Sygnał PWM - Unipolarny, czy Bipolarny

[slawek7]

Cześć.

Potrzebuję pomocy w uzyskaniu informacji.

Jeśli chciałbym sterować prędkością silnika DC czy komutatorowego czy BLDC i chciałbym to zrobić za pomocą PWM, to czy taki sygnał powinien być Unipolarny czy bipolarny.

Nie  wiem w jakich sytuacjach sie który wykorzystuje, bo jak przeglądałem przykłady sterowania silnikiem to nie ma jakiejś zasady. Nie chodzi i o to co w układzie jest dostępne, bo nie każdy uC ma możliwość generowania komplementarnego sygnału PWM i o to że unipolarny jest bardziej skomplikowany. Zakładamy że budowa układu nie jest istotna. Chodzi o samo generowanie przebiegu.

 

[deshipu]

Silnika komutatorowego nie możesz zasilać prądem zmiennym, bo tylko będzie próbował bardzo szybko obracać się raz w jednym a raz w drugim kierunku — zastanów się, to tak, jakbyś bardzo szybko do niego podłączał baterię na zmianę raz w jedną stronę a raz w drugą, tylko tak setki razy na sekundę.

Silnika bezszczotkowego z kolei nie zasila się sygnałem PWM, tylko specjalnie generowanym na podstawie odczytanej z niego pozycji rotora sygnałem. Sygnał musi być zsynchronizowany z rotorem, inaczej nic z tego nie wyjdzie, nie może to być taki sobie zwykły PWM o stałej częstotliwości. Zadanie to często powierza się gotowym modułom, które nazywają się ESC i czesto jako sygnał sterujący przyjmują sygnał PWM, bo tak się w modelarstwie przyjęło. Ten sygnał musi być także o stałym znaku — nie chcesz ujemnego napięcia dawać na nóżkę GPIO kontrolera, który jest w środku.

Edytowano Czerwiec 24, 2019 przez deshipu

[slawek7]

Zupełnie mnie nie zrozumiałeś😭

Wybacz ale od ręki potrafię tylko takie coś narysować. Nie zwracamy uwagi na elementy, chodzi o zasadę działania. W pierwszym przypadku - bipolarnym uC wytwarza komplementarny sygnał pwm (z czasem martwym) - Jeśli górny otwarty to dolny zamknięty i odwrotnie. Teraz zamiast LAMP wstaw silnik, na początek szczotkowy. Regulujemy jeszcze prędkość poprzez zmianę współczynnika wypełnienia.

I zmieniamy układ, w którym tylko jedna noga uC wytwarza sygnał PWM, a druga na plusa.

Serio jaśniej nie umiem. Wiem że brzydko, sorry

 

[deshipu]

Oba układy, które narysowałeś, będą dawać dokładnie taki sam sygnał — taki jak w pierwszym obrazku twojego oryginalnego postu.

Edytowano Czerwiec 24, 2019 przez deshipu

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[slawek7]

Dobra to nie patrz na tamte przebiegi tylko na ostatnie pseudo schematy 🙂

Tylko o ile dla źródła światła ma to małe znaczenie, która metoda zostanie zastosowana to jak to będzie z elementem indukcyjnym takim jak właśnie silnik?

Edytowano Czerwiec 24, 2019 przez slawek7

[deshipu]

No przecież właśnie na nie patrzę. Wrzuć to sobie w jakiś symulator i sam zobacz, jak mi nie wierzysz.

[slawek7]

A moze ja powinienem ten układ z dwoma tranzystorami narysować tak, że dolny zamiast do masy to powinien być podłączony do ujemnego bieguna zasilania -VCC

[deshipu]

Ale przecież ujemny biegun zasilania i masa już są połączone, inaczej jak mógłby płynąć prąd zasilający twój mikrokontroler?

[slawek7]

To może zapytam od innej strony.

Zwróć uwagę, że przy sterowaniu z użyciem push-pull (dwóch tranzystorów) silnik jest zwierany tj. jest ustawione wypełnienie np 70%, to przez 70% okresu silnik jest zasilany pełnym napieciem a pozostałe 30% jest zwarty. Czy to nie jest jakiś problem? Zrobiłem sobie prosty test i zasiliłem silnik dwoma sposobami. Da sie odczuć różnice. Słychać go trochę inaczej, w metodzie dwu-tranzystorowej dźwięk silnika jest twardszy.

[andrews]

Tranzystory , których użyłeś, mają wbudowane diody, i to najprawdopodobniej przez diodę dolnego tranzystora płynie prąd, a nie przez sam tranzystor (ze względu na polaryzację prądu). Spróbuj użyć samej diody (o odpowiednim prądzie przewodzenia oczywiście) a efekt zapewne będzie bardzo podobny.

Ogólnie sposób sterowania jednym tranzystorem, bez tej diody podłączonej równolegle do silnika, jest mało bezpieczny ze względu na indukowanie się sporych impulsów napięcia po wyłączeniu prądu płynącego przez silnik. Energia zgromadzona w rdzeniu elementu indukcyjnego, po odłączeniu prądu płynącego przez taki element powinna być zwierana (np. przez diodę) lub odprowadzana w inny sposób (np. do zasilania).

Edytowano Czerwiec 25, 2019 przez andrews

[slawek7]

Jak już wspominasz o indukcyjności uzwojeń.

próbuje dojść jak zamyka się prąd od samoindukcji po wyłączeniu tranzystorów  w takim mostku, bo wg mnie w każdej z polaryzacji będzie co najmniej jedna dioda spolaryzowana zaporowo i nie ma jak gasić przepięć.

[marek1707]

slawek7, chyba rozumiem o co pytasz i spróbuję się do tego odnieść, ale najpierw wyjaśnijmy sobie kilka rzeczy.

Tak jak napisał andrews silnik DC jest elementem indukcyjnym, choć oczywiście bardzo stratnymwięc ni emożna go traktować w układzie jak zwykłą cewkę. W dobrym dławiku, dalekim od nasycenia rdzenia każdy wpompowany w niego prąd płynie dalej i coś trzeba z nim zrobić gdy przerwyamy przepływ. Inaczej powstające napięcie samoindukcji rowali nam kranzystory czy coi tam mamy żeby sterować. W silniku nie jest to aż tak drastyczne, bo jednak większość władowanej w niego energii idzie na wygenerowanie momentu i "wypływa" s silnika poprzez wał, ale mimo wszystko silnik trzeba traktować (po stronie elektroniki) z szacunkiem. Dlatego też Twoje dwa naiwne układy - a w szczególności ten jednotranzystorowy - muszą być uzupełnione właśnie o diodę zamykającą przepływ prądu gdy klucz jest wyłączony. Z kolei w półmostku (halfbridge) - bo tak nazywamy tego typu sterowanie rolę elementu zamykającego przepływ gdy żaden tranzystor nie jest włączony (a skoro sam piszesz o czasach martwych to masz świadomość, że taki stan zajdzie) przejmuje dioda górnego tranzystora. O ile oczywiście oba są MOSFETami, gdzie diody są werećz wrysowane w symbole. To nie jest wizja artysty, te diody są tam naprawdę i musisz ich obecność w układzie uwzględniać.

A teraz o sterowaniu. Dałeś trzy przykłady: sterowanie unipolarne z jednym tranzystorem (i obowiązkową diodą równolegle do silnika), unipolarne z dwoma tranzystorami (górny zasilany z plusa, dolny stojący na masie ) i bipolarne (dwa klucze: jeden do plusa drugi do minusa względem masy). Każdy z tych układów jest inny i trochę inaczej pracuje.

Pierwszy jest podstawowym sterowaniem, gdzie wpychasz prąd do silnika w fazie aktywnej, ale w fazie pasywnej tylko biernie przyglądasz się temu co robi silnik. Jeżeli jest bardzo obciążony, prądu w tej drugiej fazie popłynie niewiele. Silnik jest wtedy modelowany przez szeregowy układ LR gdzie R jest stosunkowo duże więc "tłumi" podtrzymywanie przepływu prądu. W sensie fizycznym został on już "zużyty" na energięmechaniczną w fazie aktywnej więc skąd miałby się teraz wziąć? Pamiętaj też o tym, że silnik DC obracając się produkuje swoją własną EMF o zwrocie przeciwnym do przyłożonego napiecia. To oznacza, że im szybciej kręci się wirnik tym większa EMF powstaje i tym bardziej "sprzeciwia" się przepływowi prądu. Oczywiście EMF nigdy nie będzie tak duża jak przyłożone zasilanie, bo prąd przestałby płynąć i obroty by spadły. W stanie ustalonym, prądu płynie dokładnie tyle, ile trzeba by zrównoważyć zapotrzebowanie na moment. Im bardziej obciążysz taki silnik, tym bardziej obroty spadną, zmaleje EMF, wzrośnie prąd i równowaga elektryczno-mechaniczna zostanie przywrócona dla innych (niższych) obrotów. Układ jednotranzystorowy ma tę wadę, że nie umie szybko reagować na dynamiczne zmiany PWM. Rozpędza silnik ładnie, ale gdy przychodzi do hamowania może tylko bezradnie czekać aż jak opory mechaniczne zrobią swoje.

Układ dwutranzystorowy jest często spotykany w driverach, bo z punktu widzenia elektroniki ma większą sprawność. Jego podobieństwo do układu z jednym kluczem widać, gdy podłączysz silnik drugim końcem do plusa zasilania a nie do masy jak narysowałeś. Całość działa wtedy tak samo (z dokładnością do fazy PWM) a widać, że dioda z poprzedniego układu stała się teraz MOSFETem na którym nie spada 1V, a sporo mniej. 

No i pozostaje trzeci układ, którego wprost w tej postaci nigdy nie widziałem. Jest to oczywiście stosowane w elektronice rozwiązanie, ale z pewnych względów raczej w sterowaniu analogowym (wzmacniace mocy, wzmacniacze operacyjne). W technice silnikowej używamy zamaist dwóch zasilań - pełnego mostka. Cztery tranzystory umożlwiają to samo, czyli steroiwanie bipolarne, ale nie wymagają bipolarnego zasilania. Tam możesz zrealizować swój pomysł bardzo twardego sterowania sygnałem plus/minus, ale będzie się to wiązało z ogromnymi kosztami - tak zasilania (np. duży pobór mocy w stanie zatrzymania, bo wciąż pompujesz PWM 50% w stojący silnik) jak i elementów (musz być sporo przewymiarowane bo zmuszasz klucze do pracy w ekstremalnie trudnych warunkach - pamiętaj, że masz indukcyjność w obwodzie). Układ taki umożlwiwia jednak najszybszą reakcję na zmiany sterowania. Hamowanie możesz tu zrobić przez wolny wybieg silnika, przez jego zwieranie dwoma tranzystorami no i przez zapodanie przeciwnapięcia. To standard i każdy mostek scalony takie funkcje ma, zajrzyj np. tutaj:

https://botland.com.pl/pl/sterowniki-silnikow-moduly/32-pololu-tb6612fng-dwukanalowy-sterownik-silnikow-135v1a.html

a już koniecznie obejrzyj pdf tamże, pod "Przydatne Linki -> Dokumentacja". Tam producent opisuje jak zrobił tę kostkę w środku i tam znajdziesz schemat typowego mostka MOSFET i sposoby jego sterowania. Mając taki moduł możesz zrealizować na nim każdy z trzech powyższych układów i poeksperymentować z zachowaniami silnika i osiąganymi parametrami.

EDIT: Co do ostaniego rysunku: Myślisz w sposób ograniczony tym schematem. Prąd będzie płynął tam gdzie może, przez diody spolaryzowane na przewodzenie - myśl jak indukcyjność i generuj dowolnie duże napięcie wymagane akurat do przepływu prądu. Pamiętaj, że oczko może też zamykać się przez zasilanie, nie tylko przez 4 tranzystory i ich diody.

Edytowano Czerwiec 25, 2019 przez marek1707

[andrews]

41 minut temu, slawek7 napisał:

bo wg mnie w każdej z polaryzacji będzie co najmniej jedna dioda spolaryzowana zaporowo i nie ma jak gasić przepięć.

Chyba źle to analizujesz. Dorysuj sobie może do powyższego schematu kondensator, który jest zwykle w zasilaczu i spróbuj ponownie to przeanalizować. Może wtedy zauważysz, w jaki sposób energia samoindukcji będzie zwracana do zasilania (prąd zamyka się poprzez ten właśnie kondensator, doładowując go).

Weź też pod uwagę, które pary tranzystorów biorą udział w kluczowaniu PWM (T3 i T6 dla jednego kierunku obrotów oraz T5 i T4 dla drugiego) i że nie musisz wyłączać obydwu tranzystorów, aby przerwać przepływ prądu w silniku. Jeśli jeden z nich pozostanie włączony, to obwód rozładowania energii rdzenia znacznie się skróci (nie do zasilania, tylko przez tranzystor i diodę).

Edytowano Czerwiec 25, 2019 przez andrews

[slawek7]

andrews nie wiem o czym myślałem pisząc to, bo to przecież oczywiste jak się prąd zamknie przez diody.

marek1707 całe pytanie powstało dlatego że natknąłem się na opisy sterowania silnikiem BLDC, które w inny sposób realizowane jest niż dotychczas. Duża większość opracowań bazuje na takim sterowaniu mostkiem  że jednen z tranzystorów jest w danym cyklu cały czas włączona (H lub L) natomiast drugi sterowany jest przebiegiem PWM jak na rys 1.

Ten inny sposób polega na sterowaniu tą gałęzią mostka gdzie jest sygnał PWM w sposób Push-pull, jak na rys 2. Trochę eksperymentów i widzę ze taki sposób mają niektóre gotowe układy regulacji prędkości silnika. Zacząłem się zastanawiać dlaczego. wg mnie takie sterowanie sprawia że silnik jest zasilany i za chwile zwierany. ->rys2

 

szukając dalej natknąłem się na generowanie przy PWM sygnałów np sinusa, co może być przydatne w przetwornicy. I tu też jest metoda bipolarna i unipolarna jak na rys 3.Wątpliwości budzi to czy takie naprzemienne dołączanie odbiornika raz do źródła raz do masy lub bieguna ujemnego nie ma negatywnego wpływu na odbiornik. rozumiem ż e chodzi o średnią i przebieg uśredniony ale są sytuacje awaryjne, filtrów nie liczymy tj. filtra jaki tworzy odbiornik

 

 

Edytowano Czerwiec 25, 2019 przez slawek7