Posizione encoder per motori PM

Come risolvere i problemi e regolare l'encoder per garantire un funzionamento senza problemi

di Tyler Pecha e Tony Heiser

I motori a magneti permanenti (PM) sono diventati opzioni popolari nelle applicazioni per ascensori nel corso degli anni grazie alla loro maggiore efficienza e caratteristiche prestazionali. Poiché il rotore di un motore PM è magnetizzato da magneti permanenti, anziché indotto, l'azionamento a frequenza variabile (VFD) deve conoscere la posizione del rotore in relazione a una coppia di poli dello statore per modulare all'angolo di commutazione corretto per produrre la coppia massima erogata. La posizione del rotore può essere determinata da un encoder di posizione assoluto montato sull'albero motore. Questo articolo spiegherà come viene misurata la posizione del rotore di un motore PM con il VFD e alcuni problemi comuni associati alla posizione errata dell'encoder.

Perché il VFD ha bisogno di conoscere la posizione del rotore?

I motori PM sono costituiti da un rotore con PM montati sulla superficie (o internamente al rotore) e bobine di statore, che sono magnetizzate dalla corrente erogata dal VFD. L'interazione tra i PM del rotore e i campi elettromagnetici dello statore segue le leggi generali del magnetismo, in cui gli opposti si attraggono e le forze simili si respingono. Quindi, mentre l'azionamento modula la frequenza della tensione di uscita, viene creato un campo magnetico rotante dello statore per produrre coppia. Tuttavia, l'angolo di commutazione del campo magnetico dello statore corretto è necessario per la massima coppia erogata. La coppia massima erogata si verifica quando i campi magnetici dello statore e del rotore si trovano a 90° l'uno dall'altro (Figura 1). Altrimenti, se l'angolo tra lo statore e i campi magnetici è maggiore o minore di 90°, è necessario applicare più corrente allo statore per creare un campo magnetico più forte per produrre la stessa quantità di coppia.

Pertanto, la rotazione della tensione alternata trifase applicata all'avvolgimento dello statore deve essere esattamente sincronizzata (ad es. commutata elettricamente) alla rotazione del campo PM sul rotore. Ciò può essere ottenuto utilizzando un encoder di posizione assoluto montato direttamente sull'albero motore. Gli encoder di posizione assoluta hanno una coppia di canali, oltre ai tipici canali di velocità per la posizione del rotore a giro singolo, e una procedura di riferimento deve essere eseguita durante l'avvio in modo che l'azionamento abbia un valore di posizione corrispondente a una posizione nota, come un polo del motore, che viene quindi utilizzato come riferimento di offset. La relazione fisica tra l'albero motore e l'encoder è cruciale per fornire il corretto angolo di commutazione al campo magnetico PM.

Cosa succede quando la posizione del rotore appresa non è corretta?

Di seguito sono riportate alcune indicazioni che la posizione del rotore misurata potrebbe non essere corretta:

• Elevata corrente del motore
• Macchina alla deriva (tirata in direzione della ponderazione)
• Nessun o leggero movimento dell'albero motore

Se la posizione del rotore non è corretta, il convertitore commuterà il campo dello statore con l'angolo sbagliato o, forse, non sarà sincronizzato con il campo del rotore. L'errore nell'angolo di commutazione provoca più corrente richiesta allo statore per creare un campo elettromagnetico più forte per produrre la stessa quantità di coppia. Per grandi gradi di errore, ciò può comportare un elevato assorbimento di corrente al motore, ma non una coppia sufficiente per spostare o trattenere il motore. All'aumentare della quantità di errore nell'angolo di commutazione elettrica, l'assorbimento di corrente del motore aumenta in modo esponenziale (Figura 2).

Nella Figura 2, "Iqds" è lo statore totale o la corrente di fase del motore. All'aumentare del grado (elettrico) di errore nell'angolo di commutazione, il motore deve assorbire più corrente per generare la coppia richiesta. È essenziale che la posizione dell'encoder sull'albero motore non cambi per mantenere la corretta commutazione del campo statore.

Posizione e precisione dell'albero dell'encoder

360° (elettrico) corrisponde a un ciclo della forma d'onda della tensione CA di una data frequenza. Applicato agli avvolgimenti dello statore del motore, questo si traduce in un polo elettromagnetico nord durante il semiciclo positivo e un polo elettromagnetico sud durante il semiciclo negativo. Pertanto, 360° (elettrico) sullo statore corrisponde a una coppia nord/sud di poli del motore (Figura 3). L'equazione 1 può essere utilizzata per determinare la relazione tra gradi meccanici ed elettrici:

All'aumentare del numero dei poli del motore, diminuiscono i gradi meccanici che il rotore deve ruotare di 360° (elettrici). Ad esempio, un motore a sei poli avrebbe 120° (meccanici) tra le coppie di poli, mentre un motore a 20 poli avrebbe 36° (meccanici) tra le coppie di poli.

La posizione elettrica dell'encoder può essere espressa in un range di conteggi che corrisponde a 0-360° (elettrico). Sebbene la posizione elettrica possa essere utilizzata per riferirsi all'angolo di commutazione attivo per la rotazione del motore, è più comunemente indicata come offset di posizione statica (ad esempio, rispetto a uno dei poli del motore). Per questo articolo viene considerata una risoluzione a 16 bit dei conteggi della posizione elettrica dell'encoder tra coppie di poli; in questo caso, la posizione elettrica dell'encoder tra le coppie di poli corrisponderebbe a un intervallo di 0–65,535 conteggi. La relazione tra conteggi e gradi meccanici può quindi essere espressa come:

or

All'aumentare del numero di poli del motore, aumenta il numero di conteggi per grado meccanico; cioè, il grado di errore meccanico si traduce nel corrispondente grado di errore elettrico e aumenta all'aumentare del numero di poli del motore. Ciò rende l'allineamento meccanico dell'encoder molto più critico per il corretto funzionamento. Questo può essere evidenziato continuando l'esempio precedente; un motore a sei poli avrebbe 546 conteggi per grado meccanico, mentre un motore a 20 poli avrebbe 1,820 conteggi per grado meccanico.

Per i motori PM, la coppia può essere massimizzata quando i campi magnetici di statore e rotore si trovano a 90° di distanza. Il grado di errore elettrico, quindi, determinerà la coppia massima per una data corrente fornita al motore. Il grado di errore elettrico è mostrato nell'equazione 4 e la percentuale della coppia massima per un dato errore elettrico è mostrata nell'equazione 5:

or

Questa coppia massima si verificherà entro una finestra di circa 4,000 conteggi (± 2,000 conteggi). Un errore di 2,000 conteggi corrisponde a un errore di 11° elettrico sull'angolo di commutazione dell'onda sinusoidale del campo magnetico dello statore dall'equazione 6:

Un errore di 10.98° (elettrico) nell'angolo di commutazione del campo statore significa che c'è solo un errore dell'1.83% nella coppia:

Ma, come mostrato nella Figura 2, esiste una relazione non lineare tra il grado di errore elettrico (dovuto al grado di errore meccanico) e la corrente (e, quindi, la coppia, poiché questa è correlata linearmente con la corrente per i motori PM) a causa della funzione seno nell'equazione 5.

Continuando ulteriormente gli esempi precedenti per esemplificare ciò, 1° di errore di montaggio meccanico dell'encoder sull'albero motore per un motore a 20 poli si traduce in 1,820 conteggi di errore elettrico, che si traduce in una perdita dell'1.52% della coppia del motore per una data corrente, considerando che 2° di montaggio meccanico sullo stesso motore equivale a una perdita di coppia del motore del 6.0% e 3° di errore a equivale a una perdita di coppia del motore del 13.4%, ecc. Non è difficile vedere come il montaggio dell'encoder diventa critico e deve rimanere preciso senza slittamento. Anche per un 2-in. albero dell'encoder di diametro con una circonferenza (π X diametro) di 6.28 pollici, 3° di errore meccanico corrispondono a circa 1/128 pollici di movimento sul diametro esterno. Se l'encoder viene rimosso, sarà necessario eseguire nuovamente una procedura di apprendimento dell'offset della posizione dell'encoder.

La sezione seguente contiene alcuni motivi per cui la posizione dell'encoder sull'albero motore potrebbe essere cambiata. La Parte I si concentra su un'auto che in precedenza aveva funzionato senza problemi, mentre la Parte II si concentra sui problemi riscontrati durante la fase di avvio e messa in servizio.

Parte I: problemi con l'encoder con un'auto già funzionante

Slittamento dell'encoder a causa di un montaggio scadente/collegamento allentato

Lo slittamento dell'encoder può verificarsi quando la posizione dell'encoder sull'albero motore cambia nel tempo, in diverse posizioni del vano corsa o in diverse direzioni. Ciò potrebbe essere dovuto a un montaggio scadente o improprio, grasso sull'albero di montaggio, una linguetta di montaggio rotta o un bloccaggio. Per garantire che l'encoder non scivoli, l'auto può essere portata in fondo al vano corsa dopo l'apprendimento dell'offset della posizione dell'encoder iniziale e un altro apprendimento dell'offset della posizione dell'encoder può essere completato. Quindi, la cabina può essere portata in cima al vano corsa e può essere completato un apprendimento dell'offset della posizione dell'encoder finale. Questi tre valori di apprendimento dell'offset della posizione dell'encoder possono quindi essere confrontati tra loro. Se la posizione del rotore cambia drasticamente (≥±2,000 conteggi) tra queste procedure, è probabile che sia dovuto al cambiamento della relazione fisica tra l'encoder e l'albero motore. In alcuni rari casi, può verificarsi uno slittamento tra l'albero motore ei lamierini in acciaio del rotore (ad es. accoppiamento lasco, saldatura rotta, ecc.). Il grado di scorrimento dell'encoder potrebbe non essere rilevabile visivamente.

Assicurarsi che l'albero del motore sia privo di sporco e detriti che potrebbero causare problemi di montaggio. Verificare che tutte le viti di fermo siano serrate e che l'encoder sia montato ad angolo retto sull'albero del motore. Alcuni encoder hanno una vite che si inserisce all'interno dell'estremità dell'albero motore, invece di fare affidamento su una vite di fissaggio per il montaggio. Se la vite utilizzata per montare l'encoder è troppo lunga, potrebbe toccare il fondo delle filettature dell'albero motore, causando un collegamento scadente/allentato. Le figure 5-8 mostrano esempi di slittamento dell'encoder e problemi di montaggio.

Parte II: problemi con l'encoder durante l'avvio

Fasatura del canale dell'encoder errata

Dopo che è stato eseguito l'apprendimento della posizione di offset dell'encoder, se il motore non gira e assorbe corrente elevata, potrebbe essere necessario modificarne la fase (ad es. da "Not Inverted" a "AB Swapped"). A seconda dell'orientamento di montaggio dell'encoder e della fasatura del motore, potrebbe essere necessario scambiare la fasatura incrementale del canale della velocità AB. A seconda del VFD, i canali possono essere scambiati tramite un'impostazione di parametri software.

Dopo che è stato eseguito l'apprendimento della posizione di offset dell'encoder, se il motore funziona senza assorbire corrente elevata, ma gira nella direzione sbagliata in entrambe le direzioni su e giù, è necessario modificare solo la direzione di rotazione (ad es. "Non invertito" a “Rotazione invertita”). Notare che ogni coppia di fase del canale avrà un valore di posizione dell'encoder corrispondente. Se si cambia la fasatura del canale dell'encoder scambiando la fasatura AB, o viceversa, è necessario completare una nuova procedura di apprendimento dell'offset di posizione dell'encoder. Vedere la sezione seguente "Fasatura motore e montaggio encoder errati" per ulteriori informazioni.

Dati motore errati

Se la posizione del rotore cambia drasticamente (≥±2,000 conteggi) tra le procedure di apprendimento dell'offset della posizione dell'encoder, la puleggia non si muove e il montaggio dell'encoder è stato verificato, i dati del motore immessi nell'azionamento potrebbero non essere corretti. L'equazione 8 è vera per tutti i motori CA sincroni PM e deve essere verificata rispetto ai dati del motore di targa:

Alcuni produttori di motori possono ridurre i dati del motore a seconda dell'applicazione. I dati del motore declassati devono essere scalati correttamente in modo che il numero di poli del motore rimanga costante. Utilizzando i dati del motore della Figura 9, un motore originariamente concepito per funzionare a 200 fpm può essere utilizzato per funzionare in un'applicazione a 100 fpm riducendo la velocità e la frequenza di un fattore due. È importante che sia la frequenza che la velocità siano scalate dello stesso fattore per garantire la coerenza del conteggio dei poli.

Fasatura del motore e montaggio dell'encoder errati

Nelle applicazioni con motore CA trifase, la fasatura del motore UVW determina il senso di rotazione. Se il motore gira nella direzione sbagliata, è possibile scambiare due fasi per invertire la direzione. Questo non rappresenta un problema nelle applicazioni con motore a induzione ad anello aperto senza encoder. Tuttavia, quando viene utilizzato un encoder assoluto, la corretta fasatura del motore influisce sulla fasatura del canale AB dell'encoder.
      La fasatura UVW del motore e la fasatura AB dell'encoder sono correlate in modo tale che l'encoder abbia una convenzione stabilita per incrementare e decrementare i valori di posizione coincidenti con la direzione del campo dello statore del motore. Questa convenzione è tipicamente indicata dal produttore dell'encoder con un diagramma come la Figura 10.

I valori di posizione dell'encoder aumenteranno o diminuiranno secondo la convenzione stabilita dal produttore. Quando i valori di posizione dell'encoder aumentano o diminuiscono nella direzione sbagliata, ciò può far sì che il motore assorba corrente elevata o non giri. Il feedback del canale AB dall'encoder determina se i valori di posizione aumentano o diminuiscono. Gli encoder assoluti dispongono tipicamente di canali di velocità incrementali costituiti da onde seno e coseno con ampiezza di 1Vpp, sfasate di 90° per i canali A e B (Figura 11).

A seconda della fasatura AB dell'encoder e della convenzione di incremento e decremento della posizione stabilita, il canale A può "anticipare" o "ritardo" il canale B.

La convenzione del valore di posizione vale anche per il montaggio fisico dell'encoder sull'albero motore. A seconda del motore e del tipo di encoder, l'encoder può essere montato su entrambi i lati del motore (albero a snodo, ecc.) o avere una configurazione di montaggio regolabile sull'albero motore. Ciò causerà una discrepanza nella convenzione di incremento e decremento del valore di posizione. Si consiglia di mettere in fase l'azionamento e il motore insieme: UU, VV e WW e di regolare la fasatura AB secondo necessità. I canali AB dell'encoder possono essere scambiati fisicamente sull'interfaccia o con un'impostazione dei parametri software in base al tipo di azionamento.

Conclusione

A causa del loro design, i motori PM richiedono che la posizione del rotore rispetto a una coppia di poli dello statore sia nota al VFD. Il montaggio corretto dell'encoder, l'allineamento, la fasatura del canale e i dati/fasatura del motore sono essenziali per la massima coppia erogata e un funzionamento senza problemi. I problemi dell'encoder come lo slittamento possono essere difficili da diagnosticare, poiché possono verificarsi gradualmente nel tempo o non essere visibili all'utente. Tuttavia, la risoluzione dei problemi utilizzando i passaggi precedenti può identificare rapidamente i problemi del codificatore.