Управление моментным двигателем, Вопрос к практикующим инженерам Опции

[Stepanich]

AlexandrY, эксперимент с тремя блоками питания не предусматривает подачу сигнала какой-либо формы на обмотки, мы исследуем исключительно статический режим, т. е. подбираем такие токи в фазах, которые позволят создать момент на нужном угле (в том угле, где мы наблюдаем потерю момента при формировании токов с использованием инвертора). Ещё раз отмечу: эксперимент показал, что при любых соотношениях токов в фазах не удаётся достичь момента на определённых углах. При одной комбинации токов мы наблюдаем максимальный момент (тяжело провернуть рукой, ротор всегда возвращается в одно положение) в углах, соседних с интересующим нас; при другой комбинации ротор поворачивается на нужный угол, но момент практически исчезает (ротор можно сдвинуть лёгким прикосновением и он остаётся в этом положении, но при дальнейшем повороте ротора рукой момент растёт с углом поворота, пока не случится перескок одной пары полюсов, после чего эффект повторяется).
Если в цифрах, то области с минимальным и максимальным моментом чередуются каждые 30 электрических градусов (или 8*360/30=96 механических градусов), т. е.:
в 0 эл. град момент максимален;
в 30 эл. град момент минимален;
в 60 эл. град момент максимален и т. д...

Честно говоря, я был готов услышать от практикующих спецов в этой области что-то вроде: ничего удивительного, так и должно быть, эти движки не могут развивать момент абы на каких углах при нулевых скоростях; если хочешь момент, либо держи движок на определённых углах, либо раскрути движок где-нибудь минимум до 0,5 об./с.

[AlexandrY]

Если в цифрах, то области с минимальным и максимальным моментом чередуются каждые 30 электрических градусов (или 8*360/30=96 механических градусов), т. е.:

Нет, что то у вас не то с макетом.
Вот я яснее нарисовал диаграмму:


Из нее сдедует что минимальный момент только в три раза отличается от максимального и не равняется нулю.
Минимумы следуют каждые 60 электрических градусов. Тут вы углы чередования максимумов и минимумов правильно рассчитали.

У вас скорее всего слишком маленький ток и вы не учитываете момент трения. Увеличьте ток и увидите момент.
Скрость тут ни при чем. Это статическая диаграмма, поскольку шкалу времени можете растягивать до бесконечности.

[варп]

... мы исследуем исключительно статический режим....

Я немного занимался подобными двигателями ( разработал с нуля контроллер для него на основе обычной ПЗУ ...).
Мне кажется методика Ваших исследований ( статический режим ) не совсем корректна... В таких двигателях нет такого относительного положения ротора и статора при котором ротор не смог бы сдвинуться с места ( то есть момент был бы равен нулю ) при ПРАВИЛЬНЫХ напряжениях на фазах. Но за правильной сменой фаз следят датчики Холла, симулировать их работу вручную нереальная задача... А если не менять правильно и в нужный момент напряжения на фазах то и выводов правильных сделать не получится...
Простите, если сказал банальность...

[Stepanich]

AlexandrY, ток (сумму токов) стараемся поддерживать одинаковым (примерно номинал для этого двигателя, т. е. 3 А), чтобы не было разницы в условиях опытов, разумеется. Ток кратковременно увеличивали как раз в надежде увидеть момент: момент увеличивается лишь в тех углах, где он был изначально, а в "проблемных" углах неопределённость остаётся. Если я правильно понял, на Вашей статической диаграмме изображены шесть дискретных значений токов. Перебор подобных комбинаций действительно приводит к получению максимального момента, но на "противоположных" электрических углах. Эти токи соответствуют электрическим углам 0, 60, 120..., а нам надо 30, 90, 150... Таким образом, с предположением о маленьком токе и моменте трения позволю себе не согласиться. Видимо, пришло время устанавливать датчик момента и продемонстрировать здесь данные в табличном виде.
Ещё хотелось бы спросить, откуда берётся соотношение между минимальным и максимальным моментом 1/3? Это явление и есть тот самый cogging torque? Но не должен ли он составлять максимум десятки процентов? А тут получаются сотни.

варп, Вы сами отметили, что мы работаем в статическом режиме, тогда с какой целью "менять правильно и в нужный момент напряжения на фазах", если это приведёт к смещению ротора и изменению угла. Или Вы имеете в виду, что есть такая комбинация переключений напряжений (токов) в фазах, которая позволит удержать ротор в нужных нам углах с максимальным моментом? И каково назначение датчиков Холла, если положение ротора не изменяется?

У этого же производителя есть т. н. Slotless моторы. В этой статье они сравнивают их с текущими. Есть ли у кого-нибудь мнение, исправит ли ситуацию их применение?

[AlexandrY]

Ещё хотелось бы спросить, откуда берётся соотношение между минимальным и максимальным моментом 1/3? Это явление и есть тот самый cogging torque? Но не должен ли он составлять максимум десятки процентов? А тут получаются сотни.
...
Есть ли у кого-нибудь мнение, исправит ли ситуацию их применение?

Нет, cogging я не учитываю и не могу учесть не проведя реальных измерений.
На моей диграмме показан именно статический момент силы вызванный разницей углов между полями статора и ротора, когда по обмоткам статора течет постоянный ток в определенных направлениях.
Оценка величины момента сделана грубо чисто геометрически как сумма смещений центров полей полюсов статора и ротора на линейной развертке.
В реале, конечно, надо было бы применить синусы углов смещения, но я оцениваю ошибку не более чем в 30%

Т.е. если у вас нет момента силы при каком-то угле, то вы должны одну обмотку обесточить, на второй сохранить величину и направление тока, а на третьей сохранить величину, но поменять направление тока.

Безслотовые движки не помогут пока вы не смогли осуществить правильную коммутацию. Да там и и управление должно быть строго векторным. Холлы не помогут уже.

[Stepanich]

Попробовали составить модель в Sumulink (параметры двигателя: [1.02e-04 1.0e-09 8 0]):


Получилась такое соотношение момента (фиолетовый цвет) и токов фазах (синий, жёлтый и красный цвета):


Видно, что в точке равенства двух токов момент нулевой.

[варп]

Stepanich, я не знаю, что и где Вы моделируете..., но объясните мне на пальцах:
... в данный момент две катушки ( две фазы, два полюса ...) , катушки полюсов ( допустим А и В ) включены ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ... Допустим при этом - полюс эл. магнита фазы А ( полюс фазы А - северный ) ТЯНЕТ к себе ближайший магнит РОТОРА ( ПОЛЮС МАГНИТА - ЮГ).... В тоже самое время полюс ФАЗЫ В ( юг - соответственно ) отталкивает от себя ближайший магнит (юг) ротора ... И при чём здесь равенство токов??? Моменты от полюсов направлены в одном направлении...., и таки повернут ротор... По мере поворота ротора сила притяжения полюсов статора и магнитов ротора ( момент ) будет снижаться , так как их расположение станет менее оптимальным, но момент НЕ снизится до нуля, так как вскоре сменятся фазы , и момент вновь станет максимальным...Смотрите картинку из поста #17....
А теперь Вы расскажите на пальцах, что моделируете....

Сообщение отредактировал варп - Dec 25 2017, 18:26

[AlexandrY]

Видно, что в точке равенства двух токов момент нулевой.

Кто ж спорит!?
Да, если токи в обмотках не менять, то свободный ротор мотора придет в положение с нулевым моментом.
Такие же точки ротор будет проходить если его крутить асинхронно, как в вашей модели.
Странно почему вы так долго топчитесь вокруг такого простого наблюдения.
Уж не тролите ли?

Сегодня получил по почте такую незатейливую статейку про управление моторами содержащую весьма пространный FAQ.
Может поможет - https://drive.google.com/open?id=1iDhL3nt-N...owCr8HShe9Jt39r

[Stepanich]

варп, мы обсуждаем статический режим, т. е. режим, при котором токи не изменяются, поэтому фазы "вскоре" не сменятся. Ещё раз напомню проблему: исчезновение момента на определённых углах (каждых 60-ти электрических градусах). Моделируем вот что: подаём трапецеидальные токи в обмотки с низкой частотой и смотрим на момент на валу.

AlexandrY, так я и хотел услышать подобный ответ: у этого двигателя есть углы, получаемые путём формирования неизменных токов в фазах, при которых момент нулевой. И это не стёб. Согласен на перенос моего вопроса в раздел для начинающих.

[AlexandrY]

варп, мы обсуждаем статический режим, т. е. режим, при котором токи не изменяются, поэтому фазы "вскоре" не сменятся. Ещё раз напомню проблему: исчезновение момента на определённых углах (каждых 60-ти электрических градусах). Моделируем вот что: подаём трапецеидальные токи в обмотки с низкой частотой и смотрим на момент на валу.

AlexandrY, так я и хотел услышать подобный ответ: у этого двигателя есть углы, получаемые путём формирования неизменных токов в фазах, при которых момент нулевой. И это не стёб. Согласен на перенос моего вопроса в раздел для начинающих.

Я вижу проблему в том, что вы не описали полностью условия своего эксперимента.
Ротор закреплен или вращаетеся? Чем измеряете момент на валу?
Чем измеряете и стабилизируете токи, можно ли доверять вашим формирователям токов?

В любом случае BLDC предназначены для синхронного управления.
Т.е. либо с датчиками либо без навесных датчиков, но вы точно должны знать положение ротора и уже исходя из него формировать токи.
А при медленном вращении вы еще более прецизионно должны знать положение ротора.
Это же и к безслотовым движкам относится, просто они будут точнее работать с векторным регулированием.

Кстати, из FAQ-а из предыдущей ссылки можно сделать вывод, что стабилизировать момент можно и на двигателях с трапецеидальной ЭДС, только это будет не векторное управление, а гораздо более сложное.

[Stepanich]

AlexandrY:
1. Вращению ротора ничто не препятствует, но мы работаем именно на статике. Вращение ротора было упомянуто лишь для того, чтобы акцентировать внимание на зависимости момента от угла.
2. Момент измеряем динамометрическим ключом (англ.: reaction torque sensor). Планируем заменить на динамический датчик для автоматизации измерений.

Так всё-таки, Ваша фраза "Т.е. либо с датчиками либо без навесных датчиков, но вы точно должны знать положение ротора и уже исходя из него формировать токи" означает, что для одного и того же НЕИЗМЕННОГО угла мы должны ИЗМЕНЯТЬ токи в фазах (пусть даже по очень хитрому закону) или нет? Ещё проще: фиксированный угол + номинальный момент == стабильные токи в фазах или нет? Если нужно использовать какой-то хитрый закон, то какой: динамическую смену направления поля (с частотой выше той, которую может отработать ротор из-за инерционности), чтобы ротор, увлекаясь полем туда-сюда, держал нужный угол с моментом?

Что может быть сложнее (продвинутей) векторного управления? Если Вы имеете в виду flux weakening и т. п., то пока отложим этот вопрос.

[варп]

Stepanich, ещё не понятно...., поясните -
... Всего возможны ШЕСТЬ комбинаций сигналов с датчиков Холла...
Так же очевидно, в пределах ОДНОЙ КОМБИНАЦИИ (60-ти магнитных градусов) возможно смещение ротора и изменение МОМЕНТА в пределах (допустим) от максимума, до 1/3 максимума...
Тогда вопрос - Вы в состоянии контролировать положение ротора в пределах ОДНОЙ комбинации датчиков Холла ( 60-ти магнитных градусов )? Без этого контроля НЕВОЗМОЖНО организовать адекватное управление (током) моментом в ПРИНЦИПЕ....
То есть, если знать положение ротора с точностью до градуса, и точно знать ( просто из таблицы ) каков момент (речь о коэффициенте ,конечно) при каком-то ( не важно каком ) фиксированном токе (и при текущем градусе), то теоретически не сложно организовать такое управление током, при котором момент будет одинаковым при любом положении ротора..., ДАЖЕ В СТАТИКЕ...

Сообщение отредактировал варп - Dec 27 2017, 08:15

[AlexandrY]

Ещё проще: фиксированный угол + номинальный момент == стабильные токи в фазах или нет?

Что может быть сложнее (продвинутей) векторного управления? Если Вы имеете в виду flux weakening и т. п., то пока отложим этот вопрос.

Стабильные постоянные токи = постоянный момент при любом угле поворота в статическом состоянии. Так гласит закон Ампера.

Но управление моментом, т.е. увеличение, уменьшение, изменение по траектории - это другая тема.
Управление изменением момента по траектории в моторе с неидеально синусоидальной ЭДС - сложная задача в плане повышенных требований к закону управления. PID-ом, как в векторном управлении, здесь не отделаться.
Хотя можно пытаться, если допустимая ошибка выдержки момента более 10%

[amaora]

Stepanich
1. Ток который подаете на обмотки синхронизирован с положением ротора?
2. Датчики положения не используются?
3. Если нагрузки нет, ротор следует за полем статора, о каком моменте тогда речь (двигатель всегда в области ~0 момента), уточните.
4. Если нагрузка есть, допустим ротор зафиксирован и вы измеряете момент двигателя, тогда ток надо задавать в соответствии с положением ротора (пусть он и неподвижен), иначе некорректное управление двигателем, и момента от него ждать не надо.

[Stepanich]

варп, как я указывал ранее, у нас имеется магнитный датчик положения, дающий точность 0,02 градуса. В данном эксперименте он намеренно не используется, т. к. мы пытаемся понять "электрофизику". Если на нашем форуме мне говорят что-то вроде: "не майтесь дурью, у этих движков в этих углах при неизменных токах будет нулевой момент; замыкайте контур управления - только так и никак иначе вы получите момент на нужном статическом угле" - мы перестаём маяться дурью и переходим к замкнутой системе...

AlexandrY, ну не получается у нас по Амперу, к сожалению.

Кто-нибудь из неравнодушных может ради интереса проделать эксперимент с тремя блоками питания на похожем движке?