#數位控制馬達驅動器 #相位電流回授 #電壓源逆變器 #轉矩漣波
#平滑響應 #速度剖面 #定子繞組 #轉子電磁諧波 #齒槽轉矩 #脈寬調變PWM #類比數位轉換器ADC
【從系統宏觀，揪出數位馬達驅動不佳的元凶！】
在所有數位馬達驅動器中，不可或缺的部分就是「相位電流回授」(phase current feedback)，其測量品質與轉矩漣波 (torque ripple) 和轉矩穩定時間等系統參數直接相關。雖然系統性能與相位電流測量之間具有較強的相關性，但很難轉化為對回授系統 (feedback system) 的硬體需求。馬達驅動器或伺服系統中的電流迴路性能，會直接影響馬達的轉矩輸出；對平滑響應 (smooth response) 與準確定位、速度剖面 (speed profiles) 十分關鍵。
平滑轉矩輸出的一個核心基準是「轉矩漣波」，對於直接轉化為終端應用的準確度剖面和分割應用相當重要；響應時間和穩定時間等參數，將左右生產效率直接被「可控制頻寬」影響的自動化應用優劣。馬達驅動器中的轉矩漣波可能來自於：
1. 馬達本身，例如「定子繞組」(stator winding)、插槽配置和轉子電磁諧波的磁卡轉矩所產生的「齒槽轉矩」(cogging torque)；
2. 相位電流回授系統的偏移及增益誤差；
3. 逆變器的停滯時間 (dead time)，在脈寬調變 (PWM) 輸出電壓增加低頻諧波零組件的定子電性頻率，例如，諧波頻率的電流迴路干擾抑制，將影響電流迴路表現。
當一個三相位馬達藉由開關電壓源逆變器來驅動，此相位電流可視為由兩個元件所組成：一個基本元件和一個開關元件。為達控制目的，須去除開關分量，否則會影響電流控制迴路的性能。最常見的抽取平均分量技術是——取樣同步到脈寬調變週期的電流。如果脈寬調變週期的初始及中間電流為平均值、且取樣時間同步，該開關分量可被有效抑制；但若電流取樣存在時間誤差，則將發生混疊 (aliasing)、電流迴路性能會因此下降。
相位電流的基本分量通常在幾十 Hz 範圍內，而電流迴路的頻寬則以 kHz 計算；微小的時間誤差會影響控制性能似乎有悖常理。然而，僅以相位電感限制 di/dt，即使是一個微小的時間誤差都將導致明顯的電流失真。錯誤的取樣時間最常見的原因有：
★在脈寬調變和類比數位轉換器 (ADC) 之間的鏈結不足，使得在正確的時間內取樣變得不可能；
★缺乏足夠的獨立同步取樣保持電路 (可能是兩個或三個，得依被測量的相位數目決定)；
★因脈寬調變時間器所產生的馬達電壓輸出相位之「閘極驅動訊號」傳輸延遲。
通常，任何能影響 di/dt 的事物都會決定錯誤取樣時間的嚴重性，但馬達轉速、負載、馬達阻抗，和直流匯流排電壓等系統參數，也會導致誤差！想要設計用於馬達控制的最佳化回授系統，必須具備系統宏觀，才能辨別誤差源以對症緩解。
延伸閱讀：
《理解馬達驅動器電流迴路非理想效應影響的系統途徑》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/1110/34017.html
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#亞德諾ADI #磁場定向控制器驅動平台FOC
圖檔取材：pixabay.com
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伺服馬達脈波計算 在 Re: [心得] PLC 過往工作及最近面試- 看板Mechanical 的美食出口停車場
: 推 syatoyan: 誠心發問 為什麼電子齒輪比害人不淺? 10/09 05:46
: → syatoyan: 靠調整電子齒輪比 可以藉由較高的回授脈波數 得到更精準 10/09 05:47
: → syatoyan: 的誤差 不是可以做更精準的誤差修正嗎? 10/09 05:48
: → syatoyan: 還是說 那樣得到的誤差值其實是假的 實際誤差還是以 10/09 05:49
: → syatoyan: 編碼器的規格為基準? 10/09 05:50
: → syatoyan: 可是使用者卻認為有電子齒輪比 所以我只要以最低階的 10/09 05:51
: → syatoyan: 所以造成 只要使用最低階的編碼器 + 電子齒輪比設定 10/09 05:54
: → syatoyan: 也可以做到誤差0.1mm的精準控制 這種錯覺? 10/09 05:54
: → syatoyan: 弱弱的推測是不是這樣的現象 所以電子齒輪比不好? 10/09 05:55
你的觀念有誤，這是我說電子齒輪比害人不淺的原因之一
電子齒輪比的存在原因
是因為編碼器解析度越來越高，使用者需求的馬達轉速增加
但脈波發送/接收模組的反應速度跟不上造成的
我們舉個例子，為求容易理解 & 計算方便，我用非真實數據來解釋
假設編碼器解析度是 360 inc/rev，意即馬達每轉一度，編碼器可以輸出一個訊號
(這裡我不用"脈波"，是因為很多人又會被編碼器脈波跟控制脈波搞混)
換句話說，編碼器的解析度是 1度，那麼這個伺服系統能達到的理論控制精度也就是1度
理論控制精度有兩個函義
1. 你能控制馬達往前/後轉1度。
2. 定位精度極限理論上是 +- 1度
接下來，我們要把脈波控制跟編碼器"脈波"混在一起講了
理論上，以pulse chain作為控制命令，一個控制脈波 = 一個編碼器脈波
也就是說，驅動器接收到一個脈波，會控制馬達轉一個編碼器單位
以這裡的例子，就是轉1度。
請注意，在這裡的例子裡，你是無法控制馬達轉0.5度或任何小於1度的角度
假設你希望馬達每秒轉10圈(10rps = 600rpm)
意即你要控制脈波輸出10 x 360 = 3600 Hz
再假設，你使用的脈波輸出模組，最高的輸出頻率只有2k Hz(先別管哪來這麼爛的模組)
換句話說，在這套系統裡，你無法得到你要的目標轉速
於是聰明的製造商，就引入了電子齒輪比這個參數
電子齒輪比讓控制脈波 = 編碼器脈波 x 電子齒輪比
換句話說，如果電子齒輪比設成 2
一個控制脈波，驅動器會讓馬達轉 2度
這樣的話，只要1800Hz的脈波頻率，就能讓馬達達到600rpm的轉速
不改變任何硬體條件的前提下，立刻解決這個問題。
請留意，這才是電子齒輪比最初設計出來的初衷，
只是為了解決脈波產生/接收模組的反應速度不夠快的問題而已。
而使用電子齒輪比會造成一個根本問題，就是你的控制精度直接下降
以上面的例子，你最小只能控制馬達一次轉2度，控制精度會下降
意即你只能控制馬達走0、2、4..... 這些角度，命令無法給1、3、5.....這些度數
(當然定位精度不會改變，一樣是 +- 1度。)
所以現在所有電子齒輪比的延伸應用
包含用來將減速比、螺桿導程計算後導入電子齒輪比
讓PLC的控制單位 = 機構單位，這種作法看似讓應用變得方便了
實際上並不是正確的使用。
而業界不僅是大教特教這種用法，還出書教你怎麼算
幾乎工控人都把這套方法當成聖經不容挑戰了....
當然很多人會說，編碼器解析度這麼高，換算到螺桿精度後，
一個編碼器解析度可能是1nm，我只需要1um的控制就好，
何必管設定電子齒輪比後造成的控制精度下降? 不影響使用啊
這我同意，這也是電子齒輪比在應用上，這麼多年來也沒有人有意見的原因。
不過我說的害人不淺，不完全是應用上不合理，其實稍微不那麼低階的驅動器
都可以讓你設定減速比跟螺桿導程，驅動器內部會自動幫你換算
但因為根深蒂固長久以來的使用習慣，太多人已經寧願就他原本那套電子齒輪比
算好丟一個參數進去就好，也不願意去使用正確的參數設定。此其一
再者是，控制脈波跟編碼器回授脈波，本質上兩者是沒有關係的
只是在控制上，一開始為求最大控制精度
自然會讓控制脈波跟回授脈波 = 1:1
電子齒輪比的引入，造成為數不少的工控人對這兩者產生誤解
錯誤觀念一久，就很難改了。
很多人真的以為，控制命令(脈波)，跟編碼器回授(脈波)，兩者一定要有一個比例關係
當使用到比較進階的系統時，反而一直糾結在控制命令的問題上
結論
1. 電子齒輪比的使用會導致控制精度下降
2. 沒搞懂電子齒輪比的使用者一大票
3. 搞懂但被電子齒輪比這個觀念限制住的使用者又是一大票
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更精確一點來說，通訊型的伺服(不丟pulse)，就可以完全避免掉這個問題
也完全不需要有一個"電子齒輪比"這個參數
通訊不是只有EtherCat而已，通訊方法非常多
Ethernet base的有EtherCat,Sercos, ProFiNet, Ethernet IP, EtherNet TCP/IP...
非乙太基礎的更多,Can Bus , ProFi Bus , ModBus , 標準的串列阜通訊也有人在用..
換句話說，只要可以直接"溝通"的驅動器，就不受限在Pulse command了
IEEE 1394、USB都能拿來通...
再重申一次，其實就應用上來說，要高速運轉又要高控制精度的應用是非常少見的
一般的PTP 應用，很少會拉到非常高的速度。需要高速的應用，也很少需要高定位精度
所以電子齒輪比在實際應用上，並不會真的造成什麼問題
(真的到高階應用就不會用這麼低階的伺服了)
而真正的問題，就在於電子齒輪比並不會造成問題
所以使用者就不認為這有什麼問題，而從根本上不去理解這個東西到底是幹嘛用的
然後在一知半解的情況下，亂七八糟的觀念累積起來
這才是真正的問題。
※ 編輯: wisdom (114.26.81.36), 10/09/2017 20:46:34
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