Сверхточная стабилизация скорости вращения вала электродвигателя. Опции

[Vitaly_N]

Короче говоря, модернизирую трехмоторный прямой привод БС-02 от кассетного магнитофона Вега МП-122. Там я много чего уже сделал (ИК ДУ, оптический автостоп, подсчёт метража по квадратурным сигналам с правого двигателя подмотки, вывод на индикатор HCMS-2903 от Avago и т.д.), сейчас занимаюсь стабилизацией скорости вращения ведущего двигателя. В двух словах. На роторе двигателя сделаны 134 зуба и стоит магнитная головка, получается таходатчик. Двигатель должен крутиться со скоростью примерно 6 оборотов в секунду, частота с таходатчика примерно 800 Гц. Родная схема стабилизации скорости состояла из преобразователя частота-напряжение (на двух одновибраторах, собранных из К561ЛА7) и компаратора на К157УД2. Если длительность периода, выраженная в напряжении на конденсаторе, больше заданного подстроечником - управляющее напряжение, задающее ток в обмотках, увеличивается, если меньше - уменьшается. В статье A. W. Moore "Phase-locked loops for motor-speed control", 1973 предлагается использовать принципы ФАПЧ для стабилизации скорости вращения. Скорость задаётся эталонной частотой, получаемой из кварцевого осциллятора, фазо-частотным детектором сравнивается, результат сравнения подаётся на управление двигателем. Немного разобравшись в теме я понял, что как в статье предлагается, так мне не пойдёт, а тут надо чуть сложнее. Проблема в том, что у меня очень тормозной двигатель - измеренная механическая постоянная времени двигателя составила аж 2.5 секунды. Если делать, как написано в В.Ф.Самосейко "Теоретические основы управления электроприводом", 2007, стр.239-240, то там время выхода на режим составит 2 * пи * 2.5 с = 16 секунд. Долго. Не пойдёт. Поэтому я решил делать по схеме, изложенной в книге Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. 1982 на стр.182 рис 5-10. Там сначала грубо сравниваются частоты (периоды) и форсированно выходим на приближённое равенство скоростей, а только потом подключается ПИД-регулятор по фазе. Сначала я хотел сделать на рассыпухе, но потом сдался и сделал на ATmega328P и как выяснилось, совсем не зря - от меги сейчас потребуется весь её интеллект. В общем, сделал программный эквивалент схемы из книжки Башарина и Ко. В первом приближении всё работает, выход на устойчивый захват по частоте за 1.5-2 секунды от подачи питания, что меня полностью устраивает. Долговременная стабильность скорости достигнута, определяется кварцевым генератором. Начальная точность установки скорости 0.3%, что в три раза лучше, чем требования ГОСТ 24863-87 "Магнитофоны бытовые. Общие технические условия" для 0-й группы сложности (определяется разрядностью 8-битного счётчика, использованного для этой цели). Хватание вала пальцами на осциллограмме даёт только слегка заметный сдвиг по фазе, в общем, регулятор переменную нагрузку отрабатывает, как положено. А вот с девиацией дело плохо. Наблюдается размашистый такой джиттер, и никакие игрища с коэффициентами ПИД-регулятора не помогают его подавить. Вывел измеренный сдвиг фаз через USART в комп и посмотрел на графике - наблюдается отчётливая синусоида с частотой 12 Гц. Частота вращения вала - 6 Гц. На роторе используется 4-полюсный постоянный магнит, на статоре две пары катушек и два датчика Холла для управления ими, на катушках статора частота 24 Гц.

В первом приближении гипотеза заключается в том, что магнит ротора плохо намагничен. И тут возникла идея обучения и последующей компенсации. Скажем, за пару оборотов запомнить в каких местах двигатель тормозит, а потом, точно зная количество зубов в датчике энкодера, использовать эту информацию для упреждающей коррекции на следующем обороте. В связи с чем возникает вопрос - это я пытаюсь изобрести велосипед или так ещё никто не делал? Интересует, конечно, первый вариант, потому что из него следует, что об этом уже где-то написано, тогда мне нужны ключевые слова, чтобы гуглить. Ну второй вариант тоже неплох, можно будет статейку об этом написать, но в "грызении гранита науки" мне требуется "помощь зала" - вопрос заключается в том, какую именно информацию мне надо запоминать с текущего оборота, чтобы использовать её для упреждающей предкоррекции на следующем, и как именно эту предкоррекцию осуществлять, учитывая скромные ресурсы меги328. Я сейчас пытаюсь придумать модель двигателя с этим дефектом, чтобы понять, какой параметр двигателя "плавает" 2 раза за оборот, какую информацию хранить и какую величину и каким образом корректировать.

[khach]

Я в упор тут никакого ПИД не вижу на схеме. Регулировка привода тонвала идет через управление током возбуждения датчиков холла. Т.к датчики холла имеют линейную характеристику относительно возбуждения, то меняется ток обмоток привода. Т.е регулирока идет по моменту, а сам двигатель это автоколебательнв электромеханическая система жестко сфазированная позицией датчиков холла относительно полюсов ротора.
Приводы подмоточных узлов- просто линейные усилители с заданным коэффициентом передачи, т.е постоянным моментом. Конечно надо отбалансировать обе половинки каждого привода.
Схема стабилизации оборотов это какой-то хитрый ШИМ. Если можно- осциллограммы крупным планом в тех точках что на схеме показаны снять, желательно при различных нагрузках на лентотягу.
А если не стоит задача настройки готового узла- то я бы векторый привод на том же STM32 собрал. Вот только готового примера для двухфазных синхронных моторов нет, прийдется все преобразования кларка-парка переписывать.

[Vitaly_N]

Я в упор тут никакого ПИД не вижу на схеме.

Вполне естественно - потому что это родная схема. А что сделал я - описано сразу под схемой. Повторяю:

Я выбросил всё от коллектора VT1 до базы VT10 - между ними стоит мой регулятор.
Таймер 0 (8-битный) у меня используется как PWM для формирования выходного напряжения. Выход с него, отфильтрованный через ФНЧ с частотой 1 кГц, подаётся на базу VT10.
Таймер 1 (16 битный) используется для измерения периода и сдвига фаз двух внешних сигналов.
Сигнал опорной частоты 800 Гц я завёл на INT0. По прерыванию с него считываю счётчик таймера 1 (16-битного). Тут соображение такое, что пусть я программно его не очень точно захватываю, зато я знаю, что он регулярный, могу усреднить и подкорректировать.
Сигнал с таходатчика (коллектор VT1) завёл на ICP. Тут всё железно - по сигналу счётчик захватывается в ICR, оттуда в обработчике прерывания спокойно вычитываю и обрабатываю.