elektrische Position wird in der IDN P-0-0057 eingestellt. Bei jeder Stellung ist "wake&shake" durchzuführen und nur bei fehlerfreiem Durchlauf ist die Stabilität des Systems gewährleistet.

Wake&shake

	Schwingendes System! Wenn die Applikation schwingt, müssen Sie auf der mechanischen Seite Abhilfe schaffen. Sie können die Kommutierung mittels wake&shake bedingt durchführen, sollten aber durch geschickte Parameterwahl bei der IDN "P-0-0165" den Einfluss der Schwingung so klein wie möglich halten, da es durch zu starkes Nachschwingen zu einem Kommutierungsfehler kommt, der aus der Tatsache resultiert, dass der nach Beendigung des Kommandos gemessene Winkel als Kommutierungswinkel eingetragen wird.

WARNUNG

Vorsicht, Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Bewegungen!

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird die Motorwelle schrittweise bewegt. In Phase 1 beträgt die max. elektrische Bewegung 8 x (Wert aus "P-0-0-0165_Fist phase position monitoring limit"). In Phase 2 beträgt sie 0,5 x (Wert aus "P-0-0-0165_Fist phase step width"). Diese Formel gilt nur, wenn die vorangegangene Stabilitätsuntersuchung positiv abgeschlossen wurde. Stellen Sie sicher, dass Ihre Applikation diese Bewegung erlaubt und sichern Sie die Umgebung gegen unbeabsichtigtes Betreten ab und stellen Sie sicher, dass sich keine Personen im Gefährdungsbereich befinden.

Die Kommutierungsfunktion wake&shake besteht aus 2 Phasen. In Phase 1 wird eine grobe Ortsbestimmung des Rotors vorgenommen und in Phase 2 erfolgt die genaue Ortsbestimmung. Das Ziel der Kommutierungsfunktion ist, die exakte Ortsbestimmung des Rotors bei minimaler Bewegung durchzuführen.

Bei Servomotoren besteht durch die Polpaare ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen elektrischer und mechanischer Umdrehung. Eine elektrische Umdrehung entspricht immer einer mechanischen Umdrehung geteilt durch die Anzahl der Polpaare. In dem folgenden Beispiel ist zwecks einfacherer Berechnung ein Motor mit einem Polpaar dargestellt.

Die Parametrierung erfolgt über die IDN P-0-0165 "Commutation offset calibration parameter". Die Winkelangaben beziehen sich immer auf elektrische Umdrehungen!

IDN P-0-0165 - Commutation offset calibration parameter

Parameter	Default	Beschreibung
Command mode	0: Static current vector	Auswahl zwischen zwei Kommutierungsverfahren
Activation	0: manual	Auswahl, wann der Kommutierungsvorgang gestartet wird
Static current vector		Kommutierungsverfahren
Current level	Stillstandsstrom in %	Stromstärke des Stromvektors (Angabe = 100% x P0-0093 / P0-0092)
Duration	3000 ms	Zeitraum in der die parametrierte Stromstärke gehalten wird, damit sich evtl. vorhandene Schwingungen beruhigen können und so ein optimaler Kommutierungswinkel erreicht wird
Wake and shake		Kommutierungsverfahren
First phase current vector	Stillstandsstrom in %	Stromstärke des Stromvektors (Angabe = 100% x P0-0093 / P0-0092)
First phase ramp up time	100 ms	Zeit in der der Stromvektor "a" seine parametrierte Stärke erreicht
Second phase current level	Stiilstandsstrom in %	Stromstärke des Stromvektors (Angabe = 100% x P0-0093 / P0-0092)
Second phase ramp up time	500 ms	Zeit in der der Stromvektor "g" seine parametrierte Stärke erreicht
Commutation pos control: Kp	0,04	Verstärkungsfaktor. Achtung: Wenn "0", dann wird in Phase 2 die Variante 2 durchgeführt
Wake and shake expert		Achtung: Nur erfahrene Anwender sollten die folgenden Parameter ändern!
First phase pos monitoring limit	0,5 Grad	Mindestdrehwinkel des Rotors für eine Bewegungserkennung
First phase step width	22,5 Grad	Versatz des Stromvektors bzw. Segmenterkennungswinkel
First phase waiting time after step	150 ms	Zeitraum zwischen der Bewegungserkennung und dem nächsten Step in Phase 1 bzw. zwischen Phase 1 und Phase 2 (Das evtl. schwingende System kann sich beruhigen)
Second phase duration	3000 ms	Zeitraum in der die parametrierte Stromstärke gehalten wird, damit sich evtl. vorhandene Schwingungen beruhigen können und so ein optimaler Kommutierungswinkel erreicht wird
Error monitoring (range of motion)	90 Grad	Max. Bewegung des Rotors bevor abgeschaltet wird, da sonst die Gefahr besteht, dass der Motor eine unkontrollierte Bewegung ausführt.
	= Bezugskennzeichen für untenstehende Beschreibung

	Motor mit 3 Polpaaren		Motor mit einem Polpaar

Phase 1 - Grobe Ortsbestimmung des Rotors (Motorwelle)

Step 1:

Elektronische Kommutierung 23:

Elektronische Kommutierung 24: Elektronische Kommutierung 25: Elektronische Kommutierung 26: = siehe obere Parameterbeschreibung der IDN P-0-0165
Elektronische Kommutierung 27: = Flussvektor des Rotors mit Permanentmagnet.

Step 2:

Elektronische Kommutierung 28:

Elektronische Kommutierung 29: Elektronische Kommutierung 30: Elektronische Kommutierung 31: Elektronische Kommutierung 32: = siehe obere Parameterbeschreibung der IDN P-0-0165
Elektronische Kommutierung 33: = Flussvektor des Rotors mit Permanentmagnet.

Ablauf:
Innerhalb der Zeit "b" wird ein Stromvektor "a" aufgezogen. Durch die steigende magnetische Kraft wird der Rotor "c" in Richtung des Stromvektors "a" gedreht. Die Drehrichtung "d" wird über das Feedbacksystem an den AX5000 übermittelt und dort gespeichert und analysiert. Ergibt die Analyse, dass die Drehrichtung "d" des Rotors "c" sich gegenüber der vorherigen Bestromung nicht geändert hat, wird fortgefahren.

Step 3:

Elektronische Kommutierung 34:

Elektronische Kommutierung 35: Elektronische Kommutierung 36: Elektronische Kommutierung 37: Elektronische Kommutierung 38: = siehe obere Parameterbeschreibung der IDN P-0-0165
Elektronische Kommutierung 39: = Flussvektor des Rotors mit Permanentmagnet.

Ablauf:
Der Stromvektor "a" wird wieder um den Betrag "e" in Richtung des Rotors "c" gestellt.
Nun wird wieder innerhalb der Zeit "b" der Stromvektor "a" aufgezogen. Durch die steigende magnetische Kraft wird der Rotor "c" in Richtung des Stromvektors "a" gedreht. Die Drehrichtung "d" wird über das Feedbacksystem an den AX5000 übermittelt und dort gespeichert und analysiert. In diesem Fall ergibt die Analyse, dass die Drehrichtung "d" des Rotors "c" sich gegenüber der vorherigen Bestromung geändert hat. Hierdurch ergibt sich der Sektor, indem sich der Rotor "c" befindet und die Phase 1 ist damit abgeschlossen.

Beispielhafte Darstellung eines Scopes von Phase 1:

Phase 2 - Genaue Ortsbestimmung des Rotors (Motorwelle)

In Phase 2 gibt es zwei Varianten für die genaue Ortsbestimmung. Bei der ersten Variante bewegt sich der Rotor nur minimal, Voraussetzung ist aber ein sehr stabiles System mit nur geringer Schwingungsneigung. Bei der zweiten Variante kann sich der Rotor max. um die hälfte des Sektors Elektronische Kommutierung 41: bewegen, sie ist aber deutlich toleranter gegen Schwingungen.

Mit dem eingestellten Wert des Parameters IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" wird gesteuert, welche Variante angewendet wird:'
IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" > 0 --> Variante 1
IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" = 0 --> Variante 2

Variante 1 (IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" > 0 ):

Elektronische Kommutierung 42:

Elektronische Kommutierung 43: Elektronische Kommutierung 44: Elektronische Kommutierung 45: Elektronische Kommutierung 46: = siehe obere Parameterbeschreibung der IDN P-0-0165
Elektronische Kommutierung 47: = Flussvektor des Rotors mit Permanentmagnet.
Elektronische Kommutierung 48: = Bewegung des Rotors

Ablauf:
Ausgehend von der Endstellung des Stromvektors "a" in Phase 1 wird der Stromvektor "g" aufgezogen. Durch die steigende magnetische Kraft wird der Rotor "c" in Richtung des Stromvektors "g" gedreht. Diese Drehung wird über das Feedbacksystem an den AX5000 übermittelt und einem Regelkreis zugeführt. Dieser Regelkreis korrigiert umgehend die Richtung des Stromvektors. Dieser Algorithmus wird solange durchlaufen, bis die parametrierte Stromstärke erreicht ist und der Stromvektor annähernd deckungsgleich mit dem Flussvektor ist. Nun wird der Strom über den Zeitraum "h" gehalten und damit sichergestellt, dass eine optimale Kommutierung stattfindet. Bei diesem Regelalgorithmus bewegt sich der Rotor nur minimal "i".

Variante 2 (IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" = 0 ):

Elektronische Kommutierung 49:

Elektronische Kommutierung 50: Elektronische Kommutierung 51: Elektronische Kommutierung 52: Elektronische Kommutierung 53: = siehe obere Parameterbeschreibung der IDN P-0-0165
Elektronische Kommutierung 54: = Flussvektor des Rotors mit Permanentmagnet.
Elektronische Kommutierung 55: = Bewegung des Rotors

Ablauf:
Ausgehend von der Ermittlung des Sektors "e" in Phase 1 wird der Stromvektor "g" exakt in die Mitte des Sektors "e" gestellt und dort aufgezogen. Durch die steigende magnetische Kraft wird der Rotor "c" solange in Richtung des Stromvektors "g" gedreht, bis sie deckungsgleich sind. Bei dieser statischen Ausrichtung kann sich der Rotor maximal um die halbe Sektorbreite "e" bewegen.

Einflussnahme mittels der IDN P-0-0165 auf wake&shake

Parameter	Default	Mögliche Ursachen, die eine Änderung des Default-Wertes erfordern
First phase current level	Stillstandsstrom in %	Schwergängiges System, hohe Dämpfung --> Wert erhöhen Leichtgängiges System, geringe Dämpfung --> Wert senken
First phase ramp up time	100 ms	Schwergängiges System, hohe Dämpfung--> Wert erhöhen Leichtgängiges System, geringe Dämpfung--> Wert senken
First phase pos monitoring limit	0,5 grad	Applikation lässt unkontrollierte Bewegungsänderungen nur sehr eingeschränkt zu --> Wert senken Das System hat eine geringe Dämpfung --> Wert senken Die Lastverhältnisse erfordern ein höheres Überschwingen --> Wert erhöhen
Fist phase step width	22,5 grad
First phase waiting time after step	150 ms	Abklingverhalten des Systems: Lange Einschwingzeit --> Wert erhöhen Kurze Einschwingzeit --> Wert senken
Second phase current level	Stillstandsstrom in %
Second phase ramp up time	500 ms
Second phase duration	3000 ms
Error monitoring (range of motion)	90 grad	Applikation lässt unkontrollierte Bewegungsänderungen nur sehr eingeschränkt zu --> Wert senken Das System hat eine geringe Dämpfung --> Wert senken Die Lastverhältnisse erfordern ein höheres Überschwingen --> Wert erhöhen
Commutation pos control: Kp	0,04	Hohe Laststeifigkeit --> Wert erhöhen Geringe Laststeifigkeit --> Wert senken Sonderfall "0": In Phase 2 wird die Variante 2 durchgeführt