A low-cost sensorless technique for load torque estimation in a hybrid stepping motor

This paper presents a method of torque measurement in a hybrid stepping motor without the use of speed or position sensors. It is shown that torque ripple can be minimized by appropriate shaping of the phase-current pulses and that efficiency can be maximized when the level of mechanical load applied to the shaft is known. A controller is described which generates a signal related to the mechanical load by observation of the phase-current profile using a novel low-complexity technique. Practical results are presented, showing the torque estimation relative to measured torque

Current commutation and control of brushless direct current drives using back electromotive force samples

Brushless DC machines (BLDC) are widely used in home, automotive, aerospace and military applications. The reason of this interest in different industries in this type of machine is due to their significant advantages. Brushless DC machines have a high power density, simple construction and higher efficiency compared to conventional AC and DC machines and lower cost comparing to permanent magnet AC synchronous machines. The phase currents of a BLDC machine have to commutate properly which is realised by using power semiconductors. For a proper commutation the rotor position is often obtained by an auxiliary instrument, mostly an arrangement of three Hall-effect sensors with 120 spatial displacement. In modern and cost-effective BLDC drives the focus is on replacing the noise sensitive and less reliable mechanical sensors by numerical algorithms, often referred to as sensorless or self-sensing methods. The advantage of these methods is the use of current or voltage measurements which are usually available as these are required for the control of the drive or the protection of the semiconductor switches. Avoiding the mechanical position sensor yields remarkable savings in production, installation and maintenance costs. It also implies a higher power to volume ratio and improves the reliability of the drive system. Different self-sensing techniques have been developed for BLDC machines. Two algorithms are proposed in this thesis for self-sensing commutation of BLDC machines using the back-EMF samples of the BLDC machine. Simulations and experimental tests as well as mathematical analysis verify the improved performance of the proposed techniques compared to the conventional back-EMF based self-sensing commutation techniques. For a robust BLDC drive control algorithm with a wide variety of applications, load torque is as a disturbance within the control-loop. Coupling the load to the motor shaft may cause variations of the inertia and viscous friction coefficient besides the load variation. Even for a drive with known load torque characteristics there are always some unmodelled components that can affect the performance of the drive system. In self-sensing controlled drives, these disturbances are more critical due to the limitations of the self-sensing algorithms compared to drives equipped with position sensors. To compensate or reject torque disturbances, control algorithms need the information of those disturbances. Direct measurement of the load torque on the machine shaft would require another expensive and sensitive mechanical sensor to the drive system as well as introducing all of the sensor related problems to the drive. An estimation algorithm can be a good alternative. The estimated load torque information is introduced to the self-sensing BLDC drive control loop to increase the disturbance rejection properties of the speed controller. This technique is verified by running different experimental tests within different operation conditions. The electromagnetic torque in an electrical machine is determined by the stator current. When considering the dynamical behaviour, the response time of this torque on a stator voltage variation depends on the electric time constant, while the time response of the mechanical system depends on the mechanical time constant. In most cases, the time delays in the electric subsystem are negligible compared to the response time of the mechanical subsystem. For such a system a cascaded PI speed and current control loop is sufficient to have a high performance control. However, for a low inertia machine when the electrical and mechanical time constants are close to each other the cascaded control strategies fail to provide a high performance in the dynamic behavior. When two cascade controllers are used changes in the speed set-point should be applied slowly in order to avoid stability problems. To solve this, a model based predictive control algorithm is proposed in this thesis which is able to control the speed of a low inertia brushless DC machine with a high bandwidth and good disturbance rejection properties. The performance of the proposed algorithm is evaluated by simulation and verified by experimental results as well. Additionally, the improvement on the disturbance rejection properties of the proposed algorithm during the load torque variations is studied. In chapters 1 and 2 the basic operation principles of the BLDC machine drives will be introduced. A short introduction is also given about the state of the art in control of BLDC drives and self-sensing control techniques. In chapter 3, a model for BLDC machines is derived, which allows to test control algorithms and estimators using simulations. A further use of the model is in Model Based Predictive Control (MBPC) of BLDC machines where a discretised model of the BLDC machine is implemented on a computation platform such as Field Programmable Gate Arrays (FPGA) in order to predict the future states of the machine. Chapter 4 covers the theory behind the proposed self-sensing commutation methods where new methodologies to estimate the rotor speed and position from back-EMF measurements are explained. The results of the simulation and experimental tests verifies the performance of the proposed position and speed estimators. It will also be proved that using the proposed techniques improve the detection accuracy of the commutation instants. In chapter 5, the focus is on the estimation of load torque, in order to use it to improve the dynamic performance of the self-sensing BLDC machine drives. The load torque information is used within the control loop to improve the disturbance rejection properties of the speed control for the disturbances resulting from the applied load torque of the machine. Some of the machine parameters are used within speed and load torque estimators such as back-EMF constant Ke and rotor inertia J. The accuracy with which machine parameters are known is limited. Some of the machine parameters can change during operation. Therefore, the influence of parameter errors on the position, speed and load torque is examined in chapter 5. In Chapter 6 the fundamentals of Model based Predictive Control for a BLDC drive is explained, which are then applied to a BLDC drive to control the rotor speed. As the MPC algorithm is computationally demanding, some enhancements on the FPGA program is also introduced in order to reduce the required resources within the FPGA implementation. To keep the current bounded and a high speed response a specific cost function is designed to meet the requirements. later on, the proposed MPC method is combined with the proposed self-sensing algorithm and the advantages of the combined algorithms is also investigated. The effects of the MPC parameters on the speed and current control performance is also examined by simulations and experiments. Finally, in chapter 7 the main results of the research is summarized . In addition, the original contributions that is give by this work in the area of self-sensing control is highlighted. It is also shown how the presented work could be continued and expanded

Sensorloze detectie en regeling van de lasthoek bij hybride stappenmotoren

Stappenmotoren zijn de machines bij uitstek om positioneertaken uit te voeren bij laag vermogen. Na elke stuurpuls zal de drive de stappenmotor zodanig aansturen dat de rotor een vaste hoekverdraaiing uitvoert. Door het tellen van het aantal stuurpulsen is positioneren in openlus mogelijk. Wanneer de rotor tegen een hindernis aanloopt is er sprake van stall. Een bijkomend typisch probleem bij stappenmotoraandrijvingen is stapverlies ten gevolge van overbelasting. Beide fenomenen worden in openlus niet gedetecteerd wat ervoor zorgt dat de werkelijke rotorpositie niet langer overeen komt met de verwachte positie. De sturing blijft dan vaak onnodig stapcommando’s sturen. De grote meerderheid van de stappenmotoren wordt nog steeds aangestuurd in openlus volle-stap mode op nominale stroom. Naast mogelijks stapverlies leidt dat vaak tot een grote koppelrimpel, trillingen, lawaai en een lage energie-effici¨entie. Voor veeleisende stappenmotorapplicaties dringt een meer geavanceerd aanstuuralgoritme zich op. Om te komen tot een performante geslotenlus aandrijving is er nood aan feedback-informatie. Een gesloten lus stappenmotorsturing kan echter enkel concurrentieel zijn wanneer de feedback-informatie bepaald kan worden zonder gebruik te maken van een mechanische positiesensor. De ontwikkeling van een sensorloze schatter kan een oplossing zijn hiervoor. Het is belangrijk dat de feedback op een eenvoudige manier verkregen wordt. Een complex sensorloos algoritme zou de prijs van de stappenmotor aandrijving immers teveel opdrijven omwille van de benodigde rekenkracht. Dit is niet verantwoordbaar gezien de stappenmotor vooral in een low-cost segment van de markt ingezet wordt. Opdat de schatter toepasbaar zou zijn op bestaande stappenmotor aandrijvingen is ook het gebruik van algoritmes die hoogfrequente signalen injecteren in de machine minder interessant. Deze zullen immers vereisen dat de vermogenelektronische aansturing en stroomregeling rechstreeks aangesproken kunnen worden. Mechanische lastparameters zijn moeilijk in te schatten en kunnen sterk vari¨eren. Om een voldoende robuust algoritme te bekomen moet de werking van de schatter daarom onafhankelijk zijn van mechanische lastparameters. De geschatte feedback is niet noodzakelijk de exacte rotorpositie. In dit onderzoek wordt aangetoond dat de lasthoek tussen de stator stroomvector en de rotor flux vector zeer interessante informatie bevat over de last van de machine en de mate waarin de stappenmotor in staat is om de opgelegde snelheid te volgen. De lasthoekwaarde kan eveneens aangeven in hoeverre de machine in staat is om koppelstoten op te vangen. De lasthoek is dus zeer geschikt als feedback-informatie voor een intelligent stappenmotor algoritme. Daarom wordt een methode voorgesteld om de lasthoek te schatten op basis van, eenvoudig te meten, elektrische signalen tussen drive en machine. Er wordt aangetoond dat de lasthoek kan geschat worden op basis van de grondgolven van stroom en spanning. Die fundamentele componenten kunnen bepaald worden door middel van een Sliding Discrete Fourier Transform. Dat vereist dat de signaalperiode van stromen en spanningen gekend zijn. Bij stappenmotoren is dat het geval aangezien het toerental bepaald wordt door de frequentie van de stapcommando pulsen. Gezien het beperkt aantal nodige bewerkingen kan deze aanpak concurreren met complexere observer algoritmes. De lasthoek bepaalt de koppel/stroom ratio van de stappenmotoraandrijving. De teruggekoppelde lasthoek kan dan gebruikt worden door een gesloten lus regeling om de machine aan te drijven bij een optimale oppel/stroom ratio. Op die manier kan de stroom gereduceerd worden van het nominaal stroomniveau tot het minimum stroomniveau nodig om de stappenmotor aan te drijven bij een specifieke last en toerental. Het aansturen van stappenmotoren met behulp van stapcommando’s die de commutatie van de statorfasen bepalen is goed ingeburgerd in de industrie. Daarom wordt een regeling ontworpen die complementair is met deze manier van aansturen. De regelaar ontwikkeld in dit onderzoek zal enkel het stroomniveau aanpassen om de gewenste lasthoek te verkrijgen. De regelaar zal met andere woorden enkel ingrijpen op de amplitude van de bekrachtigingsvector. De positie van deze vector wordt nog steeds bepaald door stapcommandos. Het ontwerp van een regelaar die het stroomniveau aanpast teneinde de gewenste lasthoek te bekomen is niet evident. De procesdynamica die een zekere aandrijfstroom laat resulteren in een lasthoek is namelijk sterk niet-lineair. In dit onderzoek wordt echter een robuuste regeling ontworpen die steunt op een PI-regelprincipe. Een uitgebreide analyse van de procesdynamica levert de nodige inzichten om te komen tot een ontwerp van de regelaar enkel gebaseerd op rotatiesnelheid, maximum stroomniveau en gewenste lasthoek. Op die manier wordt een adaptieve regeling bekomen. Er wordt eveneens een algoritme voorzien om stapverlies te detecteren en zelfs te voorkomen. Zo zal de regeling bij plotse koppelstoten onmiddellijk terug overschakelen op een aandrijving op nominaal stroomniveau om stapverlies te vermijden. Uit metingen en dynamische analyses blijkt de optimale lasthoek sterk afhankelijk te zijn van het toerental en de belasting van de machine. De optimale lasthoek in functie van het werkpunt wordt bijgehouden in een tabel. Deze optimale lasthoek is dan meteen ook de setpoint voor de lasthoekregeling. Het werkpunt, of de combinatie van toerental en belasting, kan door het sensorloos algoritme eenvoudig bepaald worden. De geschatte lasthoek bij aandrijving op nominaal stroomniveau is namelijk een maat voor de belasting. Daarnaast bepaalt de frequentie van de stapcommando pulsen het gewenste toerental. De table met informatie over de optimale lasthoek wordt niet opgesteld door middel van voorafgaande metingen of analyses maar er wordt geopteerd voor een zelflerend systeem. Dat algoritme zal de optimale lasthoek in functie van het werkpunt aanpassen als blijkt dat deze te hoog of te laag werd ingeschat. Tot op heden besteedde de literatuur zeer weinig aandacht aan de energie-effici¨entie van stappenmotoraandrijvingen. In dit onderzoek wordt het rendement echter wel opgemeten en in beperkte mate ook theoretisch besproken om de rendementswinst van de voorgestelde sensorloze lasthoekregeling te kwantificeren. Uit die analyse blijkt dat de koperverliezen het dominante verliesvermogen bij een stappenmotoraandrijving zijn. Dat betekent dat de aandrijfstroom in grote mate het rendement bepaalt. De voorgestelde lasthoekregeling slaagt erin om het gemiddelde rendement van 20%, bij volle-stap aansturing op maximum stroom, op te krikken tot 50% en meer. Soortgelijke rendementswinsten worden ook opgemeten bij een halve en micro-stap aansturing. Koppelrimpel en daarmee gepaard gaande trillingen van de rotor zijn typische problemen bij de aandrijving van stappenmotoren. Enerzijds zorgen trillingen voor vervelend geluid en een reductie van de positioneernauwkeurigheid. Anderzijds zullen trillingen er zelfs voor zorgen dat de stappenmotor bij heel wat koppel-toerental combinaties niet functioneert omwille van resonanties. Daarom wordt ook het trillen van de rotor bij alle werkingspunten opgemeten en besproken in dit onderzoek. Een fijnere micro-stap lasthoekgecontroleerde aansturing zal de koppelrimpel reduceren waardoor het werkingsgebied gevoelig uitbreidt in vergelijking met een volle-stap aansturing. Dit onderzoek stelt dus een nieuwe sensorloze geslotenlus stappenmotoren regeling voor. Dit algoritme zal automatisch het stroomniveau aanpassen om de optimale lasthoek te bereiken zonder de manier waarop een gebruiker de stappenmotor op vandaag aanstuurt te wijzigen. Dat zorgt voor een brede industri¨ele inzetbaarheid van deze algoritmes. Een uitgebreide meetcampagne valideert de voorgestelde aanpak