Sterowanie silnikami BLDC

[slawek7]

Cześć.

Poszukuję informacji na temat sterowania silnikami BLDC. Chciałbym się Was podpytać o kilka spraw, bo trochę się w tym pogubiłem.

Chciałbym zacząć od paru takich rzeczy.

1. Czy sterowanie silnikiem BLDC przebiegiem sinus również wymaga informacji o położeniu. O ile zdaję sobie sprawę że nie da się w tym przypadku wykorzystać BEMF (chyba jeśli nie to sprostujcie) to czy w takim razie konieczne jest zastosowanie jakiegoś enkodera lub czujników Halla?

2. W nawiązaniu do punktu 1. czy zasilając silnik przebiegiem 3-faz sinusoidalnym można po prostu go zasilić z falownika 3 fazowego?

[Luuke]

Warto zacząć od ujednolicenia nazewnictwa, jest to strasznie namieszane. Silnik BLDC ma trapezoidalny przebieg BEMF, natomiast sinusoidalny przebieg ma silnik PMSM (czasem nazywany BLAC). 

Optymalny sposób sterowania jest zgodny z przebiegiem BEMF, tzn. dla BLDC będzie to sterowanie 6-step, a dla PMSM sterowanie z wykorzystaniem FOC. W sterowaniu 6-step można bez problemu wykorzystać obserwację BEMF i na tej podstawie ustalać moment przełączenia. Świetnie to Dondu opisał na swojej stronie. W sterowaniu FOC wykorzystuje się obserwację przebiegów prądów fazowych na podstawie których ustala się położenie wirnika i oblicza wysterowanie wyjść sterujących na kolejny cykl. Sygnały sinusoidalne uzyskuje się poprzez odpowiednie wysterowanie wyjść PWM.

[marek1707]

I kolejna ważna rzecz: silnik BLDC musi być zasilany w fazie z położeniem wirnika, tj. komutacje w zewnętrznym falowniku muszą następować w ściśle określonych momentach/położeniach wału. To zupełnie inaczej niż w typowym silniku AC, gdzie na stojan dajesz jakąś częstotliwość np. 20 czy 40Hz, wał kręci się zawsze trochę wolniej niż wirujące pole a moment powstaje właśnie dzięki poślizgowi jednego względem drugiego, bo tylko to generuje prąd w klatce wirnika. Jeśli bardziej obciążysz taki silnik to falownik nic nie musi o tym wiedzieć, wirnik zwalnia, moment wzrasta i wszyscy są zadowoleni. Przykład: zasilanie wprost z sieci AC 50-Hz. Tam przecież częstotliwość się nie zmienia i pole stojana zawsze wiruje tak samo szybko. W silnikach BLDC jest co do zasady bardziej jak w krokowych: wirnik musi kręcić się albo tak szybko jak pole albo wcale. Odwracając przyczynę i skutek: to falownik musi tak sterować polem by zawsze trochę wyprzedzać obecne położenie wału. Tylko tak powstanie quasi-stały moment obrotowy z którego chcesz skorzystać na wyjściu. Dlatego nie da się sensownie sterować silnika BLDC z głupiego falownika generującego na ślepo jakieś sygnały faz. Tak można zrobić tylko w przypadku małych obciążeń, małych (lub prawie zerowych) obrotów i sporego "przewatowania" sterowania czyli wtedy gdy masz pewność, że bez sprawdzania jego położenia wirnik robi to co mu każesz. Przykład: gimbale do kamer.Przy tak niskich obrotach (lub w zatrzymaniu) do sterowania w zamkniętej pętli musiałbyś mieć silnik oczujnikowany, bo back-EMF ze stojących uzwojeń nie wyciągniesz.

[slawek7]

Dzięki za wytłumaczenie, lecz drążę dalej, chodzi mi w dalszym ciągu o sterowanie tego BLCD sinusem.

W siec i jest parę przykładów gotowych sterników nazywają to SIn Wave BLCD Controller np jak tu:

 

 

inaczej mówiąc co się stanie po podpięciu przebiegu sinusowego 3 faz do takiego silnika

[Luuke]

Jeśli akurat jakimś cudem trafisz w dobry stosunek napięcia do częstotliwości to MOŻE silnik ruszy. Istnieje algorytm sterowania U/f w którym stosunek napięcia do częstotliwości musi być stały w całym zakresie prędkości. Na papierze wygląda to fajnie, w praktyce trochę gorzej. Podczas rozpędzania należy wykonać wyjątek od reguły i podać stałe napięcie, żeby w ogóle ruszyć silnikiem. Ponadto silnik pobiera zdecydowanie więcej prądu niż podczas sterowania optymalnym algorytmem. Natomiast jeśli nie trafisz ze stosunkiem U/f to silnik będzie buczał, brał dużo prądu i może się coś spalić.

W sterowaniu silnikami BLDC/PMSM to one narzucają jak należy nimi sterować i kiedy trzeba robić odpowiednie przełączenia. A jak nie to silnik stanie i odmówi posłuszeństwa

Edytowano Maj 8, 2019 przez Luuke

[marek1707]

To jakim kształtem sygnału sterujesz silnik BLDC jest rzeczą drugorzędną. Typowy trapez nie odbiega przecież bardzo od kształtu sinusoidy, więc jedyne co stracisz to trochę sprawności (czyli mniejszy moment/moc lub większa temperatura przy tych samych osiągach). Na filmie jest jakiś sterownik od roweru lub skutera elektrycznego - widać manetki z kierownicy a silnik jest oczujnikowany (cienki kabelek na dole). To oczywiście będzie działać a czy jest tam sinusoida czy trapez? Ani nie jesteś tego w stanie sprawdzić ani na filmie nic o tym nie mówią. Ja tam z resztą niczego nie rozumiem co ten gość mruczy. Nie wiadomo także jaki to silnik (oprócz tego, że trojfazowy) ani jaki konkretnie sterownik i jego algorytm. Nawet robiąc samodzielnie jakiś projekt z sieci nie wiesz do końca co dostaniesz na końcu, chyba że naprawdę ma pojęcie o tym co robił i zawarł to w dokumentacji. Na pewno łatwiej zrobić komutację na 6 punktów czyli sterować silnik prostokątem/trapezem niż generować trzy sinusoidy, ale dziś jest to tylko kwestia kilku linijek w kodzie, elektronika pozostaje taka sama.

Na pewno zwykły falownik 3-fazowy - taki jak do silników AC, generujący ładną sinusoidę, do BLDC kompletnie się nie nada i to wcale nie z powodu kształtu przebiegu a z powodu braku wejść na czujniki położenia wału i/lub braku możliwości detekcji back-EMF. Jedna z tych rzeczy jest po prostu konieczna.

[slawek7]

To powiem Wam że jeszcze bardziej zamotaliście mnie. Poszukałem trochę na ten temat i nawet są noty Microchipa o sterowaniu trapezoidalnym i sin wave silnika BLDC. Porównują obie metody: zalety i wady m.in. płynny ruch w sinusie.

Jeszcze inny przykład

 

Edytowano Maj 9, 2019 przez slawek7

[marek1707]

Hm, trudno odpowiadać na niezadane pytanie. Co Cię tak zamotało? To, że sygnał odkształcony ma więcej harmonicznych niż ten zbliżony do sinusoidy? Naprawdę? I że te harmoniczne słychać i w rdzeniu i w uzwojeniach i w elementach elektroniki drivera (kondensatory np)? Przecież to oczywiste. Silnik jest także głośnikiem. Ma magnesy, uzwojenia i metalowy rdzeń więc wszystko co potrzeba by robić dźwięk. To Cię zaskoczyło? Wolę nie zgadywać, jeśli chcesz się czegoś dowiedzieć to zapodawaj pytania zamiast zdań oznajmujących. A "stabilność" pracy w sensie o jakim tu mówimy określana jest przez wykres momentu w funkcji kąta obrotu wału w zakresie 0-360 stopni. Im ten przebieg jest łagodniejszy (bardziej płaski) tym silnik płynniej (także ciszej) pracuje, mniej zużywają się łożyska i mniej stresów widzi obciążenie, cokolwiek tam jest podpięte. W przypadku BLDC będzie to trapez, bo taki jest wykres jego back-EMF przy pokręcaniu ośki palcem. Kształt ten wynika wprost konstrukcji mechanicznej takiego silnika: kształtu nabiegunników, rozmieszenia magnesów stałych i sposobu nawinięcia uzwojeń. Jeśli "odpowiesz" silnikowi w taki sposób to odpłaci Ci się płynnym przebiegiem momentu w funkcji kąta obrotu - to proste, bo to działa w dwie strony. Oczywiście nie jest to czysty trapez znany z lekcji matematyki a właśnie takie coś jak widzimy na filmie w przykładzie pokazanym jako drugi - w miarę równo nachylone zbocza i wypłaszczenie na górze/dole. W odróżnieniu od całkiem ładnej sinusoidy dla silników PMSM.

[slawek7]

No to w takim razie pytania. Poczytałem trochę dalej na ten temat. Natrafiłem na ruską stronę opisującą sterowanie BLDC. Pokazuje tą bo na niej są opisy zarówno BLDC i jak i PMSM choć te informacje się powtarzają w większej liczbe.

O co mi chodzi. Mam wrażenie że na zagranicznych stronach jest pewne niedopowiedzenie. Jak Wy rozumiecie silniki PMSM, bo dla mnie to taki silnik energetyczny jak w generatorach. Popatrzcie na pierwszą o BLDC, dlaczego tam stosuje do sterowania PWM i wytwarza sinusoidę na uzwojeniach a potem opisując silnik PMSM też robi to samo z tym samym silnikiem i mówi że to silnik PMSM?

http://www.avislab.com/blog/stm32-bldc_ru/

http://www.avislab.com/blog/stm32-pmsm_ru/

 

Proponuje translatora, dość dobrze sobie radzi.

 

Juz mam jakąś jasność ale chciałbym jeszcze to uporządkować.

[Luuke]

Oba typy silników można sterować wykorzystując 6-step lub FOC, ale nieodpowiednie dobranie sterowania spowoduje spadek jakości sterowania i wspomniane już wcześniej efekty uboczne.

Różnica w sygnałach BEMF wynika ze sposobu nawinięcia uzwojeń (po lewej BLDC, po prawej PMSM).

[vander]

Witam, teorie opisaliście. Przejdźmy do praktyki jaki sterownik wybrać? Mam silnik 3kW 400V 8A hermetycznie zamknięty ( sprężarka ) jest wyprowadzone tylko wejścia fazowe.

Edytowano Grudzień 14, 2021 przez vander

[Luuke]

W porządku, przejdźmy do praktyki. Zrób przegląd dostępnych sterowników, które będą w stanie wysterować silnik o zadanych parametrach, wrzuć tutaj to co znajdziesz z przemyśleniami który wg Ciebie najlepszy, a my zweryfikujemy czy dobrze wybrałeś.

 

Ot cała praktyka

[vander]

Ale mnie wziołeś pod włos. Myślałem o gotowcu. Takiego nie mogę znaleźć. Kiedyś zrobiłem tylko końcówkę mocy i wiedza się skończyła.

[vander]

Przy wyprowadzonych czujnikach halla albo jakiś innych nie miał bym problemów.

Tak sobie myślę silnik BLDC jest silnikiem synchronicznym i jeżeli by go zasilać kluczami powoli zwiększają częstotliość od powiedzmy 0,5Hz i ograniczonym prądzie to czy to byłby normalny start. Pierwszy obrót napewno byłby chaotyczny a następne? Jak by to zachowywało bez powiadamiania położenia wału?

W silnikach krokowych jak nie ma informacji o położeniu wału to przy zgubieniu kroku maszyna robi błąd.

Sprężarka scroll z tego co widziałem na filmach to jest odporna na odwrotne obroty.

[vander]

znalazłem takie coś http://www.cnweiken.cn/wk600.pdf