Синхронный двигатель, точное позиционирование Опции

[alexPec]

Добрый день.
Есть синхронный трехфазный двигатель (3 фазы, 4 обмотки на каждой фазе расположенные по кругу ABC-ABC-ABC-ABC). На роторе - магниты. Магнитов больше чем обмоток, расположены строго над обмотками. Нужно точное позиционирование ротора, есть энкодер. Изложу свои домыслы, поправьте пожалуйста где ошибаюсь:

1. Управление трехфазным синусом, сделанным через ШИМ - чередованием выбираем направление.
2. Ток обмоток (амплитуда шима) выбираем исходя из необходимой скорости разгона (на роторе инертная масса)
3. Частоту синуса - опять же исходя из требуемой скорости разгона.

Вопрос нарисовался сам собой: каким образом связать переменную процесса (положение ротора) с ДВУМЯ управляемыми величинами - частотой синуса и амплитудой? Если была бы одна управляемая величина - через ПИД регулятор. Да и в этом случае тоже через ПИД - регулятор наверняка, вычислить динамические параметры системы и выставить коэффициенты под оптимальное регулирование - это не проблема. Но вот по какому закону связать частоту и амплитуду - затык. У асинхронников частота с амплитудой связывается через закон V/F. Но там другая ситуация. А тут на момент двигателя получается влияет амплитуда синуса, а частоту (или точнее скорость изменения фазы) надо выбирать следя за энкодером исходя из того, чтобы ротор не "опрокинулся", т.е. не проскользнул. Быстро крутанем - даже при максимальном токе из-за инертности массы проскользнет, а значит дернется в другую сторону. Может смотреть за энкодером и держать опережение угла синуса относительно ротора? Ну то есть чтоб синус статора от ротора далеко не убегал. Подозреваю, что тоже есть какой-то закон типа V/F, как для асинхронников, но до сих пор с синхронниками не сталкивался, поэтому прошу подсказки специалистов - ссылки, литература, советы - все что не лень выложить.

[Elsystems]

каким образом связать переменную процесса (положение ротора) с ДВУМЯ управляемыми величинами - частотой синуса и амплитудой?

Делайте так: Никаких ШИМов тут не надо. Два токовых релейных контура по дву фазам, с частотами коммутации несколько килогерц, теперь вы сможете задать вектор тока в системе координат 120 градусов. Далее с помощью сигнала с датчика положения и функции sin ориентируете вектор тока относительно ротора так, чтобы был максимальный момент (фазу вектора нужно будет настроить). Теперь вы сможете задавать амплитуду вектора тока, и она будет пропорциональна моменту на роторе. С теорией регулирования вы знакомы, тогда дальше просто - поверх делаем скоростной контур, а поверх него - позиционный. Конечно это в двух словах - на практике очень много подводных камней.

[alexPec]

Делайте так: Никаких ШИМов тут не надо. Два токовых релейных контура по дву фазам, с частотами коммутации несколько килогерц, теперь вы сможете задать вектор тока в системе координат 120 градусов. Далее с помощью сигнала с датчика положения и функции sin ориентируете вектор тока относительно ротора так, чтобы был максимальный момент (фазу вектора нужно будет настроить). Теперь вы сможете задавать амплитуду вектора тока, и она будет пропорциональна моменту на роторе. С теорией регулирования вы знакомы, тогда дальше просто - поверх делаем скоростной контур, а поверх него - позиционный. Конечно это в двух словах - на практике очень много подводных камней.

Согласен, прочитал статейку микрочипа - там так же советуют - делаем фиксированное опережение угла для достижения максимального момента, угол опережения двигаем синхронно с ротором (следя за его положением по энкодеру), а управляем только посредством амплитуды синуса.

Теперь возник еще вопрос. Посмотрел как слеплены драйверы (рисунок, упрощенный естественно) и задумался как таким управлять? Все нижние ключи управляются одной линией, верхние - раздельными. Получается в рабочем режиме нижние драйверы все должны быть включены, а верхние шимятся на положительной полуволне синуса, а на отрицательной что - отключаются и все? Так что ли?
Стоп! Включив нижний драйвер, нам верхний то вообще нельзя включать - сквознячок будет...Как такое вообще работало тогда?

alexPec то, что применяете ПЛИС это правильно, но зачем для управления МК, на ПЛИСе все функции можно сделать и лучше. Только я бы делал на CPLD
и по отдельности каждый драйвер.

Так МК то в той же ПЛИС и реализован, NIOS, для гибкости внешнего интерфейса и т.д.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[AlexandrY]

Так МК то в той же ПЛИС и реализован, NIOS, для гибкости внешнего интерфейса и т.д.

Посмотрел я что предлагает Altera в своем "Drive-On-Chip Reference Design"

Да, поначалу смотрится впечатляюще, векторное управление 4-я сервоприводами одновременно!

Но копнув глубже и разобравшись что у них сделано в железе, а что софтварно, возникает непреодолимое чувство, что это просто очередной маркетинговый развод.

В железе сделаны только примитивный парк и кларк.
Так их и Cortex щелкает своим float-point ускорителем за микросекунды.

Как большое достижение Altera представляет ШИМ модуляторы.
Так их 4-е штуки есть и в гораздо более дешевом MK60.

Далее как достижение представлена синхронизация АЦП с ШИМ. Но вот у MK60 есть не только эта синхронизация и 16-и битный АЦП с аппаратной фильтрацией но и еще и PGA.

Потом пространственно-векторная модуляция в альтере сделана программно!
Все каналы PI тоже программные и на ARM9 или NIOS, которые заведомо тормознее Cortex-M4.
Не удивительно, что у них частота модуляции выбрана 16 КГц.

И как последний гвоздь, связывающий софт базируется на RTOS uCOS-II, которая в принципе устарела, бесплатная только в демках, и для коммерческого проекта неоправданно дорогая.

Это при том, что для MK60 библиотеки управления движком идут с совершенно бесплатной и более мощной RTOS MQX.

[alexPec]

Посмотрел я что предлагает Altera в своем "Drive-On-Chip Reference Design"

Да, поначалу смотрится впечатляюще, векторное управление 4-я сервоприводами одновременно!

Честно говоря, даже не знал что оно такое есть. Спасибо за информацию!
Я как-то не люблю использовать библиотеки, операционки, и стараюсь заимствовать по минимуму. В плис у меня будет СВОЙ ШИМ, аппаратный формирователь синуса, аппаратное слежение за энкодерами и аппаратное опережение угла. Т.е. векторное (так как я это понимаю) управление мне не нужно - я не оцифровываю токи, напряжения, не сравниваю фазы и т.д. На программу ляжет нагрузка только реализовать 4 PID-регулятора, причем с железа я буду считывать рассогласование, а управлять буду только амплитудой синусов. Как мне кажется, для такой задачи кортексы уж очень избыточно.

Но вот у MK60 есть не только эта синхронизация и 16-и битный АЦП с аппаратной фильтрацией но и еще и PGA.

Мне бы такие МК лет 5-6 назад, когда частотник лепил. Для асинхронных частотников конечно самое то.

[AlexandrY]

Т.е. векторное (так как я это понимаю) управление мне не нужно - я не оцифровываю токи, напряжения, не сравниваю фазы и т.д.

В вашем случае для конкретного обсуждения все еще мешает большая неопределенность.
Так какой у вас движок BLDC или BLAC (brushless AC, он же PMSM)?

В случае BLDC векторное управление в принципе применить невозможно.
А с BLAC без векторного управления и пространственно-векторной модуляции потеряете в стартовом моменте, стабилизации момента и коэффициенте использования напряжения (или будет меньше допуск на просадку напряжения), если вообще сумеете при заданных ограничениях мощности достичь необходимого согласования момента и скорости.

Скорее всего попытка сделать "упрощенное" управление BLAC закончится констатацией факта, что не хватает мощности движка если движок был подсмотрен у аналогичных решений, но использующий векторное управление.

[digital]

В случае BLDC векторное управление в принципе применить невозможно.

Можно с этого момента поподробнее, почему вы считате что при BLDC нельзя использовать векторное управление ?

[Herz]

Можно с этого момента поподробнее, почему вы считате что при BLDC нельзя использовать векторное управление ?

Это тогда, два года назад, нельзя было.
А если серьёзно, то, наверное, потому, что к несинусоидальному back-electromagnetic force (BEMF) векторный аппарат неприменим.

[khach]

Это тогда, два года назад, нельзя было.
А если серьёзно, то, наверное, потому, что к несинусоидальному back-electromagnetic force (BEMF) векторный аппарат неприменим.

Это два года тому назад нельзя было. А сейчас для векторного аппарата BLDC существует таблица коррекций формы тока или поля полюсов , которая заполняется на этапе самокалибровки привода под конкретный мотор. Точно так же как векторные частотники под асинхронные моторы самокалибровались. Едниственное неудобство- самокалибровка делается с прокручиванием вала мотора, так что надо нагрузку механически отсоединять.
Кстати, поэтому на современных синхронных моторах перестали пилить выравнивающие поле (до формы синуса) канавки на полюсах- мы по этому поводу ругались с поставщиками- два года назад купленные моторы еще имели выравнивающие канавки, а современные-уже нет. А поставщики сказали- меняйте сервоконтроллер на более умный.

[digital]

Это два года тому назад нельзя было. А сейчас для векторного аппарата BLDC существует таблица коррекций формы тока или поля полюсов , которая заполняется на этапе самокалибровки привода под конкретный мотор. Точно так же как векторные частотники под асинхронные моторы самокалибровались. Едниственное неудобство- самокалибровка делается с прокручиванием вала мотора, так что надо нагрузку механически отсоединять.

а как потом эта коррекция используются ? потом корректируются данные снимаемые датчиков токов или меняют саму форму поддеваемого сигнала на привод?

Кстати, поэтому на современных синхронных моторах перестали пилить выравнивающие поле (до формы синуса) канавки на полюсах- мы по этому поводу ругались с поставщиками- два года назад купленные моторы еще имели выравнивающие канавки, а современные-уже нет.

а сильно форма сигнала отличается от синусойды ?

А поставщики сказали- меняйте сервоконтроллер на более умный.

красавцы, простые как три копейки



статья по теме
Векторная подсистема регулирования тока для штатного или аварийного питания ВД (BLDC Sensorless FOC-control)
http://model.exponenta.ru/k2/Jigrein/dcs_knv.htm#L100

[khach]

а как потом эта коррекция используются ? потом корректируются данные снимаемые датчиков токов или меняют саму форму поддеваемого сигнала на привод?

Да неизвестно- на словах сказали про таблицы, а за исходники денежку хотят.

а сильно форма сигнала отличается от синусойды ?

Ну я сейчас каждый новый двигатель для проверки ставлю в токарный станок, нагружаю на треугольник из резисторов и подключаю осциилограф китайский. И запускаю фурье и смотрю соотношение 1, 3, 5 гармоник (это трапеция), 1 и 2 - это несимметричность полюсов, и субгаромоники (по числу полюсов машины)- это неидеальность магнитов в роторе или различных полюсов.

[digital]

Да неизвестно- на словах сказали про таблицы, а за исходники денежку хотят.

ну где то должен быть синус, лмбо на входе привода, либо на выходе

Ну я сейчас каждый новый двигатель для проверки ставлю в токарный станок, нагружаю на треугольник из резисторов и подключаю осциилограф китайский. И запускаю фурье и смотрю соотношение 1, 3, 5 гармоник (это трапеция), 1 и 2 - это несимметричность полюсов, и субгаромоники (по числу полюсов машины)- это неидеальность магнитов в роторе или различных полюсов.

о, спасибо



Если вернуться к исходной задаче, как выглядит удержание позиции ? Ведь для высокого момента требуется опережение магнитным полем ротора на 90гр, получается в режиме удержания магнитное поле должно прыгать +-90градусов, и как тут будет работать векторное управление?

[khach]

ну где то должен быть синус, лмбо на входе привода, либо на выходе

Или только внутри контроллера в качестве математической абстракции.

Если вернуться к исходной задаче, как выглядит удержание позиции ? Ведь для высокого момента требуется опережение магнитным полем ротора на 90гр, получается в режиме удержания магнитное поле должно прыгать +-90градусов, и как тут будет работать векторное управление?

А это от характера нагрузки зависит. Если большой момент нужен только для быстрой смены позиции (разгон-остановка) то проблем нет- энкодер укажет нужное рассогласование, а на точке момент уже и ненужен. Если момент и после остановки постоянный- то тоже проблм нет, рано или поздно ПИД по позиции доведет привод до нужной точки. А вот если момент знакопеременный, то это ж..., задница короче. В приводе столика фрезерного станка, где по столику постоянно лупила фреза для мягких режимов ставили два безколлекторника, которые работали " в раздрай" т.е в упор друг- другу с моментом заранее заведомо большим чем возмущающий. А для тяжелых режимов был заперт кругового фрезерования и зажим стола пневматическим тормозом. Это все при низких частотах возмущающегом момента- при высокоскоростном шпинделе привод просто не замечал переменного сопротивления от фрезы. Так что надо бы еще частотные характеристики сервопривода и нагрузки описать для корректности задачи.

[alexPec]

, то это ж..., задница короче.

Дада, в моем случае как раз нагрузка знакопеременная, и надо максимально быстро отрабатывать малейшее смещении от заданной позиции.