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.

Не всегда в таких двигателях применяется синусоида. Нужно убедиться что там не трапеция.

А синусоида да, формируется ШИМ-ом.
А ШИМ формируется цифровой схемой на микроконтроллере.
Не знаю насколько вы близки к микроконтроллерам, но именно там и ищут алгоритмы управления движками.
Все серьезные производители микроконтроллеров ST, TI, Atmel, Microchip, NXP, Freescale, Infineon... имеют неплохую документацию и примеры реализации цифрового управления двигателями типа вашего.

Наиболее четкая документация у Microchip-а, а вот микроконтроллеры лучше всего получились у Freescale. Особенно серия Kinetis MK60.
Для вашего движка также как и для асинхронников применяют векторное управление с двухконтурным регулированием.
Тема слишком сложная чтобы ее тут объяснять на пальцах.
Советую только не отрывать теорию от реализации на микроконтроллерах, а то потеряете время.

Спасибо за ответ, посмотрю на микрочипе примеры. Реализация планируется на ПЛИС, там и шимы будут аппаратные, и модуль энкодера и все это для 4 движков в одном флаконе и управлять всем этим будет софт-процессор.



Конечно нет, поэтому и спросил тут у умных людей где поискать, что почитать. Давненько делал свой частотник для асинхронников, поэтому чуть-чуть в теме. С реализацией - что аппаратной, что программной - проблем нет, важна именно теория. С этим в области синхронных движков пробел.

Я смотрю, Вы активно взялись за рекламу этого Кинетиса... Сильное, наверное, впечатление произвёл.

Посмотрел на сайт микрочипа и понял, что не понял чем отличаются BLDC (brushless DC) и Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). Объясните пожалуйста!

Нашел вот это:
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=106390
но непонятно тогда, почему шаговые выделяют отдельно от BLDC...

У шаговых и BLDC как минимум разные схемы драйверов. Шаговые не чувствительны к направлению тока в обмотке.
PMSM называют движки с синусоидальной ЭДС.
И BLDC могут развить большую скорость чем PMSM поскольку генерить синусоиду на высоких скоростях, а тем более делать векторное управление из-за фазовых сдвигов становиться невозможно.

С этой точки зрения пытаться реализовать векторное управление сразу 4-я движками на маломощном софт процессоре эт смелое решение.

Скажем по векторному алгоритму MK60 на 120 МГц с минимальным запасом по ресурсам времени может управлять только 2-мя движками с ШИМ-ом на 16 КГц.

Да это то понятно.



Фазовых сдвигов чего? ни ток, ни напряжение не меряю, у меня колесико с рисками и энкодер для контроля положения.



С энкодерами то че бы и нет, тем более много можно перевести в аппаратную плоскость.

Частотно-токовое управление для асинхронных двигателей. В синхронных приводах с обратной связью по скорости по другому.

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 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.

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?



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

Разделяйте все затворы. На вашем рисунке глупость какая то. Да, и когда вектор тока будете выставлять по ротору, тут есть одна хитрость - нужно учесть количество пар полюсов двигателя!

Пардон, на корпусе было плохо видно последнюю цифру, посмотрел другой драйвер - там одним выводом управляется и верхний и нижний ключи, а то что я принял за нижний ключ - это shut down. Так что все сходится

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.

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.




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

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.

Прошу извините что вопрос не в тему, непонимаю как вращается якорь, точнее, он полями увлекается или отталкивается, т.е. создает ли корпус двигателя реактивный момент (стремление вращатся в обратную сторону) или момент трения (стремление вращатся в сторону направления вращения якоря)?
Заранее блегодарен!

У NXP хорошие процы М4. Цена минимальная.

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.

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.

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


а сильно форма сигнала отличается от синусойды ?


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

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

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.

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




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?

Или только внутри контроллера в качестве математической абстракции.


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.

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

Была одна извращенная идея, но мы ее не проверяли на практике- между серводвигателем и знакопеременной нагрузкой стоит тензомост (датчик усилий) и по его данным подстраивается самый быстрый сервоцикл (токовый через мотор, который отвечает за момент на валу) а сервоцикл по угловому положению более медленный. Пробуйте, если получится- поделитесь результатами.

Такие "вещи" для знако-переменной нагрузки и высокими требованиями к угловому позиционированию, делаются (делались) с датчиком угловых ускорений/скорости (ДУУ/ДУС).
МЕМS-гироскопы вполне применимы.

P.S.
Поищите по публикациям серво-приводы для наружных антенн локаторов.

Система регулирования двигателем будет стремиться задать амплитуду вектора тока (а следовательно и потокосцепления статора) пропорционально требуемому моменту ротора. В режиме удержания этот момент будет равен противоположному по знаку возмущающему моменту приложенному к ротору, который может быть и нулевым. Направление вектора тока и потокосцепления при смене знака момента будет менять положение на +-90 градусов, но правильнее сказать что поле будет не прыгать, а плавно переходить через 0. Т.е. никакой нелинейности именно в этом месте нет. Вектор тока (и потокосцепления поля статора) плавно уменьшает амплитуду до нуля и потом пройдя ноль, плавно увеличивает амплитуду в противоположном направлении.

Возможно сделать позиционирование при помощи синхроного двигатели , только одним контуром ПИД по положению, без контура ПИД по скорости ?
интересуют сверхнизкие скорости, практически всегда в режиме удержания, в этом режиме компоненты пид скорости тоже предельно маленькие величины

эти плавные уменьшения, увеличения по какому закону будут меняться? синус? откуда он возьмется, если возмущающий момент явно не синус?

Плохие характеристики так получатся по точности и быстродействию. И с запасом устойчивости вероятно будут проблемы.
Рациональным выглядит вариант дифференцирования сигнала датчика положения для вычисления скорости и формирования скоростного контура. НО для этого нужен чистый сигнал положения (оптический энкоден например) и большая разрядность (обычно, 2^16 на оборот минимум, с которым характеристики еще довольно плохенькие получаются).


По закону регулирования. Этот сигнал будет выходом регулятора (ПИ в самом первом приближении). Выход регулятора скорости есть сигнал задания момента который является сигналом со знаком и поступает на т.н. моментный привод. Моментный привод - это релейный регулятор тока, выход которого переключает силовые ключи на высокой частоте, стремясь удержать фактический ток в двигателе в районе заданного значения. Если для вас синхронный привод новая область - сделайте сначала моментный привод, для этого нужно: датчики тока, токовый контур, датчик положения, преобразователь координат. А регулятор скорости и положения - это следующие этапы, их можно отдельно рассматривать.

-



зачем такое разрешение энкодера?



не понимаю как это будет работать в случае торможения ? к примеру отпускание груза

ведь большая скорость->больший ток-> больший момент

зачем нам удерживать ток? он нас совершено не интересует , почему не релейный регулятор положения?

релейный регулятор тока это тоже пид регулятор ?

Решил поднять тему.
Разрабатываю частотник для китайского 3-фазного сервомотора с постоянными магнитами.
Реализовал классическое векторное управление с компенсацией перекрестных связей
по известной pdf-статье Калачева. Коэффициенты все подбирал.
В целом работает, но столкнулся с двумя проблемами:

1) При снятии переходного процесса контуров скорости или положения перерегулирование тока
заметно зависит от начального положения вала. Видимо нужна какая-то калибровка поля от угла?
Как ее делать и как накладывать на классический алгоритм, может кто знает?
(Хотя двигатель на глаз дает чистейшие синусоиды напряжений при проворачивании вала).

2) Самое главное. Энкодер всего 2500 импульсов (т.е. 10000 положений на оборот). Не удается избавиться от
автоколебаний при удержании положения на месте или при очень медленном вращении.
Нет ли специальных алгоритмов для этого кроме классического трехконтурного? Высокая относительная
стабильность скорости на сверхнизких оборотах не нужна, достаточно позиционирования. Однако
возможен нестабильный приложенный внешний момент сопротивления (привод предполагается для фрезера).

PS. Китайский частотник от такого мотора не имею, как он себя ведет не знаю. Может оно так и должно быть...