Sensorloze detectie en regeling van de lasthoek bij hybride stappenmotoren

Abstract

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