Kommutierungsverfahren
Die wesentlichen Merkmale eines Servomotors wie sehr guter Gleichlauf, hoher Wirkungsgrad und optimale thermische Auslastung werden in hohem Maße von der Kommutierung beeinflusst. Unter Kommutierung versteht man den Stromübergang von einer Wicklung zur nächsten. Der Zeitpunkt der Kommutierung muss mit dem Magnetfeld des Rotors harmonisiert werden, damit der Servomotor am effektivsten arbeitet.
Rotatorische Servomotoren
Mechanische Kommutierung
Diese Bürsten behafteten Motoren erzeugen das für den Motorenlauf notwendige Wechselfeld durch Schleifkontakte, die durch ihre geometrische Anordnung den Strom umschalten. Dieser einfachen mechanischen Kommutierung stehen Bürstenverluste und -verschleiß gegenüber.
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, TTL
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. |
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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.
| 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. |
| 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. |
| 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.
![]() | 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. |
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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 |
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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 % |
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First phase ramp up time | 100 ms |
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Second phase current level | Stiilstandsstrom in % |
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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 |
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First phase step width | 22,5 Grad |
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First phase waiting time after step | 150 ms |
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Second phase duration | 3000 ms |
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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 |
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Phase 1 - Grobe Ortsbestimmung des Rotors (Motorwelle)
Step 1
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Ablauf: |
Step 2
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Ablauf: |
Step 3
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Ablauf: |
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 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 )
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Ablauf: |
Variante 2 (IDN-P-0-0165 "Commutation pos control: Kp" = 0 )
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Ablauf: |
Parameter | Default | Mögliche Ursachen, die eine Änderung des Default-Wertes erfordern |
---|---|---|
First phase current level | Stillstandsstrom in % | Schwergängiges System, hohe Dämpfung --> Wert erhöhen |
First phase ramp up time | 100 ms | Schwergängiges System, hohe Dämpfung--> Wert erhöhen |
First phase pos monitoring limit | 0,5 grad | Applikation lässt unkontrollierte Bewegungsänderungen nur sehr eingeschränkt zu --> Wert senken |
Fist phase step width | 22,5 grad |
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First phase waiting time after step | 150 ms | Abklingverhalten des Systems: |
Second phase current level | Stillstandsstrom in % |
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Second phase ramp up time | 500 ms |
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Second phase duration | 3000 ms |
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Error monitoring (range of motion)
| 90 grad | Applikation lässt unkontrollierte Bewegungsänderungen nur sehr eingeschränkt zu --> Wert senken |
Commutation pos control: Kp | 0,04 | Hohe Laststeifigkeit --> Wert erhöhen Geringe Laststeifigkeit --> Wert senken Sonderfall "0": In Phase 2 wird die Variante 2 durchgeführt |
Linearmotoren
Die obige Beschreibung der Kommutierungsverfahren trifft sowohl auf rotatorische Motoren als auch auf Linearmotoren zu. Bauart bedingt gibt es lediglich in der Nomenklatur einige Abweichungen (z.B. Motorwelle (Rotor) @ Primärteil; "Grad" @ "mm" (Umrechnung erforderlich))
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Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Bewegungen! Bei "wake&shake" wird das Primärteil 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. |
Linearmotoren bestehen aus einem ortsfesten Sekundärteil auf dem Permanentmagneten mit wechselnder Polarität und gleichem Abstand aufgebracht sind. Über diesem Magnetfeld kann ein Primärteil translatorisch bewegt werden. Diese Bewegung wird durch die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Primärteil erzeugt. Linearmotoren sind haben immer nur ein Polpaar und somit entspricht der Polpaarabstand einer elektrischen Umdrehung.

Das oben beschriebene Kapitel "Elektronische Kommutierung" ist auch auf Linearmotoren anwendbar.
Kommutierungsfehler "F2A0"
Während des Betriebs des Motors wird die Kommutierung permanent überwacht. Folgende Bedingungen müssen zutreffen, damit der AX5000 einen Kommutierungsfehler erkennt:
- Die aktuelle Geschwindigkeit muss größer sein als die in der IDN "P-0-0069 Commutation monitoring" eingestellte Grenzgeschwindigkeit
- Der Strom- und der Beschleunigungsvektor haben unterschiedliche Vorzeichen.
- Der aktuelle Strom ist größer als 90% des Wertes aus der IDN "P-0-0092 Configured channel peak current".
Wenn diese drei Bedingungen zutreffen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass ein Kommutierungsfehler vorliegt und der Motor unkontrolliert beschleunigt wird, der AX5000 erzeugt einen Kommutierungsfehler und schaltet den Motor drehmomentfrei, d.h. er kommt unkontrolliert zum Stillstand.
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Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Bewegungen! Vom Erkennen des Fehlers bis zum Stillstand des Motors wird noch eine gewisse Wegstrecke zurückgelegt. 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. Dies gilt besonders für vertikale Achsen. |
![]() | Auftreten des Kommutierungsfehlers Der Kommutierungsfehler tritt fast immer bei der Inbetriebnahme der Achse auf. Sollte dieser Fehler beim regulären Betrieb der Achse auftreten müssen Sie besondere Maßnahmen ergreifen. Siehe folgendes Kapitel. |
Kommutierungsfehler beim regulären Betrieb (sehr selten)
In besonderen Betriebssituationen kann ein regulärer Betrieb der Achse die drei oben genannten Bedingungen erfüllen und somit trotz korrekter Kommutierung diese Fehlermeldung auslösen. Nachfolgend sind einige Beispiele genannt, welche aber sehr selten auftreten:
- Wenn der Servoverstärker am Limit arbeitet (Bedingung 1 und 3 sind erfüllt) und äußere Kräfte bewirken ein gegensätzliches Drehmoment, wodurchb die Bedingung 2 auch erfüllt wird und der Servoverstärker erzeugt so einen Kommutierungsfehler.
- Der Servoverstärker arbeitet am Limit (Bedingung 1 und 3 sind erfüllt) und durch schnelle Richtungswechsel oder Drehzahlwechsel entsteht ein oszillierender Stromverlauf. Dadurch wird Bedingung 2 auch erfüllt und es kommt zu diesen Kommutierungsfehler.
Wenn diese Beispiele nicht auf Ihre Applikation zutreffen, analysieren Sie die Applikation und versuchen Sie die Ursache zu finden. Wenn Sie die Ursache nicht abstellen können, die Achse dennoch betreiben wollen, gibt es nur eine Möglichkeit, um den Kommutierungsfehler zu unterdrücken:
Parametrieren Sie den Wert der IDN P-0-0069 auf die zulässige Höchstgeschwindigkeit des Motors, dann kann Punkt 1 der oben beschriebenen Faktoren nicht zutreffen und der Kommutierungsfehler wird nicht mehr auftreten.
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Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Bewegungen! Das Erhöhen des Wertes der IDN "P-0-0069" auf die Höchstdrehzahl hat immer zur Folge, dass die Kommutierungsüberwachung keinen Fehler mehr verursacht, auch wenn andere Umstände dies eigentlich erfordern. Dies ist besonders kritisch beim Austausch des Motors. Wenn der Wert der IDN "P-0-0069" NICHT zurückgestellt wird, kann zu unkontrollierten Bewegungen des Motors kommen. Die Fa. Beckhoff empfiehlt, den Wert der IDN "P-0-0069" NICHT zu erhöhen! |
![]() | Auslegung des Antriebs Der Antrieb sollte generell nicht am Limit ausgelegt werden, d.h. dass u.a. der aktuelle Strom max. 90% des Wertes aus P-0-0092 "Configured channel peak current" erreichen sollte. |