La Coppia In Un Motore Brushless - tri-fase comandato in PWM

[Il Novizio]

Ciao a tutti,

mi trovo a dover fare qualche miglioria ad un circuito di pilotaggio di un motore brushless tri-fase.

A grandi linee il sistema è questo:

- 6 IGBT

- 1 driver per gli IGBT

- 3 sensori di Hall per determinare le 6 fasi

- 1 potenziometro per determinare lo spostamento effettuato

- 1 DSP per il controllo delle 6 fasi e per richiudere il loop di posizione con il valore del potenziometro e quello comandato.

Il motore è inoltre pilotato in PWM, attualmente con frequenza di pochi KHz, io dovrò portarla a qualche decina di KHz.

Ho la possibilità di diminuire la coppia massima sviluppata dal motore di un 20 %. Questo mi semplifica la vita da un punto di vista di dissipazione, tra l'altro.

La domanda fatidica è questa; è una banalità, ma il mio nick name lo potete leggere sopra:

Come agisco sulla coppia?

Da quel poco che mi ricordo da scuola, la coppia è proporzionale alla corrente inviata agli avvolgimenti; è giusto?

Per agire sulla corrente inviata agli avvolgimenti dovrei agire sul duty-cicle del PWM; giusto anche questo?

Ma dove? Voglio dire, il DSP svolge un algoritmo con essenzialmente 2 funzioni:

la prima - controlla le fasi dei sensori di Hall e abilità o no le uscite PWM corrispondenti

la seconda - esegue un algoritmo di controllo PID (proporzionale integrativo derivativo) sul loop di posizione, e da questo ricava il valore del duty-cicle.

Ma il valore della coppia dove va ad agire?

Sempre nell'equazione PID di asservimento? Mi sembra che in quella equazione l'incognita sia la posizione, non la coppia. Dove trovo il modo di agire sulla coppia?

Sono stato un po' lungo, e anche poco preciso; questo perché, in effetti, mi serve una risposta generica, per un circuito standard e generico... inutile stare a riportare codici e schematici.

Grazie a tutti in anticipo e ciao.

[Livio Orsini]

Dal tuo post sembra di capire che semplifichi un po' troppo il problema.

1) I pochi kHz quanti sono in realtà? 3? 5? E a quanti kHz vorresti arrivare?

2) Perchè vuoi innalzare la frequenza base del PWM? Non ti sfiora l'idea che forse il progetto del sistema abbia scelto quella frequenza per ragioni ben precise?

3) La presenza di sensori ad effetto Hall fa arguire che il motore sia un brushless trapozoidale, dove per trapezoidale si intende la forma della corrente. La rivelazione della posizione relativa rotore - statore è solo una parte dell'algoritmo di controllo. Il sistema di controllo, tra le altre cose, deve generare la corretta modulazione per ottenere una tensione di alimentazione del motore corretta in ampiezza, fase e forma. Si perchè in funzione della velocità (frequenza) varia anche l'ampiezza.

4) Diminuire la coppia perchè? Devi forse effettuare un controllo di coppia? Non sembra dato che parli di controllo di posizione. In questo caso il sistema eroga la coppia meccanica necessaria, purchè sia minore o uguale alla coppia massima disponibile.

Se proprio vuoi effettuare queste modifiche, studiati prima la teoria di un controllo per brushless trapezoidali ed anche il mootore, altrimenti rischi di fare solo danni.Tra l'altro, se è un motore di tipo standard, ti troveresti a "giocare" con tensioni pericolose per la salute tua. Queste sono cose che vanno lasciate fare a chi leconosce.

[Il Novizio]

Dunque:

1) la frequenza PWM adesso sta a 8 KHz, io la devo portare a 50 KHz.

2) Il motivo è evitarmi rumore dovuto alla 8KHz e alla seconda e terza armonica, le quali danno disturbi che, per l'applicazione cui è destinato, non sono tollerabili; il progetto che devo aggiustare è infatti non a specifica.

3) Il motore è quello brushless che si studia a scuola. In effetti non sono un esperto in brushless, ma una spiegazione è questa. 3 sensori di Hall per valutare la posizione del rotore e determinare 1 delle 6 fasi possibili di pilotaggio (in realtà il rotore è fatto in modo che ad ogni giro ho 48 fasi, o 24, non ricordo, ma il discorso non cambia, per cui facciamo finta che ne abbia solo 6). Hai presente, no? Ogni fase sfasata di 60°, a seconda di una transizione sul sensore di Hall passo alla fase successiva, a seconda se ruoto in orario o in anti-orario, eccetera eccetera.

Questa è, si, solo la prima parte del controllo. L'altro è il controllo dell'asservimento con una equazione PID (proporzionale integrativa derivativa) sulla posizione comandata rispetto alla posizione reale misurata da un potenziometro. Anche questa, roba che si studia a scuola, loop di controllo sul segnale errore, eccetera eccetera.

4) Non devo avere un controllo sulla coppia, dici giusto infatti; posso però diminuire la coppia MASSIMA erogata di un 20%.

Dici, "In questo caso il sistema eroga la coppia meccanica necessaria, purchè sia minore o uguale alla coppia massima disponibile".

E la mia domanda è appunto: da cosa è determinata la coppia massima disponibile? Diminuire la coppia massima mi consente di risparmiare un po' sulla dissipazione, cosa che dovendo passare a 50KHz fa sempre comodo, e quindi io chiedo: dove vado ad agire per ridurla? Sulla tensione di alimentazione? Preferirei cambiare il meno possibile al sistema che mi trovo davanti.

Su cos'altro allora?

Spero di essere stato un po' più chiaro.

Ciao

[Livio Orsini]

Ti ripeto il concetto di base: hai solo un'idea di massima di cosa sia un cotrollo brushless.

1) 8kHz, se si parla di un controllo per motore standard, è già un valore abbastanza elevato. 50 kHz.....preferisco non dire quello che mi viene alla mente.

2) Se devi muovere un certo carico, con una determinata inerzia, ad una velocità ed accelerazione di valore determinato hai autoamticamente definita la coppia necessaria. E' un'equazione di meccanica elementare. Ora se l'azionamento (il servomotore ed il suo alimentatore-regolatore) è in grado di fornire quel valore di coppia, fornirà quel valore di coppia, anche se può fornirne il doppio. Quindi il tuo sistema dovrà fornire quel valore, non il 20% in più o in meno. Se vuoi diminuire il valore di coppia massima che il sistema deve fornire, devi agire sui parametri meccanici, per esempio aumentando il rapporto di riduzione della trasmissione. Diverso è il ragionamento se effettui un controllo di coppia, non certo per un posizionamento.

Poi se proprio non sai resistere all'idea di lavorare a 50 kHz (tra l'altro potresti avere la sgradita sorpresa che la rumorosità aumenti ) fatti un po' di conti. Sui tempi di commutazione degli IGBT e sui relativi pilotaggi, sui tempi di elaborazione del DSP, e non ultimo sulle conseguenze che avrai per la compatibilità magnetica.

Ricordati sempre che andrai a lavorare con tensioni pericolose per la salute

[Il Novizio]

Per rispondere una volta per tutte al quest degli 8 KHz - 50 KHz.

1- E' necessario andare a 50KHz per rimanere in specifica. La banda nella quale non voglio rumore va dai 10KHz ai 30KHz.

Difficilmente avrò una subarmonica se vado a 50 che mi va proprio a dare noia ai 25, e comunque mi darà sempre meno fastidio della 1°, 2° e 3° armonica dovute agli 8.

E ripeto, da specifica si richiedono 50KHz, quindi o così o pomì.

2- Vero, gli IGBT difficilmente ce la fanno ad arrivare a 50KHz; i miei conti me li sono fatti. L'alternativa era usare, infatti, dei MOSFET, in particolare degli HEXFET della IR (International Rectifier).

Difficilmente ce la facevano, dovrei dire piuttosto, fino a poco tempo fa. La IR ha messo fuori da poco la sua generazione successiva di IGBT, WARP2, per la quale assicura di arrivare anche a 150KHz. 150 mi sembrano tanti anche a me, 50, probabilmente, sono raggiungibili. E non ci sono solo quelli della IR; anche IXYS ha dei nuovi IGBT con caratteristiche, ho fatto un confronto, molto simili a WARP2.

3- Per quanto riguarda la coppia: la meccanica è molto ostica per me, comunque provo a spiegarmi.

- la velocità con la quale il mio oggettino deve fare il banda-banda deve rimanere, sempre da specifica, uguale a come è adesso(0.3 secondi per la precisione).

- posso però ridurre la coppia massima.

L'idea quindi è agire sul rapporto di riduzione della trasmissione, in modo da lasciare la velocità uguale anche fornendo una coppia minore.

Mi sembra, anzi, che anche tu hai detto qualcosa di simile.

Ti prego di portare ancora un po' pazienza e spiegarmi una cosa:

se io cambio il rapporto di riduzione, lasciando l'algoritmo di controllo sulla posizione/velocità uguale a prima, la coppia massima viene diminuita di per se da questo semplice fatto?

Funziona così la cosa?

Ciao.

[Livio Orsini]

Coppia motore = (Coppia resistiva / rapporto di riduzione) / rendimento trasmissione [sempre <1]

Velocità motore = velocità carico * rapporto di riduzione

Vedi te come ti conviene agire sul rapporto di riduzione

Poi ti ricordo, al di la delle specifiche, che aumentandando la frequenza di PWM la rumorosità non è detto che diminuisca, anzi...

A questo devi aggiungere le problematiche ECM che da 8kH a 50kHZ fanno una bella differenza. A scanso di equivoci, se non è un apparato amatoriale o scolastico, deve superare le ceritfcazioni, altrimenti sono guai seri.

Se aumenti di un fattore >6 la frequenza di PWM, proporzionalmente aumenta anche il carico di CPU del DSP, hai verrficato al fattibilità? Immagino che avrai anche verificato le problematiche relative al pilotaggio dei MOSFET, che sono un poco diverse da quelle degli IGBT

Poi, insisto fino alla noia visto che sei un neofita, ricordati che lavori con tensioni pericolose

Modificato: 24 luglio 2005 da Livio Orsini