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Können Sie Ihren bürstenlosen Wechselstrommotor in 45 Sekunden zum Laufen bringen?

Wollten Sie jemals einen 3-phasigen Dauermagnet-Synchronmotor (bürstenlos) zum Laufen bringen, sind aber einfach nicht dazu gekommen, weil Sie dachten, das sei ein längeres Projekt? Als wir das Renesas YROTATE-IT-RX23T Kit in die Hände bekommen haben, mussten wir es einfach versuchen. In diesem Artikel führen wir Sie mit detaillierten Informationen sowie einigen hilfreichen Bildern und Screenshots durch diesen Prozess. Die feldorientierten Steueralgorithmen funktionieren mit externen Sensoren oder ohne Sensoren über die integrierten Stromshunts. Im Kit ist ein Motor enthalten, der sich mit 3-Phasen-Kabeln direkt an die Platine anschließen lässt. Das vereinfacht die Motorverdrahtung und macht externe Sensoren überflüssig. Ein vollständiger 3-Phasen-Wechselrichter ist mit einer 3-Phasen-Brücke integriert. Deren integrierte Stromshunts ermöglichen den leistungsstarken, sensorlosen Algorithmus-Betrieb auf dem 32-Bit-Mikrocontroller RX23T.

Diese Motortypen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da sie ohne Bürsten, die verschleißen können, eine höhere Effizienz bieten und weniger Wartung erfordern. Sie laufen in synchroner Geschwindigkeit, da die Permanentmagneten immer auf das Drehfeld ausgerichtet bleiben. Die Drehposition muss in Echtzeit bekannt sein. Das kann durch die Verwendung externer Hall-Sensoren erreicht werden, in diesem Kit werden dazu jedoch die eingebauten Stromshunts verwendet (diese können in einer Einzel- oder 3-Phasen-Konfiguration betrieben werden).

Übersicht Wechselrichterplatine

Regelstufe

Der Mikrocontroller RX23T ist ein 32-Bit-Gerät mit eingebauter Fließkomma-Verarbeitung, die die einfache Ausführung von komplexen Wechselrichter-Algorithmen ermöglicht. Diese verarbeiten die Stromimpuls-Informationen, um in Echtzeit die erforderliche Drehgeschwindigkeitseinstellung und die Antriebsanforderungen zu berechnen.

 

Niederspannungs-Leistungsstufe

Die Leistungsstufe verwendet eine 3-Phasen-Brücke mit 6 Hochspannung-MOSFETs, die auf dem nachfolgenden Bild zu sehen sind. Die 3 eingebauten Shunt-Widerstände befinden sich in den unteren Zweigen und sind unterhalb der MOSFETs abgebildet. Sie messen den Motorstrom und ermöglichen die Ableitung der Motorzeitmessungsinformationen, ohne dass externe Sensoren oder Verkabelung nötig sind.

 

Kommunikation

Die Kommunikation erfolgt über einen USB-Anschluss an Ihren PC, auf dem die Steuerungs-GUI ausgeführt wird.

Stromversorgung

Erfolgt für die Einrichtung und Kommunikation über USB. Es handelt sich um eine externe 24-Volt-Stromversorgung für einen besseren Motorantrieb, der die komplette Betriebsbandbreite abdeckt.

Wichtigste Merkmale

Diese bürstenlose 3-Phasen-Wechselstrom-Motorplattform verwendet feldorientierte Steueralgorithmen, die einen sensorlosen Betrieb bieten. Dabei sind nur die 3-Phasen-Versorgungsanschlüsse an den Motor erforderlich. Alternativ kann sie auch für die Nutzung von externen Sensoren konfiguriert werden.

Die Vorteile:

  • Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI), die auf Ihrem PC ausgeführt wird und das Steuerungsfenster enthält
  • Lizenzfreier eingebetteter Quellcode
  • Bietet automatische Abstimmung, Kalibrierung und Identifizierung der Motorparameter
  • Lieferung erfolgt komplett mit bürstenlosem 3-Phasen-Motor, sodass Sie schnell loslegen können.

Das Kit kann für Motoren mit bis zu 48 V DC bei 5 A Spitzenstrom verwendet werden, wenn eine externe Stromversorgung genutzt wird. Die Standardeinstellungen sind für die Verwendung der drei eingebauten Stromerkennungs-Shunts eingerichtet, um den Betrieb mit dem mitgelieferten Motor zu vereinfachen.

Durch die Nutzung der GUI ist es ganz einfach, den mitgelieferten Motor mit dieser Platine einzurichten und anzutreiben.

Einführung

Das Kit YROTATE-IT-RX23T  (125-3763)  enthält die folgenden Artikel:

  • Wechselrichterplatine RX23T
  • Bürstenloser AC-Motor Nanotec DB42S03
  • Mini-USB-Kabel
  • Schnellstartübersicht

Der erste Schritt war es, den Motor an die Buchse J7 auf der Wechselrichterplatine anzuschließen. Die Motor-Anschlussbuchse ist eine 3-polige, verkabelte Buchse mit Verpolschutz. Es ist ratsam zu überprüfen, ob die Motorenkabel mit dem roten Kabel an den U-, mit dem gelben an den V- und dem schwarzen an den W-Anschluss angeschlossen sind.

Der verkabelte Anschluss RS  (189-6026)  Phoenix Contact eignet sich ideal, wenn Sie eigene zusätzliche Motoren anschließen möchten.

 

For initial set up, the RX-23T board must be USB powered, so it is important to check that the 2 red jumpers JP1 and JP2 are both linking pins 4 to 6.

 

Bei der ersten Einrichtung muss die Platine RX-23T über USB mit Strom versorgt werden. Deshalb ist es wichtig zu überprüfen, dass die beiden roten Steckbrücken JP1 und JP2 die Pins 4 bis 6 verbinden.

Dann sollte die neueste Version der PC-Software für die grafische Benutzeroberfläche von der Renesas-Website heruntergeladen werden:


ZIP-Datei der grafischen Benutzeroberfläche für die PC-Steuerung

Nach der Registrierung auf der Renesas-Website sollte die Datei „YROTATE-IT_PC_GUI_XXXXX.zip“ heruntergeladen werden.

Klicken Sie im Startbildschirm des Installationsprogramms, um die Demo der Motorsteuerung zu installieren, und befolgen Sie die Anweisungen, um den Vorgang abzuschließen. Klicken Sie dabei nicht auf „Demo starten“.

Jetzt wird das USB-Kabel zuerst an den Host-PC angeschlossen, dann an die Platine RX-23T.

Treiber-Installation

Die Platine verwendet einen FTDI FT232RL  (040-6580) , um mit dem PC zu kommunizieren. Wenn die Platine von Windows nicht als COM-Port erkannt wird, laden Sie die aktuellsten Treiber bei FTDI (http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm) herunter und installieren Sie sie. In unserem Fall haben wir festgestellt, dass das Problem mit dem COM-Port, das vermutlich damit zusammenhing, wie unsere Rechner von unserer IT-Abteilung eingerichtet wurden, durch Ausführen der Platine im Windows-Kompatibilitätsmodus behoben wurde.

Sobald wir die Benutzeroberfläche über den Windows-Kompatibilitätsmodus ausgeführt hatten, ist dieses Problem nicht erneut aufgetreten, bis wir den Strom abgeschaltet haben. Danach mussten wir erneut eine Problembehebung durchführen, um den COM-Port verbinden zu können.

Nach der Treiber-Installation haben wir die Benutzeroberfläche geschlossen und den PC ausgeschaltet.

Wir haben anschließend eine externe 24-V-Stromversorgung mit 2 A verwendet, die die Ausführung einer größeren Betriebsbandbreite und eine bessere Auflösung für die automatische Abstimmung und das Auslesen der Motorparameter ermöglicht.

Zuerst haben wir die beiden roten Steckbrücken JP1 und JP2 umgesteckt, sodass sie beide die Pins 1 bis 3 verbinden.

Dadurch wird die USB-Stromversorgung getrennt und der Anschluss einer separaten 24-V-Versorgung an die Anschlussbuchse J4 ermöglicht. Wir haben eine Anschlussbuchse RS  (189-6010)  und ein zu einer Laborstromversorgung führendes Kabel verwendet und dabei die korrekte Polarität gemäß Kennzeichnung auf der Platine RX-23T beachtet. Die Stromversorgung wurde auf 24 V eingestellt und vor dem Anschließen ausgeschaltet.

Sie können auch das Desktop-Netzteil RS Pro 24 V 3 A  (904-8503) verwenden; falls Sie ein C13-Netzkabel benötigen, bestellen Sie auch  (262-1154)  mit. 

 

 

 

 

 

Als Nächstes haben wir das USB-Kabel an den PC und dann an die Platine RX-23T angeschlossen und die externe 24-Volt-Stromversorgung eingeschaltet.

Auf diese Weise werden die Benutzeroberfläche auf dem PC und die Kommunikation gestartet. Das wird dadurch angezeigt, dass die LED DL1 der Platine schnell blinkt.

Klicken Sie auf die Schaltfläche „Set Up“ (Einrichten), wählen Sie das Kit RX-23 aus und klicken Sie auf „Auto detect“ (Automatische Erkennung). Dadurch wird der PC mit der RX23-T verbunden.

Die Anzeige der grafischen Benutzeroberfläche für den PC hat verschiedene Fenster und eine Reihe von Einrichtungsschaltflächen auf der linken Seite. Damit können die Motorparameter eingerichtet, abgestimmt und überwacht werden.

Bei bürstenlosen Wechselstrommotoren im sensorlosen Modus müssen folgende wichtige Parameter abgestimmt werden:


Strom-PI-Parameter, proportionaler Kp- und integraler Ki-Verstärkungsfaktor

Motorparameter Statorwiderstand, Synchroninduktivität und Permanentmagnetfeld.     

Jetzt gehen wir den Prozess durch, der sicherstellt, dass der Treiber für einen korrekten Antrieb des Motors eingestellt ist.

Wir verwenden die folgenden Optionen:

„Cur PI tuning“ (Strom-PI-Abstimmung)

„Cur PI tuning (Auto)“ (Strom-PI-Abstimmung, autom.)

„Motor Identification“ (Motorerkennung)

„Oscilloscope“ (Oszilloskop)

1) Bevor wir anfangen konnten, mussten wir sicherstellen, dass auf der Platine RX23-T die Standardparameter eingestellt waren. Dazu haben wir auf „Parameters Setting“ (Parametereinstellungen) geklickt und unter „00 Operation Select“ (00 Betriebsauswahl) „33“ eingegeben, dann auf „Write“ (Schreiben) geklickt und anschließend auf der Platine RX23T die gelbe Reset-Taste P1

 

2) Im Bildschirm „Parameters Setting“ (Parametereinstellungen) wurde der Maximalstrom in mA für den mitgelieferten Motor (3500) angegeben, der unter „07 Maximum Current“ (Maximalstrom) eingegeben wird, dann auf „Write“ (Schreiben) geklickt, um den Wert im EEPROM zu speichern, dann wurde der Bildschirm „Parameters Setting“ (Parametereinstellungen) geschlossen. Dieser Schritt ist für die automatische Kalibrierung unerlässlich und stellt die höchstmögliche Auflösung sicher.

3) Die automatische PI-Abstimmung wurde durch Klicken auf die Schaltfläche „Cu.PI tuning (AUTO)“ (Autom. Strom-PI-Abstimmung) durchgeführt. Die Software erzeugte eine Schrittspannung und durch Messen der Motorantwort wurden die 2 PI-Strom-Koeffizienten generiert. Diese wurden angezeigt wie unten dargestellt und durch Klicken auf „Yes“ (Ja) im EEPROM gespeichert.

4) Die manuelle Stromabstimmung erfolgte dann durch Klicken auf die Schaltfläche „CurPI tuning“ (Strom-PI-Abstimmung). Das Fenster für die Stromabstimmung wurde angezeigt. Beim Klicken auf die Schaltfläche „Apply Current Step“ (Stromschritt anwenden) wird auf dem Bildschirm die entsprechende Reaktion angezeigt und das Bild kann vergrößert werden, um Details der Transiente zu erkennen.

Jetzt können die Werte angepasst werden, um die sauberste Schrittantwort zu erhalten. Der Schrittstrom kann vom Standardwert von 50 % auf 90 % erhöht werden. Wenn der sauberste Schritt erreicht wurde, werden die proportionalen und integralen PI-Stromkoeffizienten abgestimmt und das Fenster kann geschlossen werden. 

5) Die automatische Erkennung der Motorparameter erfolgte durch Klicken auf die Schaltfläche „Motor Identification“ (Motorerkennung) und dann auf „Start“. Der Motor lief an und wurde für diesen Vorgang unbelastet gelassen. Durch Klicken auf „Yes“ (Ja) wurden die Ergebnisse übernommen und gespeichert.

 

In diesem Test wurden der Statorwiderstand, die Induktivität und das Permanentmagnetfeld des Motors gemessen und entsprechend abgestimmt.

Dann haben wir den Bildschirm „Parameters Setting“ (Parametereinstellungen) aufgerufen und unter „05 Polar Couples“ (Polpaare) die Anzahl der Polpaare (4 für den mitgelieferten Motor) und eine Mindestgeschwindigkeit von 1.000 U/min eingegeben. Der Anlaufstrom beträgt 25 % des Maximalstroms (25 % von 3,5 A sind 875 mA), daher wurde unter „06 Start Current“ (06 Anlaufstrom) 875 eingegeben. Das wurde durch Klicken auf „Write“ (Schreiben) im EEPROM gespeichert und das Fenster wurde geschlossen.

6) Daraufhin haben wir den Motor mit der Drehzahlregelung anlaufen lassen und den Motor mit 1.500 U/min, der 1,5-fachen Mindestgeschwindigkeit, getestet.

Mit der Funktion „Oscilloscope“ (Oszilloskop) konnten wir den Motorstrom im Zeitverlauf anzeigen. Außerdem haben wir mit der Phasenauswahl die Phase überprüft. Wir haben Änderungen der Werte der nachfolgenden 4 Parameter untersucht und die Auswirkungen beobachtet.

Die 2 Geschwindigkeitsparameter „13 Speed loop Kp“ (Drehzahlregelkreis Kp) und „14 Speed loop Ki“ (Drehzahlregelkreis Ki)

Die proportionalen und integralen Bedingungen „11 Current loop Kp“ (Stromschleife Kp) und „12 Current loop Ki“ (Stromschleife Ki)

 

 

Auswirkungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten wurden ebenfalls geprüft und die optimalen Werte ermittelt.

Es konnten Extremfälle beobachtet werden, in denen beim Motor Instabilität und Vibrationen auftraten, wie im nachfolgenden Video zu sehen ist.

Ein sehr stabiler Betrieb wurde durch Verwendung von Werten im Bereich der ursprünglich abgestimmten Werte erreicht. Das ist in diesem Video zu sehen.

 

Schlussfolgerungen

Dieser Prozess bot eine ausführliche Übersicht über die Steuerungstechniken und Parameter, die optimiert werden müssen, um die bestmögliche Leistung aus diesem Motortyp herauszuholen. Dank ihrer höheren Effizienz bieten sie viele weitere Anwendungsbereiche. Mit diesem Kit ist es problemlos möglich, kundenspezifische Motoren mit einer großen Bandbreite von verfügbaren Ausgangsleistungen und Optionen anzutreiben.

RS bietet eine große Vielfalt von bürstenlosen Gleichstrommotoren, z. B. den Faulhaber  (873-4811) , der mit diesem Kit verwendet werden kann.

Die Antwort auf die Ausgangsfrage lautet also: Ja! Durch die Platineneinrichtung können Sie die Funktionen zur automatischen Abstimmung sehr schnell ausführen und einen stabilen Motorlauf erreichen.

Wann unternehmen Sie einen Anlauf?  

Unterstützende Informationen 

Nanotec DB42S03 – Motorspezifikationen

3-phasiger Wechselstrommotor, bürstenlos

Maximalstrom:              5,4 A

Spannung:                   24 V

Nenndrehzahl:             4.000 U/min

Polpaarzahl:                 4

Statusanzeigen der Platinen-LEDs

DL1 USB-Kommunikationsstatus, blinkt, wenn zwischen PC und Platine Daten ausgetauscht werden.

DL2 RX23T-Mikrocontroller-Status, blinkt langsam, wenn Controller ordnungsgemäß funktioniert.

DL3 Freie Belegung, leuchtet, wenn Haupt-Unterbrechungssteuerung aktiv ist.

DL4 Zeigt vorhandenes 15-Volt-Schaltnetzteil von DC/DC-Abwärtswandler an.

DL5 Zeigt an, dass die Stromversorgung der Logik störungsfrei ist.

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