Robust sensorless load angle control for stepping motors

In industry, the bulk of the stepping motors is driven in open loop full-step mode with maximum current to avoid step loss. This results in noisy operation due to torque ripples and a poor energy-efficiency. To tackle these problems the current current level at which the stepping motor is driven can be reduced to an optimal level. In this paper, a sensorless load angle controller is proposed and implemented to optimise the drive current level. However, reducing the current level results in a diminished torque margin for load disturbances. In this paper, a countermeasure to enhance the robustness of the sensorless load angle controller against torque disturbances is proposed and assessed trough measurements

Open loop control of a stepping motor with step loss detection and stall detection using back-EMF based load angle estimation

Stepping motors are the most used electrical machines for low power positioning. The drive controls the machine so that the rotor performs a fixed angular displacement after each step command pulse. Counting the step command pulses enables open-loop positioning. The vast majority of the stepping motor systems is driven in open-loop. When the rotor hits an obstacle stall occurs. Step loss due to overload is another typical problem with stepping motor driven systems. Both phenomena are not detected in open-loop which causes loss of synchronism. In this paper, a sensorless load angle estimator is used to detect step loss and stall. This algorithm is based on the typical stepping motor drive algorithms and does not depend on mechanical load parameters. The method therefore has a broad industrial relevance

Frequency response functions and modal parameters of a rotating system exhibiting rotating damping

In the analysis of the stability threshold speed caused by rotating damping in rotating machinery, there is a lack of experimental data. This stability threshold speed can be found theoretically by means of a linear speed dependent model. The accuracy of the model depends highly upon the linearity and especially on the damping type that has been chosen. In this paper, the theoretical model and the importance of the stability analysis is discussed together with an experiment to validate the model. A rotating shaft is used to extract frequency response functions at different speeds. The shaft is excited with an automated impact hammer and the response is measured by eddy current probes. From these frequency response functions, the poles are extracted and compared to the poles derived from the model. It is found that the imaginary part of the poles, or the Campbell diagram, agrees quite well. The decay rate plot shows a similar increase as from the model, but there seems to be an extra stabilizing effect that is not accounted for in the model

Comparitive study of the influence of harmonic voltage distortion on the efficiency of induction machines versus line start permanent magnet machines

Induction machines have nearly reached their maximal efficiency. In order to further increase the efficiency the use of permanent magnets in combination with the robust design of the induction machine is being extensively researched. These so-called line start permanent magnet machines have an increased efficiency in sine wave conditions in respect to standard induction machines, however the efficiency of these machines is less researched under distorted voltage conditions. This paper compares the influence of harmonic voltage distortion and the phase angle of the harmonic content on the overall motor efficiency of line start permanent magnet machines and induction machines

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

Quantifying the commutation error of a BLDC machine using sensorless load angle estimation

BLDC motors are often used for high speed applications, for example in pumps, ventilators and refrigerators. For commutation discrete position information is necessary. This feedback is often provided by Hall sensors instead of more expensive encoders. However, even small misalignment of the Hall sensors in low cost BLDC motors can lead to unwanted torque ripples or reduced performance of BLDC motors. This misplacement leads not only to noise and vibrations caused by the torque ripples but also to lower efficiency. In this paper, a self-sensing technique to assess the misalignment is introduced. The objective is to obtain knowledge of the quality of the commutation by quantifying the misalignment. The method used in this paper is based on the fundamental components of voltage and current measurements and only needs the available current and voltage signals and electrical parameters such as resistance and inductance to estimate the misalignment

A quantitative comparison between BLDC, PMSM, brushed DC and stepping motor technologies

Brushless DC machines (BLDC), Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM), Stepping Motors and Brushed DC machines (BDC) usage is ubiquitous in the power range below 1,5kW. There is a lot of common knowledge on these technologies. Stepping Motors are ideally suited for open loop positioning, BLDC machines are the most obvious candidate for high-speed applications, etc. However, literature lacks comprehensive research comparing these machines over a large range of applications. In this paper, more than 100 motors are considered. Their characteristics are compared and presented in a comprehensive way. These results support the common knowledge concerning the field of application of each technology and new insights follow from this quantitative comparison

Energy efficiency measurement procedure for gearboxes in their entire operating range

Over the last decade, forced regulations and a growing social awareness with respect to energy efficiency have resulted in a renewed interest in the research for high efficient electrical machines. When an electrical motor is coupled to a machine, in many cases a gearbox or belt transmission is used. Research shows a lack of information on energy efficiency of these components. In comparison to electrical motors and drives, there is very few regulation and if efficiency values can be found in catalogues, there is no regulated test procedure available to validate the data. As a result, the reliability of these efficiency values is unknown and comparison between manufacturers and technologies is impossible. In this paper a test bench is proposed to measure the energy efficiency of a gearbox with an accuracy up to 0.4%. The test bench is used to measure the efficiency of gearboxes in their entire speed and torque range. Contour maps are used to visualize these measurement results. Moreover, a measurement campaign using different gearboxes is carried out to compare the energy efficiency in the manufacturers catalogue and the measured efficiency

CAD enabled trajectory optimization and accurate motion control for repetitive tasks

As machine users generally only define the start and end point of the movement, a large trajectory optimization potential rises for single axis mechanisms performing repetitive tasks. However, a descriptive mathematical model of the mecha- nism needs to be defined in order to apply existing optimization techniques. This is usually done with complex methods like virtual work or Lagrange equations. In this paper, a generic technique is presented to optimize the design of point-to-point trajectories by extracting position dependent properties with CAD motion simulations. The optimization problem is solved by a genetic algorithm. Nevertheless, the potential savings will only be achieved if the machine is capable of accurately following the optimized trajectory. Therefore, a feedforward motion controller is derived from the generic model allowing to use the controller for various settings and position profiles. Moreover, the theoretical savings are compared with experimental data from a physical set-up. The results quantitatively show that the savings potential is effectively achieved thanks to advanced torque feedforward with a reduction of the maximum torque by 12.6% compared with a standard 1/3-profil