Symptom: komutační signály UVW nejsou posunuty o 120° elektrických – kontrola komutační stopy

Chyby komutace se násobí počtem párů pólů: mechanickému úhlu Δθ_m odpovídá elektrický úhel p·Δθ_m. Při 4 párech pólů, e = 10 μm a r = 10 mm přispívá excentricita jen asi 0,23°; odchylky několika stupňů pocházejí většinou z prahu a přechodové oblasti, polohy senzorů nebo z motoru samotného. Tento článek vysvětluje, jak číst šest intervalů mezi hranami jako otisk, a uvádí postup kontroly s porovnáním se zpětným elektromotorickým napětím (EMN).

Servomotor je při komutaci po zapnutí hlučný a v jednom sektoru je proud vyšší. Na osciloskopu nejsou tři obdélníkové průběhy U, V a W posunuty přesně o 120° elektrických: některé intervaly mezi hranami mají 57°, jiné 63°, a ve srovnání se zpětným EMN motoru je odchylka ještě větší. Návrh vzoru, polohu oken a pravidla zarovnání komutační stopy popisuje článek této knihovny o návrhu komutačních stop UVW; zde řešíme, co dělat, když po montáži měření nesedí: jak poznat, zda je problém v kotouči, ve snímací hlavě, v prahu, nebo v motoru samotném.

Obrázek 1 – Jedna otáčka motoru se 4 páry pólů: třífázové zpětné EMN a synchronní obdélníky UVW. Při excentricitě stopy 10 μm a r = 10 mm se odchylka 24 hran od průchodů nulou zpětného EMN mění sinusově jednou za otáčku s amplitudou asi 0,23° elektrických (příkladové parametry).

Kritéria: šest intervalů a odchylka zarovnání

U motoru s p páry pólů je elektrický úhel θ_e = p·θ_m. Tři obdélníkové průběhy dávají hranu každých 60° elektrických; při otáčení vpřed je pořadí U↑, W↓, V↑, U↓, W↑, V↓, tedy 6p hran za otáčku. Hodnotí se dva druhy veličin:

Interval: rozdíl elektrického úhlu mezi dvěma sousedními hranami, ideálně 60°. Závisí jen na enkodéru a lze jej měřit vlastním inkrementálním čítáním enkodéru: 2500 rysek se čtyřnásobným vyhodnocením dává 10000 impulzů na otáčku; při 4 párech pólů odpovídá 1 impulz asi 0,14° elektrických, rozlišení je víc než dostatečné.
Zarovnání: odchylka každé hrany od odpovídajícího průchodu nulou zpětného EMN. Její střední hodnota je chyba kalibrace komutačního offsetu (metodu kalibrace popisuje článek této knihovny o kalibraci komutačního úhlu); rozptyl jednotlivých hran kolem střední hodnoty je vlastní problém „není to 120°“.

Klíčové je, že chyby mechanického úhlu se násobí počtem párů pólů: stejná tangenciální chyba 0,1 mm při r = 10 mm znamená 0,57° mechanických a při 4 párech pólů se z ní stane 2,3° elektrických.

Řád velikosti jednotlivých příčin

Příčina	Přepočet	Příklad	Elektrický úhel
Excentricita komutační stopy	p·e/r	e = 10 μm, r = 10 mm	±0,23° (jednou za otáčku)
Tangenciální chyba polohy tří senzorů u jednostopého řešení	p·Δy/r	Δy = 0,1 mm	2,3°
Intenzita světla −20 %, pevný práh	šířka přechodu × 0,125	okno 0,3 mm, šířka přechodu p·b/r = 6,9°	0,86° na hranu
Odchylka šířky rysky vzoru	p·Δw/r	5 μm na hranu	0,11°
Zaokrouhlení hran na mřížku rysek	polovina rozteče × p	2500 rysek	max. 0,29°
Zpoždění obvodu	360°·f_e·Δt	3000 ot/min, 1 μs	0,07°
Chyba polohy magnetů motoru	p·Δs/R	rotor R = 20 mm, 0,1 mm	1,15°

Komutační stopa leží obvykle na vnitřním prstenci s malým poloměrem, kde je vliv excentricity na elektrický úhel větší než na inkrementální stopě; přesto v příkladu činí jen 0,23°. Navíc se u uspořádání se třemi stopami čtou všechny tři fáze ve stejné úhlové poloze, takže excentricita na ně působí téměř stejně a změna sousedních intervalů je jen asi 0,06°. Chyby intervalů o několika stupních tedy obvykle nezpůsobuje excentricita, ale práh a přechodová oblast, poloha senzorů, nebo samotné zpětné EMN použité jako reference, které je nepřesné.

Vzor intervalů je otisk

Šest odchylek intervalů v rámci jedné elektrické periody se seřadí za sebou; různé příčiny dávají různé vzory (viz obrázek 2):

Posun celé jedné fáze (senzor této fáze mimo polohu, vzor této fáze posunutý): intervaly sousedící s hranami této fáze jsou jeden kladný a jeden záporný, v pořadí 0, +δ, −δ, 0, +δ, −δ; střída této fáze se nemění.
Změna střídy jedné fáze (jiná intenzita světla v okně této fáze, odchylka šířky rysky, posunutý práh): obě hrany této fáze se posunou opačnými směry; vzor 0, −d/2, +d/2, 0, +d/2, −d/2.
Problém prahu společný všem třem fázím (celkový pokles intenzity světla, pevný práh): všechny vzestupné hrany se zpozdí, všechny sestupné se předběhnou; intervaly se střídají −, + a vysoká úroveň všech tří fází se současně zúží.
Excentricita: intervaly se téměř nemění; odchylka zarovnání kolísá jednou za otáčku.
Hystereze komparátoru: všechny hrany se posunou společně ve směru pohybu, intervaly se nemění; odchylky zarovnání při otáčení vpřed a vzad se liší asi o dvojnásobek úhlu hystereze.

Pak se ověří, zda se p elektrických period navzájem shodují: jsou-li všechny vzory stejné, je problém ve snímací hlavě, v prahu nebo ve vzájemné poloze vzorů tří fází; mění-li se vzor s pořadím elektrické periody, kontroluje se chyba dělení komutační stopy, excentricita u jednostopého řešení, nebo při porovnání se zpětným EMN magnety motoru.

Obrázek 2 – Otisky odchylek šesti intervalů mezi hranami od 60°: posun jedné fáze, změna střídy jedné fáze a problém prahu všech tří fází dávají různé vzory; excentricita intervaly téměř nemění a jen rozkmitá odchylku zarovnání jednou za otáčku (příklad).

Postup kontroly

Měřit intervaly jen enkodérem: pomalu otáčet konstantní rychlostí, inkrementálním čítáním zaznamenat polohu 6p hran a spočítat všechny intervaly, jednou vpřed a jednou vzad. Motor se tohoto kroku neúčastní.
Porovnat otisk: podle výše uvedených vzorů rozlišit posun jedné fáze, střídu jedné fáze a práh všech tří fází; před rozhodnutím zprůměrovat výsledky vpřed a vzad, aby se odstranila hystereze.
Zkontrolovat práh: změnit proud LED nebo čtecí vzdálenost a znovu změřit střídu. Mění-li se střída výrazně s intenzitou světla, je přechodová oblast široká a práh pevný; porovnat s řádem velikosti „o 20 % méně světla posune asi o 0,86°“.
Porovnat se zpětným EMN: motor roztáčet zvenčí (vinutí rozpojená), měřit fázové zpětné EMN proti umělému středu vytvořenému třemi stejnými rezistory a zaznamenávat současně s UVW. Ze stejné řady impulzů spočítat intervaly mezi průchody nulou zpětného EMN a intervaly mezi hranami UVW: odchylka prvních od 60° patří motoru, druhých enkodéru, a střední hodnota odchylky zarovnání patří kalibraci komutačního offsetu.
Kritéria přejímky (příklad; rozhodují požadavky měniče): všech šest intervalů v rozmezí 60° ± 2°, rozptyl odchylek zarovnání jednotlivých hran kolem střední hodnoty nejvýše ±2°; střední hodnota se řeší zvlášť kalibrací komutace.

Hlavní body pro návrh

Vše počítat v elektrických stupních: tangenciální posun Δs na poloměru r dává chybu elektrického úhlu p·Δs/r; při 4 párech pólů a r = 10 mm je 0,1 mm už 2,3°.
Excentricita přispívá ke komutaci málo, v příkladu 0,23°, a u uspořádání se třemi stopami intervaly téměř nemění; kvůli komutaci není třeba zpřísňovat centrování.
Čím širší je přechodová oblast okna, tím víc hrany ovlivňují změny prahu a intenzity světla; práh by měl úměrně sledovat intenzitu světla, nebo se zmenší tangenciální šířka okna.
Nejprve změřit intervaly vlastním čítáním enkodéru a pak porovnat se zpětným EMN, aby se chyby magnetů motoru nepřičítaly kotouči.
Znaménkový vzor šesti intervalů přímo rozlišuje posun jedné fáze, střídu jedné fáze a problém prahu všech tří fází.
U jednostopého řešení se třemi senzory závisí 120° na montáži; při montáži nastavit polohu senzorů podle naměřených intervalů.

Shrnutí

Nejsou-li intervaly UVW 120° elektrických, změří se nejprve šest intervalů mezi hranami vlastním čítáním enkodéru a podle vzoru se rozhodne mezi posunem jedné fáze, střídou jedné fáze a problémem prahu všech tří fází; excentricita činí v příkladu jen asi 0,23° a hlavní příčinou bývá zřídka. Poté se motor roztočí zvenčí a porovná se zpětným EMN, čímž se oddělí chyby magnetů motoru a chyby kalibrace komutačního offsetu; co zbude, je třeba opravit na komutační stopě a snímací hlavě.

Překlad čínského originálu (0240). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com