Jump to content

    
Sign in to follow this  
Prizrak_Kommunizma

Точное управление моментом на валу двигателя.

Recommended Posts

Приветствую всех. Испытываю недостаток в советах бывалых и более опытных в деле разработки электроприводов, по этому решил написать сюда.

Есть коллекторный двигатель постоянного тока на 12 В с индуктивностью обмотки 20 мкГн, сопротивлением обмотки 0.5 Ом и максимально допустимым током 1.5 А.

Задача: Сделать драйвер с КПД по мощности > 90 %, позволяющий устанавливать и динамически менять (любым способом с микроконтроллера - ЦАП, ШИМ и т.д.) момент на валу движка. Крутить движком надо в разные стороны. Задача сводится к задаче управления током. Я пересчитал момент на ток. Выходит, что нужно поддерживать от 50 мА до 1.5 А с точностью хотя бы +- 5%.

Вариант поставить перед H-мостом транзистор и открывать его в линейном режиме сразу отпадает из-за полной потери КПД. Вариант с чистым ШИМ управлением тоже, потому что вне звукового диапазона один только период ШИМ будет 33 мкс (для 30 кГц). А внутри этого периода надо ещё обеспечить как можно меньший шаг задания тока. Если шагов хотя бы 100, то минимальное время в открытом состоянии 300 нс, что уже сложно достижимо если не залезать в дорогие СВЧ транзисторы.

Первым неудачным опытом в этом деле для меня стал L6207. Он реализует управление током через переключение режимов быстрой и медленной рециркуляции, что как я понимаю единственно верно в моём случае (так ли это?). Но он делает отсечку только по верхнему значению тока, что усложняет понимание того, а какой-же сейчас ток средний. Так же он сам управляет частотой и иногда уходит в звуковой диапазон, что для меня недопустимо (мотор начинает "петь"). Так же он имеет недостаточный КПД и уходит в перерегулирование, когда пытаешься установить низкий ток. Это значит, что ему не хватает скорости, чтобы переключаться вовремя и активная фаза длится слишком долго, так что фаза медленной рециркуляции не успевает понизить ток до нижнего уровня.

Значит нужно переключать транзисторы H-моста быстрее, сами транзисторы должны быть лучше по сопротивлению и скоростным характеристикам. Это приводит к необходимости создания всего этого на рассыпухе. У меня в голове строится следующая цепочка:

Spoiler

1424816255_IMG_20210313_1324401.thumb.jpg.4e32a138360c3fe37a63d38e92d3b638.jpg

В ней ток движка усиливается, далее 4 компаратора (2 для одного направления вращения, 2 для другого) определяют точки срабатывания при переключении в режим медленной рециркуляции и обратно, ну а логика непосредственно врубает и вырубает транзисторы. Перестраиваемый источник нужен, чтобы при поддержании низкого тока в активной фазе ток не рос слишком быстро.

Долгий сёрч в интернете не дал мне объективного понимания о том, возможно ли это в принципе. по моим прикидкам требуемая частота переключения моста где-то рядом с 1 МГц. Но я не уверен, что смогу собрать цепочку обратной связи с достаточно малым временем запаздывания (нужно сильно меньше 1 мкс). Особенно напрягает усилитель. Я не смог найти достаточно быстрого.

Вот хотелось бы услышать ваше мнение, может я концептуально ошибаюсь и всё надо делать не так. А может чего-то упустил. Реализую такую систему впервые для себя, по этому буду рад любой критике и советам.

Edited by Prizrak_Kommunizma

Share this post


Link to post
Share on other sites
37 минут назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

Вариант с чистым ШИМ управлением тоже, потому что вне звукового диапазона один только период ШИМ будет 33 мкс (для 30 кГц). А внутри этого периода надо ещё обеспечить как можно меньший шаг задания тока. Если шагов хотя бы 100, то минимальное время в открытом состоянии 300 нс, что уже сложно достижимо если не залезать в дорогие СВЧ транзисторы.

"Дорогие" - это сколько?

Например: BSC031N06NS3G - многократно перекрывает ваши хотелки по мощности, позволяет ШИМ-ить мотором на 20кГц (что уже не слышно даже на многократно бОльших токах), но можно и на 30кГц думаю без проблем.

Стоит он при этом ~1.5$. Это много? Нужно за 0.15$??  :russian_ru:

44 минуты назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

по моим прикидкам требуемая частота переключения моста где-то рядом с 1 МГц.

Зачем?? Для мотора.... Бред какой-то пишете.....

Share this post


Link to post
Share on other sites

Я наверное неправильно выразился. Вернее совсем неправильно. Цена не так важна, если она не космическая. Транзисторы подобные может и есть, но их надо чем-то включать, обеспечивая время переключения порядка единиц или пары десятков наносекунд (чтобы не сильно испортить импульс). В этом случае, зная ёмкость затвора предложенного транзистора, можно рассчитать что за эти наносекунды ток через схему управления транзистором должен быть десятки ампер.

Предметно: на рынке в нормальном доступе я смог найти только что-то вроде LM5106. Но он и переключает транзисторы гораздо дольше.

В итоге схему, обеспечивающую dead time, тоже надо как-то на рассыпухе делать?

Напоминаю, минимальный импульс, должен быть ровным 300 нс.

При этом я ещё не совсем уверен что чистый ШИМ может управлять моментом так же как если бы контролировался непосредственно ток. Я ошибаюсь?

Edited by Prizrak_Kommunizma

Share this post


Link to post
Share on other sites
23 минуты назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

В этом случае, зная ёмкость затвора предложенного транзистора, можно рассчитать что за эти наносекунды ток через схему управления транзистором должен быть десятки ампер.

О каких "десятках ампер" речь? Вы мегаваттным приводом управлять собрались???  :shok:

Вроде писали, что "максимальный коммутируемый ток 1.5А"?

Что нужно для управления силовыми транзисторами ШИМа - можно посмотреть по схеме любой отладочной платы, сделанной для этой цели.

Например: https://www.infineon.com/dgdl/Board_Users_Manual_General Purpose Drive Card_R1 0.pdf?fileId=db3a304339dcf4b10139f820254e2cf0

Share this post


Link to post
Share on other sites

Я говорил про ток протекающий при зарядке затвора транзистора. 

20 наноКулон = 20 наноАмпер/Секунд. То есть чтобы открыть или закрыть его за одну наносекунду надо дать в течении наносекунды ток 20 Ампер для заряда или соответственно разряда затвора. Я где-то ошибаюсь?

На вашей плате стоит драйвер затворов 6ED003L02-F2. Он переключается больше 100 нс, что вообще не канает. У него то токи гораздо меньше благодаря этому, но щёлкает долго, если рассматривать его для случая чистого ШИМа (вкл-выкл-вкл-выкл-...)

Edited by Prizrak_Kommunizma

Share this post


Link to post
Share on other sites
26 минут назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

20 наноКулон = 20 наноАмпер/Секунд. То есть чтобы открыть или закрыть его за одну наносекунду

Зачем его открывать/закрывать за 1нс??? Собираетесь ШИМ-ить на частотах в несколько МГц? :shok: 

Цитата

На вашей плате стоит драйвер затворов 6ED003L02-F2. Он переключается больше 100 нс, что вообще не канает. У него то токи гораздо меньше благодаря этому, но щёлкает долго, если рассматривать его для случая чистого ШИМа (вкл-выкл-вкл-выкл-...)

Во-первых: плата не моя, а Infineon-a. У которого достаточно богатый опыт по разработке плат управления эл-двигателями. Не находите?

Во-вторых: плата рассчитана на управление двигателями с токами в обмотках многократно бОльшими чем у вас. И при этом они как-то обошлись без десятков ампер (а если следовать вашей логике им нужно было токи в сотни ампер коммутировать - это только в затворах транзисторов :biggrin: ).

Изучайте схему и думайте - почему и зачем там так сделано. И почему такому уважаемому товарищу как Infineon - канает, а вам, для многократно более простого поделия, - не канает.

Для вашей задачи можно ещё менее мощные транзисторы выбрать и драйвер попроще.

Share this post


Link to post
Share on other sites
19 минут назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

Но я не уверен, что смогу собрать цепочку обратной связи с достаточно малым временем запаздывания (нужно сильно меньше 1 мкс).

 

и что, у Вас правда такой безинерционный двигатель?

Share this post


Link to post
Share on other sites
Только что, wla сказал:

и что, у Вас правда такой безинерционный двигатель?

Видимо ТС решил ШИМ-ить на нескольких МГц. Или даже - нескольких десятках МГц.  :biggrin:

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 минуту назад, jcxz сказал:

Видимо ТС решил ШИМ-ить на нескольких МГц. Или даже - нескольких десятках МГц.  :biggrin:

А почему не гигагерц?

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

 

2 hours ago, Prizrak_Kommunizma said:

Задача сводится к задаче управления током.

Если чуть-чуть подумать о принципе работы коллекторного двигателя, то выяснится, что нет никакой жесткой зависимости между током и усилием на валу. Регулировать усилие без датчика усилия не получится, да и там будет черти что в момент переключения обмоток.

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 минут назад, rkit сказал:

Если чуть-чуть подумать о принципе работы коллекторного двигателя, то выяснится, что нет никакой жесткой зависимости между током и усилием на валу. Регулировать усилие без датчика усилия не получится, да и там будет черти что в момент переключения обмоток.

Если нужно регулировать именно момент на валу, то можно заменить коллекторный мотор на PMSM. Тогда датчик усилия не нужен. Но нужен достаточно точный датчик углового положения ротора (а не простейший д.Холла).

Share this post


Link to post
Share on other sites
14 minutes ago, wla said:

и что, у Вас правда такой безинерционный двигатель?

Вот это верное замечание. Я признаться по неопытности думал, что ШИМ при любой частоте вызывает вибрацию в движке на частоте ШИМа, отчего он и "поёт" если эта частота звуковая. А будет ли вибрация при 30кГц или более ВЧ ШИМе способна доставить кому-то неудобство или расшатать скажем за год всякие гайки в механизме? На практике имею в виду.

 И как лучше как прикинуть скорость изменения момента на валу в зависимости от подаваемого тока? Какие характеристики движка учесть?

14 minutes ago, jcxz said:

Зачем его открывать/закрывать за 1нс??? Собираетесь ШИМ-ить на частотах в несколько МГц? :shok: 

Во-первых: плата не моя, а Infineon-a. У которого достаточно богатый опыт по разработке плат управления эл-двигателями. 

Во-вторых: плата рассчитана на управление двигателями с токами в обмотках многократно бОльшими чем у вас. И при этом они как-то обошлись без десятков ампер (а если следовать вашей логике им нужно было токи в сотни ампер коммутировать - это только в затворах транзисторов :biggrin: ).

Изучайте схему и думайте - почему и зачем там так сделано. И почему такому уважаемому товарищу как Infineon - канает, а вам, для многократно более простого поделия, - не канает.

Для вашей задачи можно ещё менее мощные транзисторы выбрать и драйвер попроще.

Давайте определимся с терминологией. Основная частота ШИМа пусть 20 кГц. Тогда период будет 50 мкс. В этот период надо впихнуть скажем 100 градаций заполнения ШИМа (хотелось бы больше). Значит минимальный импульс, который транзисторы должны выдать это 0.5 мкс. Чтобы переходные процессы не возымели серьёзного влияния на КПД, фронты должны занимать сильно меньше времени чем сам импульс, например хотя бы 1/10 длины импульса. Тогда время включения транзистора должно быть 50 нс. Окей, это на 1 нс (которуя я привёл скорее больше в пример чем как реальную задачу), но это уже на грани возможностей того, что я нашёл на рынке из готовых контроллеров. Тот же предложенный 6ED003L02-F2 имеет dead time больше 100 нс. В итоге импульс будет похож на трапецию и я много энергии потеряю на переходных процессах.

На всякий случай: я не пытаюсь кого-то учить, я сам пытаюсь понять где ошибаюсь в своих рассуждениях. Для этого и пишу так подробно.

12 minutes ago, rkit said:

Если чуть-чуть подумать о принципе работы коллекторного двигателя, то выяснится, что нет никакой жесткой зависимости между током и усилием на валу. Регулировать усилие без датчика усилия не получится, да и там будет черти что в момент переключения обмоток.

Почему? Разве в режиме частичного или полного стопора мотор не эквивалентен соленоиду по своим электромеханическим свойствам?  

Share this post


Link to post
Share on other sites
29 минут назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

Значит минимальный импульс, который транзисторы должны выдать это 0.5 мкс. Чтобы переходные процессы не возымели серьёзного влияния на КПД, фронты должны занимать сильно меньше времени чем сам импульс, например хотя бы 1/10 длины импульса. Тогда время включения транзистора должно быть 50 нс.

Это с чего это следует?  :wacko2:

Ничто не мешает при таком периоде ШИМа поставить "мёртвое время" скажем == 200нс.

Ещё раз внимательно посмотрите на приведённую схему и подумайте: "Почему у других оно работает без таких фантастических требований как у меня и при том - с гораздо бОльшими токами?"

 

Цитата

Тот же предложенный 6ED003L02-F2 имеет dead time больше 100 нс. В итоге импульс будет похож на трапецию и я много энергии потеряю на переходных процессах.

Предположим dead-time == 200нс, частота ШИМа == 50кГц. Тогда длительность 2 dead-time за период ШИМ-а будет == 0.2e-6 * 5e4 * 2, т.е. это ==2% от периода ШИМа.

И что за гигантская энергия будет успевать теряться в это время? И где именно она будет теряться?

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 часа назад, Prizrak_Kommunizma сказал:

Предметно: на рынке в нормальном доступе я смог найти только что-то вроде LM5106.

Все гораздо проще: https://www.infineon.com/cms/en/product/power/

Такие чипы есть уже много у кого.

Share this post


Link to post
Share on other sites
10 minutes ago, jcxz said:

Предположим dead-time == 200нс, частота ШИМа == 50кГц. Тогда длительность 2 dead-time за период ШИМ-а будет == 0.2e-6 * 5e4 * 2, т.е. это ==2% от периода ШИМа.

И что за гигантская энергия будет успевать теряться в это время? И где именно она будет теряться?

Блин походу в этом и был затык, там же при расчёте КПД надо общий период брать) Благодарю, чутка глаза открыли) Это многое меняет.

А можно в этом случае осуществлять управление без обратной связи? Ну то есть верным ли будет предположение о том, что коэффициент заполнения ШИМа линейно переводится в текущий через мотор ток, а дальше линейно в момент?

И что с вибрациями от ШИМа? На них должно быть пофиг?

Edited by Prizrak_Kommunizma

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this