Аналоговая схема векторного управления синхронным электродвигателем

[J_Ohm]

1 час назад, Ilja Bondarev сказал:

Надо ли это понимать как намек на то, что о разрядке этих емкостей нужно озаботиться?

Я имел в виду, что нижние ключи в отличие от верхних можно держать открытыми сколько угодно, не опасаясь за разряд конденсаторов "бутстрепа".

Если речь об игрушке или о детском "настоящем" электромобиле, я бы для начала выбрал первое. Для машины помощнее и с возможностью потратить больше времени на доводку, опираясь на полученный опыт, возможно, второе.

На всякий случай, пожалуйста, не считайте написанное мнением профи по управляемым электроприводам.

 

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Ilja Bondarev]

On 2/14/2020 at 5:23 AM, J_Ohm said:

... фазного напряжения, угол которого относительно тока должен меняться в результате векторного управления ...

Угол между током и напряжеием будет 0 в условиях резонанса, т.е. имея задаточное значение тока в виде сигнала напряжения можно, поддерживая условия резонанса в цепи с нагрузкой, иметь ток в нагрузке без  сдвига по фазе к напряжению. Да и напряжения для получения того же тока нужно прикладывать меньше, чем в условиях фазового сдвига между током и напряжением. Вот только поддержание условий резонанса на меняющихся частотах порядка десятков герц есть задача, мягко говоря, не тривиальная. Варикапов необходимой емкости нет, создать их основываясь на барьерной емкости p-n перехода, наверное, нереально, слишком большие получатся.

Возможно ли тут какое нибудь решение на основе импульсной техники?

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[J_Ohm]

15 часов назад, Ilja Bondarev сказал:

Возможно ли тут какое нибудь решение на основе импульсной техники?

Ключевой мост и есть такое решение. Есть ли смысл во втором?

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Ilja Bondarev]

4 hours ago, J_Ohm said:

Ключевой мост и есть такое решение.

Но он никак не влияет на реактивную компоненту. Да, ток с помощью ШИМ регулируемого напряжения можно сформировать, но от сдвига по фазе между током и напряжением не избавиться.

5 hours ago, J_Ohm said:

 Есть ли смысл во втором?

Пока крокодил Гена (источник питания) большой и сильный (напряжение в избытке), а Чебурашка (индуктивное сопротивление) маленький, то Гене нести Чебурашку с вещами нетрудно, он и говорит: "Это ты здорово придумал."
Раздуйся Чебурашка до размеров самого Гены, то, очевидно, мы такого одобрения идеи таскать Чебурашку (реактивную энергию) не услышим.

Т.е. смысл  в том что, в условиях резонанса можно совершить ту же полезную работу распологая источником питания с меньшим напряжением, чем это было бы необходимо в ситуации ощутимой нескомпенсированной реактивной составляющей. Ну и конечно Джоулево тепло от "таскания" реактивной энергии тоже не стоит забывать, хотя это зло поменьше того, что напряжение источника питания приходится делать больше. Я, конечно, понимаю что в век импульсной техники и напряжение поднять не велика проблема, да и просто можно подключать конденсатор, компенсируя частично или полностью (только в одной рабочей точке) индуктивное сопротивление. Но это полумеры, правда действенные, хотя и не на все 100%. Так что, не то чтобы жить невозможно без резонанса в цепях с индуктивностью, но устройство или метод, позволяющий его создавать в широком интервале низких частот (десятки и сотни Гц), нашли бы свое применение.

[J_Ohm]

5 часов назад, Ilja Bondarev сказал:

Но он никак не влияет на реактивную компоненту.

Он ее компенсирует. Но вы, похоже, не поняли: электронную регулируемую емкость тоже можно реализовать на отдельном ключевом мосте с электролитическим конденсатором в шинах вместо питания. Он сделает компенсацию реактивности наглядной и поднимет напряжение за счет стойкости своих ключей. И все лишнее Джоулево тепло будет тогда выделяться тоже в нем. Никакого чуда.

[Ilja Bondarev]

On 2/19/2020 at 11:09 PM, J_Ohm said:

Но вы, похоже, не поняли: электронную регулируемую емкость тоже можно реализовать на отдельном ключевом мосте с электролитическим конденсатором в шинах вместо питания.

Довольно толстое подозрение,  что с помощью импульсного подключения емкости можно регулировать ее эффективное значение, у меня было, потому и вопрос. Правда в сети об этом как то почти ничего - по русски нашел только одну статью, по английски ничего, если не считать всевозможных PFC (power factor correction) схем. Совсем не понятно зачем для регулируемой емкости полный мост? Может посоветуете что то конкретное почитать где этот вопорос доходчиво обьясняется.

On 2/19/2020 at 11:09 PM, J_Ohm said:

Он сделает компенсацию реактивности наглядной и поднимет напряжение за счет стойкости своих ключей.

К сожалению, мой уровень знаний не позволяет  осмыслить изложение в столь краткой и емкой форме. Был бы признателен за набросок  схемы. Как управлять емкостью для достижения условия резонанса, т.е. отсутствия сдвига по фазе между током и напряжением в нагрузке?

 

On 2/19/2020 at 11:09 PM, J_Ohm said:

И все лишнее Джоулево тепло будет тогда выделяться тоже в нем.

В условиях резонанса никакого "лишнего" Джоулева тепла не должно быть вообще, т.к. реактивные компоненты напряжений компенсируют друг друга (емкостная индуктивную) и реактивного тока не возникает и соответственно ничего лишнего нигде выделиться не может. Вроде бы так?

[J_Ohm]

3 часа назад, Ilja Bondarev сказал:

Совсем не понятно зачем для регулируемой емкости полный мост?

С ним по-моему проще на переменном токе. Требуется одна рабочая емкость.

4 часа назад, Ilja Bondarev сказал:

Как управлять емкостью для достижения условия резонанса, т.е. отсутствия сдвига по фазе между током и напряжением в нагрузке?

А вот это вот не получится никак. Только отсутствие сдвига у первого моста и сдвиг 90^о у фазокомпенсирующего. Питание схемы управления вторым мостом очевидно плавающее. Сомнительная идея в общем.

Лучше использовать чуть более высоковольтные ключи и питание в одном мосте чем создавать для псевдорезонанса реактивное напряжение вторым.

4 часа назад, Ilja Bondarev сказал:

и реактивного тока не возникает

В компенсирующей схеме от него никуда не деться, а это потери.

[Ilja Bondarev]

On 2/27/2020 at 8:02 PM, J_Ohm said:

Лучше использовать чуть более высоковольтные ключи и питание в одном мосте чем создавать для псевдорезонанса реактивное напряжение вторым.

Это означает обычную мостовую схему с конденсатором включенным параллельно источнику питания?

Т.е. то от чего хочется уйдти, а и менно не поднимать напряжение источника питания для преодоления индуктивного сопротивления нагрузки, что можно сделать только в условиях резонанса. Ну вот делают же вот так

On 2/27/2020 at 8:02 PM, J_Ohm said:

С ним по-моему проще на переменном токе. Требуется одна рабочая емкость.

И что коммутируя одну диагональ  ШИМ сигналом разной заполненности будем иметь разную (зависящую от этой заполненности) эффективную емкость?  Почитать бы как это работает и работает ли вообще?.

[J_Ohm]

3 часа назад, Ilja Bondarev сказал:

с конденсатором включенным параллельно источнику питания?

Если речь о правом мосте, плавающий источник питания предполагается только для схемы управления. Конденсатор должен получать заряд в процессе работы.

Резонанс слишком ненадежен при изменении cos φ двигателя. Прирост напряжения может составлять от десятка % до нескольких сотен. В первом случае мало проку, во втором без высоковольтных транзисторов в "компенсаторе индуктивности" все равно не обойтись.

2 часа назад, Ilja Bondarev сказал:

Почитать бы как это работает и работает ли вообще?

 Вот бы узнать... Можно поэкспериментировать в симуляторе. В LTspice, например. Он как бумага все стерпит и бесплатен.

[Ilja Bondarev]

53 minutes ago, J_Ohm said:

Резонанс слишком ненадежен при изменении cos φ двигателя.

Никакого изменения cos φ  двигателя в условиях резонанса не будет,  весь смысл  резонанса в том что cos φ при нем равен 1 - ток и напряжение в фазе, индуктивное сопротивление скомпенсировано емкостным.

 

1 hour ago, J_Ohm said:

без высоковольтных транзисторов в "компенсаторе индуктивности" все равно не обойтись.

Но это не очень принципильная (или веренее сказать не столь неразрешимая) проблема. Транзисторы есть и на киловольты и даже есть без обратных встроенных диодов.

[J_Ohm]

45 минут назад, Ilja Bondarev сказал:

Никакого изменения cos φ  двигателя в условиях резонанса не будет

Это если снаружи цепи с двигателем смотреть. А нескомпенсированный двигатель сам по себе имеет cos φ от десятых долей единицы и до чуть менее целой, от коего параметра и зависит обратно умножение напряжения при резонансе.

[Ilja Bondarev]

26 minutes ago, J_Ohm said:

Это если снаружи цепи с двигателем смотреть.

А как же на него еще смотреть? Не пытаться же в провода залезть, притворившись электроном.

36 minutes ago, J_Ohm said:

А нескомпенсированный двигатель сам по себе имеет cos φ от десятых долей единицы и до чуть менее целой, от коего параметра и зависит обратно умножение напряжения при резонансе.

Можно и так сказать. Правда максимум напряжения будет определяться из соотношения LI² = CU²

[Ilja Bondarev]

Занялся практической реализацией гистерезисного регулятора тока и сразу по своей неопытности столкнулся с одной проблемой...

On 2/7/2020 at 6:04 PM, J_Ohm said:

Для управления разгоном, скоростью и направлением вращения останется только изменять коэффициент передачи сигналов с датчиков положения ротора.

Этот изменяемый коэффициент должен быть одновременно одинаковым в обоих фазах. Как это сделать?

 

[J_Ohm]

1 час назад, Ilja Bondarev сказал:

Этот изменяемый коэффициент должен быть одновременно одинаковым в обоих фазах. Как это сделать?

Изменением напряжения питания датчиков Холла. Другого простого способа нет, а над непростым придется думать.

[Ilja Bondarev]

1 hour ago, J_Ohm said:

Изменением напряжения питания датчиков Холла.

Весьма оригинально, мне такая мысль в голову не пришла. Правда мы очень сильно ограничимся в выборе датчиков Холла. Можно будет использовать только пропорциональные (ratiometric) у которых сдвиг нуля на середине  напряжения питания. А у таких датчиков, как правило, напряжение питания может колебаться в весьма узких пределах 4,5-5,5-6В. Так что сильно не порегулируешь.  Ну, несколько более или менее подходящих можно подыскать, но все равно у них диапазон возможных изменений напряжения питания не многим более  двухкратного (3-8В).

Может все таки лучше использовать в схеме включения  каждого ОУ полевой транзистор, как на рисунке. Затворами этих транзисторов управлять напряжением с одного потенциометра или напряжением от внешнего регулятора скорости, если предполагать наличие такового.

 

[J_Ohm]

16 часов назад, Ilja Bondarev сказал:

Можно будет использовать только пропорциональные (ratiometric) у которых сдвиг нуля на середине  напряжения питания.

Увы, я вообще предполагал голый элемент Холла, но вижу, что найти подходящий практически нереально.

Полевые транзисторы грешат разбросом. Лучше использовать их ключами в ШИМ и отфильтровать промодулированный сигнал.

Не жалеете еще о выборе концепции?

[Ilja Bondarev]

6 hours ago, J_Ohm said:

Увы, я вообще предполагал голый элемент Холла, но вижу, что найти подходящий практически нереально.

О "голом" датчике Холла мне доводилось только читать в некоторых книгах издания времен зари развития полупроводниковой техники, в виде готового промышленного изделия не видел таковых даже на картинке.

6 hours ago, J_Ohm said:

Полевые транзисторы грешат разбросом.

Смутно помня о разбросе параметров активных (и не только) элементов электроники, привел это решение в виде вопроса.

6 hours ago, J_Ohm said:

Лучше использовать их ключами в ШИМ и отфильтровать промодулированный сигнал.

Спасибо за решение. Схема, к сожалению, только усложняется и никак не становится дешевле. Фильтр это по ферритовому колечку с конденсатором у каждого полевика? И вместо потенциометра аналоговоуправляемый ШИМ модуль.

6 hours ago, J_Ohm said:

Не жалеете еще о выборе концепции?

Если под концепцией понимать принцип регулирования тока в обмотках напрямую по задатчику от ДПР и обратной связи по току, то с этим все по прежнему - ничего концептуально проще в исполнении с ДПР врятли можно придумать. Бездатчиковые решения это отдельная и совсем другая история.
 

Что касается схемотехническога решения то тут, как говорится, черт кроется в деталях. Все эти необходимые и неизбежные преобразования аналоговых сигналов  (компенсации сдвига нуля, формирование сигналов верхней и нижней границы гистерезиса и т.д.) в математическом плане сводятся к паре-тройке арифметических действий. Может разумнее (дешевле и проще) реализовать работу ШИМ управления на микроконтроллере,  считывая сигналы задатчика и ОС напрямую (через АЦП конечно) в процессор и необходимую арифметику и логику реализовать програмно. Кстати такое решение позволит реализовать и "толкай-держи" алгоритм регулирования тока, изменив только логику программы МК.

Вот только без помощи я не сумею даже оценить реализуемость решения на МК. Будет ли приемлема задержка в обновлении состояния ШИМ выхода МК, ведь понятно, что процессор не в состоянии работать с задержкой всего в десятки наносекунд, как это может компаратор и парочка ОУ перед ним.

Изменено 11 марта, 2020 пользователем Ilja Bondarev

[J_Ohm]

11.03.2020 в 16:14, Ilja Bondarev сказал:

в виде готового промышленного изделия не видел таковых даже на картинке.

В теме "Модернизация Веги - МП-120 и МП-122" waso использовал такие, судя по схеме, - из флоппи дисковода. Вот для примера: KSY 10, KSY 14. Смущает большое начальное смещение и отсутствие графиков от тока питания.

11.03.2020 в 16:14, Ilja Bondarev сказал:

Фильтр это по ферритовому колечку с конденсатором у каждого полевика?

Ферриты и вообще индуктивности на этих частотах неудобны. Активные или пассивные фильтры строят обычно только на R и C. По хорошему нужно три канала: два для датчиков положения и третий в ООС для ШИМ формирователя. Еще не забудьте, если нужен реверс, модуляция должна быть как с положительным так и с отрицательным коэффициентом передачи.

Концепцию, я имел в виду, - аналог. Нельзя не отметить, что всю схемотехнику слаботочной части схемы можно трансформировать в алгоритм.

 

[Ilja Bondarev]

On 3/13/2020 at 8:46 AM, J_Ohm said:

Вот для примера: KSY 10, KSY 14.

Теперь увидел...  Спасибо за ссылку, буду знать что есть датчики только с первичным кристаллом, на котором непосредственно проявляется эффект Холла. Только диапазон допустимых значений тока у них не слишком широкий и соответственно амплитуда напряжения Холла может меняться в не очень широких пределах (наверное примерно двукратная разница между минимумом и максимумом).

 

On 3/13/2020 at 8:46 AM, J_Ohm said:

Нельзя не отметить, что всю схемотехнику слаботочной части схемы можно трансформировать в алгоритм.

Несомненно, это возможно. Только что понимать под трансформацией? Копирование логики работы аналоговой схемы  on-off  управления с гистерезисом или, к примеру, применение управления по модели двигателя, где управляющее напряжение на каждом шагу оцифровки расчитывается исходя из текущих значений задатчика, тока (ОС), и постоянных значений индуктивности и активного сопротивления обмоток. Разумеется возможен и вариант классического регулирования с  П, ПИ или ПИД регулятором и координатными преобразованиями, коэффициенты которым задаст ДПР.  Таким образом есть как минимум три алгоритмически разных подхода к реализации управления током на МК

В копировании логики гистерезисного управления током в алгоритм возникает одна проблема, не позволяющая осуществить непрерывное сравнение сигнала тока (ОС) с сигналами верхней и нижней границы задатчика (сигнал с ДПР умноженный на интенсивность задатчика плюс-минус гистерезис). Если же считывать сигналы с ДПР и датчика тока с большой частотой, скажем 1 MSPS,  совершать над оцифрованными значениями необходимую арифметику и сравнивать значение тока с верхней и нижней границами девиации и по результатам сравнения выставлять логические значения выходов управления ШИМ сигналов, то  мне  неясно будет ли МК успевать это делать с такой частотой.  Из каких соображений следует выбирать частоту выборки?

Изменено 17 марта, 2020 пользователем Ilja Bondarev

[Ilja Bondarev]

On 3/13/2020 at 8:46 AM, J_Ohm said:

Нельзя не отметить, что всю схемотехнику слаботочной части схемы можно трансформировать в алгоритм.

Можно, но как из этого алгоритма следует, нам необходимо одновременное считывание двух величин - синус угла поворота и напряжения с датчика тока. А на это современные микропроцессоры, строго говоря, не способны. По своей наивности (точнее говоря незнанию) пологал что когда в описании МК говорится о многоканальном АЦП, то МК способен параллельно,  т.е. одновременно, считать несколько аналоговых сигналов. Разобравшись понял, что многоканальность встроенного АЦП есть число регистров откуда можно считывать оцифрованные данные, а АЦП физически один. Таким образом  на МК нет, строго говоря, возможности перенести один на один алгоритм с одновременным считыванием двух или более аналоговых сигналов.

Таким образом, аналоговая схема остается предпочтительной. Для реализации одинакового коэффициента обратной связи в цепях задатчика тока думаю использовать цифровые потенциометры, в одной партии у них разброс линейки сопротивления в пределах 2%.

Сделал в симуляторе оба варианта и "тяни-толкай" и "толкай-держи" . Результаты симуляций на картинках.

HCC push-and-hold.pdf HCC push-pull.pdf

[Ilja Bondarev]

Логику в схеме "толкай-держи" делал ка говорится by book. Но как видно из вышеприложенных результатов симуляции в управляющих сигналах затворов ключей моста присутсвуют "иглы", такие по 5 микросекунд. Как эти иглы убрать из логики автомата, синтезированного по таблице истинности, так до меня и не дошло. Посему, решил сделать логику управления исходя из рассуждений "на пальцах".  "Иглы" пропали, сигналы управления точно как в теории.

 

Саму схему тоже выкладываю. К сожалению она без каких либо комментариев, но надеюсь, что кому интересно - можно разобраться. На вопросы готов ответить. Буду благодарен за конструктивную критику и предложения по улучшению схемы.

[Ilja Bondarev]

Спаял схему, файл прилагаю. Пытаюсь запустить... Спалил уже пару H-мостов. Схема работает только в режиме задатчика тока около нуля, как это видно из приложенной осциллограммы (красная линия-верхняя граница задатчика тока, синяя нижняя, желтая линия сигнал с датчика тока, зеленая выход RS-триггера и вход управления моста). Как только увеличиваешь абсолютное значение задатчика тока (сдвиг красной и синей линии вверх или вниз), то выходы RS-триггера (они же входы управления моста) начинают "звенеть" и кончается это плохо. Как с этим бороться? Что я сделал неправильно?

Schematic_Hysteretic current controller_2020-06-05_17-25-00.pdf

[J_Ohm]

  Как на счет ФНЧ для подавления "иголок" в сигнале с шунта?

В реале схема наверняка также не обойдется без демпфирующих RC цепей параллельно ключам и "мертвого времени" с помощью параллельных резисторов и диодов в затворах, если такой опции нет в самом драйвере.

[Ilja Bondarev]

35 minutes ago, J_Ohm said:

Как на счет ФНЧ для подавления "иголок" в сигнале с шунта?

Для сигнала тока использую не шунт, а датчик тока на основе датчика Холла (CSLW6B1), конднсаторы между выходами датчиков и землей впаяны. Шума на сигнале тока не больше чем на сигналах верхней и нижней границы задатчика тока.

 

35 minutes ago, J_Ohm said:

если такой опции нет в самом драйвере.

H-мост у меня не самодельный, а готовый модуль EVAL PWD13F60   со встроенным драйвером, где о всех этих опциях, я уверен, позаботился производитель.

 

Компараторы верхнего и нижнего порога срабатывают, конечно из за шума в сигналах, многократно, но RS триггер срабатывает, как и положено, однократно. Почему при увелечении абсолютного значения задатчика тока начинается "звон" на выходах RS триггера, мне не понятно.

Изменено 5 июня, 2020 пользователем Ilja Bondarev

[J_Ohm]

1 час назад, Ilja Bondarev сказал:

но RS триггер срабатывает, как и положено, однократно.

При "звоне", видимо, уже нет. Сигнал с датчика тока аномально быстро достигает противоположного порога. Так и возникает непрерывное переключение на высокой частоте. Явление, скорее всего, связано с паразитной емкостью нагрузки.