Слепой за рулем бесщеточного двигателя постоянного тока BLDC

Я смотрю на создание контроллера BLDC с микроконтроллером и изучаю руководство Atmel AVR444, в котором рассказывается о разработке и программном обеспечении, необходимом для драйвера без обратной синхронизации, контролируемого по времени и ЭДС.

Я расширяю свое понимание предмета. Приложение, которое я рассматриваю, предназначено для квадрокоптера RC, поэтому уровень точности скорости не является критическим, поскольку общая тяга может изменяться с довольно быстрым откликом. Нагрузка тоже не сильно изменится. Двигатель будет трехфазным (обмотки Y), около 5-10В, <10А, я думаю.

Я понимаю концепцию обратной эдс в плавающих обмотках для синхронизации вращающегося электрического поля. Тем не менее, я понимаю также, что вращающий момент на роторе пропорционален разнице во вращении между электрическим полем и постоянным полем ротора. Таким образом, ротор обычно немного отстает, в результате чего крутящий момент заставляет его пытаться догнать.

В примечании к приложению AVR444 разработано программное обеспечение, позволяющее вначале заглушить двигатель (используя фиксированные временные параметры) и ускорить его до определенного уровня, а затем позволить программному обеспечению управления обратным эдс взяться за дело. Это имеет смысл для меня, но то, что мне интересно, каково ограничение вождения вслепую?

Пока нет большой разницы между скоростью вращения ротора и скоростью вращения электрического поля, крутящий момент будет ускорять ротор и заставлять его соответствовать электрическому полю. Поскольку электрическое поле контролируется программным обеспечением, что может быть проблемой при слепом управлении электрическим полем и допущении, что ротор продолжает работать? Я предполагаю, что он может время от времени проскальзывать в поворотах, но на достаточно высоких скоростях (от 1000 до 5000 оборотов в минуту) и с некоторой степенью инерции, несомненно, это будет в среднем? Если скорость меняется, скажем, на 100 оборотов в минуту, я не слишком смущен.

Используя фиксированное напряжение для привода двигателя и фиксированную частоту вращения, я ожидаю, что ток в обмотках будет изменяться в зависимости от величины крутящего момента, необходимого для вращения ротора в соответствии с электрическим вращением. Ограничитель тока на блоке питания может остановить что-то слишком сумасшедшее.

Мысли? Я понимаю, что предпочтительным методом является использование противо-ЭДС в контуре управления, но я искал идею относительно того, какими будут ограничения, связанные с неиспользованием контура управления и слепым приводом двигателя BLDC.

РЕДАКТИРОВАТЬ: В дополнение к тому, что интересный исследовательский пункт, он также имеет практическое применение. Слепое вождение двигателей BLDC - довольно тривиальная задача, которую может выполнить один блок управления MCU. Текущий дизайн, на который я смотрю, требует небольших отдельных MCU для запуска жестких контуров управления на двигатель. В конструкции с 4 двигателями (возможно, больше) это разница между 1 и 5 микроконтроллерами на плате.

brushless-dc-motor

— Оливер
источник

«С первого взгляда» я бы сказал, что вы понесете серьезную потерю производительности из-за надлежащего контроля. Причиной запуска с разомкнутым контуром является отсутствие обратной связи - в отличие от систем на основе датчиков, где вы полностью закрыли контроль от стационарного. С обратной связью по обратной эдс замкнутой цепи вы можете приблизить двигатель к его максимально возможной производительности, позволяя увеличить угол между полем вождения и полем возбуждения до некоторого предела, который, как вы решите, не вызовет проскальзывания. без обратной связи вы понятия не имеете, что делает ротор. ...

— Рассел МакМахон

... Комментарий: я играл с системой управления двигателем BLDC около 2 лет назад, но с тех пор у меня не так много опыта. Мои комментарии основаны на практических, но затухших во времени воспоминаниях | Окунёмся в далекую прошлую память: это не просто вопрос «скользящих вращений», который подразумевает постоянное движение в нужном направлении. При скольжении направление движения меняется на обратное, и ротор подвергается замедлению. Поскольку поле продолжает вращаться относительно ротора, вы войдете в область переднего хода, а затем, если все еще проскальзываете, снова войдите в задний ход и т. Д. ...

— Рассел МакМахон

... Двигатель может синхронизироваться хорошо и быстро, но не может. Вы обязаны получать всплески колебаний привода при каждом скольжении. | Я сомневаюсь, что это действительно решение на 1 или 5 микроконтроллеров - если вы цените наличие одного микроконтроллера с удаленными двигателями, это должно быть выполнимо. Но стоимость MCU совершенно минимальна по сравнению со всеми другими затратами, а репликация правильной конструкции многократно стоит только дешевого оборудования.

— Рассел МакМахон

Я понимаю вашу точку зрения. При проскальзывании вращения оно не отклонится до следующего - оно будет испытывать отрицательный крутящий момент, вызывая его замедление, способное вызывать колебания.

— Оливер

@ Оливер: Не совсем. Как только он проскальзывает, ваш средний крутящий момент внезапно падает до нуля, и двигатель полностью останавливается. Вы не можете восстановить без каких-либо других отзывов. Подумай, что такое промах. Вы пытались водить мотор быстрее, чем он мог ехать. В очень короткий срок он увидит отрицательный крутящий момент, так что все станет еще хуже. Тогда нет никакого механизма, чтобы ускорить двигатель, чтобы снова синхронизировать его. Почему бы не использовать датчики Холла? Это позволило бы эффективно управлять автомобилем, что важно при работе от батареи.

— Олин Латроп

Ответы:

Вождение слепого мотора - плохая идея по нескольким причинам:

Это неэффективно. Самый эффективный способ запустить двигатель - магнитное поле должно быть на 90 ° впереди ротора. Другими словами, крутящий момент на роторе является перекрестным произведением движущего магнитного поля и магнитной ориентации ротора.

С помощью обратной связи по положению магнитное поле может поддерживаться вблизи оптимального угла, что означает, что ток идет на фактическое нажатие на двигатель, а не удерживает его на месте. Иными словами, амплитуда - это то, что нужно для поддержания вращения двигателя на желаемой скорости в конфигурации максимального крутящего момента. Когда вы не знаете, где находится ротор, вы в конечном итоге перегружаете мотор.

Другой способ взглянуть на это состоит в том, что движущее поле имеет синусоидальную и косинусную составляющую. Допустим, косинус находится на 90 ° впереди ротора, а синус находится там, где сейчас находится ротор. Любой фазовый угол можно рассматривать как просто различную смесь компонентов синуса и косинуса. Однако только косинус-компонент двигает двигатель. Синусоидальная составляющая вызывает только нагрев и отражает потерю мощности.
Как только вы потеряете блокировку, игра окончена. При фиксированном приводе угол привода будет лишь немного опережать ротор при низком крутящем моменте. По мере увеличения скорости (а эффективное напряжение привода автоматически уменьшается из-за обратной ЭДС) или при увеличении нагрузки, фиксированный привод будет опережать ротор на 90 °.

Однако в этот момент он находится на краю, и любое изменение приведет к меньшему крутящему моменту. Если нагрузка на двигатель возрастает, ротор отстает более чем на 90 °, что приводит к меньшему крутящему моменту, что приводит к его еще большему отставанию. В течение следующего 1/4 оборота проскальзывания прямой крутящий момент уменьшится до нуля. Затем в течение следующих 1/2 оборота после этого движущий момент фактически толкает ротор назад.

На данный момент вы полностью облажались. Помните, что вы попали в это затруднительное положение в первую очередь, потому что крутящий момент не мог выдержать нагрузку, и вы только что испытали чистый отрицательный ход за последние 3/4 оборота. Если нагрузка внезапно снимается, и если вам очень повезло, ротор может ускорить синхронизацию с приводом в следующем цикле 1/4, но, конечно, нет, если какое-либо условие вызвало проблему в первую очередь. все еще присутствует.

Как только ротор не синхронизируется, суммарный крутящий момент за один оборот равен 0. Произведение двух синусоидальных волн разной частоты всегда составляет в среднем 0, независимо от фазового угла между ними.

— Олин Латроп
источник

Стоит ли отмечать, что, хотя шаговые двигатели и бесщеточные двигатели концептуально очень похожи, а первые, как правило, сконструированы так, что они могут безопасно рассеивать 100% номинальной рабочей мощности в виде тепла, большинство бесщеточных двигателей не могут безопасно обрабатываться таким образом?

— суперкат

@ Олин, хорошо, что после всех этих лет, когда у меня нет сенсорного или слепого вождения, он все еще хуже. Я не делал никакой работы над этим, поэтому я думаю, что вы правы +1. Я помню, когда у меня были волосы, и у меня не было лишнего веса, сотрудник колледжа, работавший над этим для его мастера. Это был 1986 год, когда я занимал научную должность и повторял курс по системам управления. Я показал ему свои вещи, а он показал мне настройку двигателя BLDC. Я не помог ему, это были все микро-вещи. То, что он сделал, было адекватным для стиральной машины. Это было не идеально. Меня поражает, что после всех этих лет слепой привод не совершенствовался.

— Аутизм

@Aut: Бессенсорный и слепой привод совершенно разные. Без датчика - это другой способ определить положение ротора, но в конечном итоге он использует предполагаемое положение для привода двигателя. Без датчика может работать довольно хорошо, если реализовано должным образом.

— Олин Латроп

таким образом, уровень точности скорости не критичен, пока общая тяга может изменяться с довольно быстрым ответом

не совсем так, как это работает, просто гуглите, как новые escs для квадрокоптеров выходят за рамки стандартного сервопривода pwm по соображениям скорости и точности.

Во-вторых, «слепой старт» имеет единственную цель - заставить ротор двигаться, случайно, но двигаясь, поэтому его начальное положение может быть определено по обратной эдс, которую он вызывает

Имейте также в виду, что BLDC - это синхронные двигатели, «скольжению» здесь не место. Большие ресурсы для изучения самой «математической», но фундаментальной теории «по-человечески» можно найти на форумах «Бесконечная сфера» :-)

— Caterpillaraoz
источник