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.

[novikovfb]

Пробовал делать подобное обучение для улучшения точности шагового двигателя в микрошаговом режиме. Уровни токов в обмотках для каждого значения счетчика положения определялись через таблицу синуса, для коррекции делал смещение указателя в таблице от значения счетчика на корректирующую величину, т.е. измерял опережение/запаздывание для каждого микрошага, на следующем шаге применял это опережение/запаздывание с противоположным знаком и понижающим коэффициентом и опять измерял. Получается, что накапливалась таблица с поправочными значениями корректировки фазы с осреднением (за счет понижающего коэффициента).
Получилось движение плавнее, чем было до коррекции, но полностью сгладить неравномерность вращения не удалось: каждый шаг имеет немного отличающийся профиль, а на все микрошаги оборота памяти не хватило.

Сообщение отредактировал novikovfb - Jan 18 2017, 09:51

[Vitaly_N]

Получилось движение плавнее, чем было до коррекции, но полностью сгладить неравномерность вращения не удалось: каждый шаг имеет немного отличающийся профиль, а на все микрошаги оборота памяти не хватило.

Ну у меня всего 134 зуба. Держать в памяти массив из 134 интов, флоатов или даже даблов ресурсы есть.

[Guest_TSerg_*]

Ну у меня всего 134 зуба

Вероятно дело не столько в разной намагниченности, сколько в точности деления (размещения) зубов по окружности + катушек.

[Tanya]

Ну у меня всего 134 зуба. Держать в памяти массив из 134 интов, флоатов или даже даблов ресурсы есть.

А снять синхронно ток в двигателе. Если ток не меняется, то магнитная аномалия...

[Vitaly_N]

Вероятно дело не столько в разной намагниченности, сколько в точности деления (размещения) зубов по окружности + катушек.

Нет, зубья по окружности очень точно размещены, плюс датчик не простой, а с гребёнкой - по 10 зубам сразу усредняет. Катушки и датчики Холла да, могут быть расположены неточно, но это я совершенно точно переделывать не буду. Так что рабочая гипотеза остаётся - неидеальная намагниченность постоянного магнита ротора. Впрочем, это не очень важно.

Есть ещё одна гипотеза - это просто частота автоколебаний в контуре регулирования, а то, что оно оказалось кратно частоте вращения вала двигателя - ну так случайно совпало.

А снять синхронно ток в двигателе. Если ток не меняется, то магнитная аномалия...

Ток в двигателе снимать смысла нет, поскольку я его задаю своим регулятором. Да, я могу его вывести и посмотреть, и выводил, и смотрел, там именно то, что и должен делать регулятор - пытаться компенсировать отклонение. Ну там не совсем синусоида, но с той же периодичностью 12 Гц.

[alexunder]

Есть возможность сравнить результаты с другим аналогичным магнитофоном? Неравномерность намагниченности, если наличиствует должна заметно отличаться от образца к образцу, будет разный паттерн, кмк.

[Vitaly_N]

Есть возможность сравнить результаты с другим аналогичным магнитофоном? Неравномерность намагниченности, если наличиствует должна заметно отличаться от образца к образцу, будет разный паттерн, кмк.

Увы, нет такой возможности.

[Tanya]

Ток в двигателе снимать смысла нет, поскольку я его задаю своим регулятором. Да, я могу его вывести и посмотреть, и выводил, и смотрел, там именно то, что и должен делать регулятор - пытаться компенсировать отклонение. Ну там не совсем синусоида, но с той же периодичностью 12 Гц.

Вот и посмотрите, соответствует ли ускорение току. Вы его задаете, а как он отрабатывается?
Я бы в петле регулятора тока поставила аналоговый интегратор. Вы схему не привели, но полагаю, что у Вас периодически сравнивается интеграл от тока с интегралом от управляющего воздействия. И в зависимости от знака включается мост. Так?
А как тормозите? Закорачиванием? Еще можно подать постоянное воздействие, убрав все управление кроме тока - задать постоянный ток.
Будут колебания?

[Vitaly_N]

Вот и посмотрите, соответствует ли ускорение току. Вы его задаете, а как он отрабатывается?
Я бы в петле регулятора тока поставила аналоговый интегратор. Вы схему не привели, но полагаю, что у Вас периодически сравнивается интеграл от тока с интегралом от управляющего воздействия. И в зависимости от знака включается мост. Так?

Нет, не так.

Схема вот.


Внизу схема регулятора блока ведущего двигателя (БВД). 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.

А как тормозите? Закорачиванием? Еще можно подать постоянное воздействие, убрав все управление кроме тока - задать постоянный ток.
Будут колебания?

У меня новые соображения. Вот 10 периодов (1340 отсчётов). Выводится сдвиг фаз. Период составляет примерно 20150 отсчётов, целевой сдвиг фазы - половина периода (чтобы фронты были не одновременно), т.е. примерно 10075. Вот относительно него и колеблемся.

Во-первых, видно что тут не совсем синусоида, а во-вторых, видно, что она не точно равна второй гармонике. Т.е. это, скорее всего, не дефект двигателя, а автоколебания в контуре обратной связи.

[Tanya]

Нет, не так.

Схема вот.

Вы же раньше писали, что сделали по книжке. В книжке есть регулятор тока. А у Вас?
Я бы сделала так. Ваш сигнал управления преобразуется в аналоговый или ШИМ, который поступает на один вход интегратора, на второй подается сигнал с датчика тока обратной, естественно, полярности. По таймеру смотрите выход интегратора и включаете или не включаете мост. Получается сигма-дельта модулятор. Вы бы схему обрезали, чтобы влезла.

[Vitaly_N]

Вы же раньше писали, что сделали по книжке. В книжке есть регулятор тока. А у Вас?

Регулятор тока сделан на микросхеме DA2 и транзисторах VT2, VT3, VT5, VT6. Чисто пропорционально напряжению на базе VT10 (с учётом угла поворота ротора).

Я бы сделала так. Ваш сигнал управления преобразуется в аналоговый или ШИМ, который поступает на один вход интегратора, на второй подается сигнал с датчика тока обратной, естественно, полярности. По таймеру смотрите выход интегратора и включаете или не включаете мост. Получается сигма-дельта модулятор. Вы бы схему обрезали, чтобы влезла.

У МЕНЯ НЕТ МОСТА! Если бы я делал привод для металлопрокатного стана, то я бы тоже запустил ШИМ на двигатели через мост, но у меня - магнитофон. От электромагнитных помех от ШИМа с двигателя я потом как фильтроваться буду?

[MrAlex]

Все-таки вход и выход на одном графике было бы уместно нарисовать.

[Tanya]

Регулятор тока сделан на микросхеме DA2 и транзисторах VT2, VT3, VT5, VT6. Чисто пропорционально напряжению на базе VT10 (с учётом угла поворота ротора).

Честно скажу... Глаза мои отказываются разглядывать Вашу картинку. Вот там какие-то загадочные квадратики с крестиками перед ОУ стоят. Это что?
А помехи... там ток не будет скакать сильно - индуктивность мешает. От щеток сильнее, наверное.

[MrAlex]

Квадратики это датчики Холла, коммутируют токи при повороте ротора.
В общем схема это P регулятор со смещенным нулем, с коэффициентом 1.5 В/мс на базе VT10.
Или безразмерно 256*5/(20150*1.5).