Prawidłowe użytkowanie szczotkowego silnika DC

[TomekTarczynski]

Zakupiłem silnik Redox 600 6V i mam kilka pytań o prawidłowe użytkowanie go:

1. Zgodnie z dokumentacją silnik pobiera prąd od 0.35A do 8.8A. Jaki powinien być przekrój przewodów użytych do podłączenie go? W internecie jest sporo tabelek pokazujących przekrój w zależności od prądu oraz długość kabla, natomiast to co nie jest dla mnie oczywiste to to czy zależy to także od napięcia. Silnik zamierzam zasilać LiPo 2S.
2. Silnik powinien działać w pewnych cyklach: 1sek. maks obroty, 2sek. obojętne, 1sek. maks. obroty, 2sek. obojętne, ...  Widzę kilka różnych 'strategii' zasilania, które spełniają te wymogi. Pytanie, która jest optymalna biorąc pod uwagę żywotność (nie wiem czy częste włączanie/wyłączanie skraca żywotność) oraz pobór prądu:
   1. 2sek. włączony (pierwsza sekunda na to żeby osiągnął maksymalne obroty, a druga to jest ta kiedy są potrzebne te obroty), 1sek. wyłączony, powtarzamy cykl
   2. Cały czas włączony
   3. W okresie kiedy jest obojętne co się dzieje z silnikiem spowalnianie go przy użyciu PWM (szybciej powinien wtedy osiągać pełne obroty)
3. W jaki sposób najprościej zabezpieczyć zasilanie LiPo 2S tak żeby nie rozładowało się za bardzo? W projekcie będę wykorzystywał arduino, a więc może wystarczy zrobić dzielnik napięcia podłączony bezpośrednio do LiPo (tak żeby napięcie było poniżej 5V) i następnie odczytywać przy pomocy analogRead i jeżeli wartość jest zbyt niska to odłączyć zasilanie silnika.

[marek1707]

Przede wszystkim zacznij od wykresów związanych z silnikiem DC. Nie możesz wchodzić w temat jak dziecko we mglę. Pierwsze co rzuca się w oczy to jego (silnika, nie dzicka) praktycznie liniowa zależność oddawanego momentu od prądu i (odwrotnie proporcjonalna) prądu od obrotów. Wbij sobie ten wykres od głowy. To samo z przebiegiem sprawności i mocy.

Przewody grzeją się od wartości rms prądu a ten zależy od obciążenia silnika. Przy starcie "z kopyta" zawsze będzie pobierał prąd maksymalny a potem w zależności od tego jak bardzo dasz mu się rozkręcić. W skrajnym przypadku, gdy wał będzie zablokowany prąd zostanie na tych 8.8A (liczonych dla napięcia znamionowego 6V, przy wyższym będzie liniowo więcej). W drugiej skrajności - bez obciążenia - prąd szybko spadnie do prądu biegu luzem, czyli 0.35A. Twoje niezerowe obciążenie mechaniczne spozycjonuje prąd stanu ustalonego gdzieś pomiędzy. Pytanie jeszcze o dynamikę tego systemu. Czy silnik w ogóle zdąży rozkręcić to coś w 1 sekundę  i jak dużo będziesz potrzebował momentu w stanie ustalonym. Czy zapotrzebowanie na moment jest stałe, czy rozpędzasz jakąś masę wirującą czy np. śmigło? Tyle pytań pojawia się wówczas, gdy ktoś pisze tak ogólnie jak Ty. Gdybyś zwyczajnie napisał co to będzie, łatwiej sobie resztę dośpiewać. O ile nie będziesz jakoś żyłował tego silnika, to myślę, że przewody rzędu 2mm² przekroju - czyli niezbyt mocarne - powinny wystarczyć. Wiele też zależy od tego na czym Ci zależy. Jeśli robisz np. latacza, to każdy gram się liczy i wtedy na przewodach można próbować oszczędzać tym bardziej, że na takich platformach chłodzenie jest dobre a np. izolacja silikonowa wytrzymuje znacznie więcej niż zwykły PE. Z drugiej strony, jeśli masa czy wygląd zupełnie nie mają znaczenia, to grubsze kable dają mniejsze straty (jak daleko jest silnik od zasilania?), więc za 3mm² silnik na pewno się nie obrazi. 

Zywotność silnika szczotkowego wiąże się prawie wyłącznie z trwałością komutatora a ten ma dwa rodzaje zużycia: czysto mechaniczne ścieranie (czyli liczba zrobionych obrotów albo inaczej przejechana droga szczotek po obwodzie bębna komutatora) i elektryczne - komutator przełącza prądy uzwojeń, iskrzy i wypala szczotki i blaszki na bębnie. W końcu szczotki się kończą albo bęben jest wypalony - spada moc, rosną straty na ciepło i generowane zakłócenia. Oprócz tego zużywają się łożyska od obciążeń promieniowych i poosiowych. Skoro nie wiemy jak i do czego chcesz tego silnika użyć, sam musisz to ocenić. Śmigło ciągnie poosiowo,, ale już przekładnia zębata czy pasowa wyłącznie promieniowo. Ślimakowa - i tak i tak.

Masz dwa podstawowe rozwiązania ochrony akumulatora: aktywne czyli pomiar napięcia np. przez procesor, i pasywne czyli wbudowanie BMS odcinającego akumulator przy rozładowaniu poniżej progu bezpieczeństwa (np. 2.5V na ogniwo). O jakimakumulatorze myślisz? Modelarskim LiPo czy (samodzielnie?) zbudowanym z ogniw LiIon? BMSów jest mnóstwo. Wystarczy dobrać odpowiedni do 2S i oczekiwanych prądów, polutować kableki i tyle. Z drugiej streny informacja o napięciu może być bardzo cenna gdy urządzenie pracuje bez nadzoru albo "karmisz" je z jakichś źródeł odnawialnych. Ale znów: nic nie wiemy więc nic sensownego nie poradzimy.

Pamiętaj, że start silnika i większy prąd to znaczny, impulsowy spadek napięcia akumulatora. W zależności od jego pojemności i jakości, "przysiad" ten będzie większy lub mniejszy, ale będzie. Pomiar napięcia średniego może tego nie zauważać, a procesor będzie dostawał reset w chwili startu i wszystko się posypie. Także typ/model/pojemność akumulatora też są ważne.

Nie zapomnij o elementach przeciwzakłóceniowych na samym ilniku: co najmniej kondensatorach a może i dławikach? Przy regulatorze PWM obowiązkowa dioda.

[TomekTarczynski]

@marek1707  Dziękuje za bardzo wyczerpującą odpowiedź. W tym konkretnym projekcie chciałbym wykonać "robota", który będzie wyrzucał piłeczki do ping ponga (coś podobnego do: https://medium.com/@hlung/how-to-make-a-ping-pong-shooter-robot-dafb46ec255e )

3 godziny temu, marek1707 napisał:

Przede wszystkim zacznij od wykresów związanych z silnikiem DC. Nie możesz wchodzić w temat jak dziecko we mglę. Pierwsze co rzuca się w oczy to jego (silnika, nie dzicka) praktycznie liniowa zależność oddawanego momentu od prądu i (odwrotnie proporcjonalna) prądu od obrotów. Wbij sobie ten wykres od głowy. To samo z przebiegiem sprawności i mocy.

Dla wszystkich, którzy także natrafią na ten wątek załączam wykresy, o których wspomniał Marek.

 

3 godziny temu, marek1707 napisał:

Przewody grzeją się od wartości rms prądu a ten zależy od obciążenia silnika.

Czyli jeżeli dobrze rozumiem to natężenie prądu jest kluczowe, natomiast napięcie nie jest ważne.

3 godziny temu, marek1707 napisał:

Z drugiej strony, jeśli masa czy wygląd zupełnie nie mają znaczenia, to grubsze kable dają mniejsze straty (jak daleko jest silnik od zasilania?), więc za 3mm² silnik na pewno się nie obrazi.

Masa się zupełnie nie liczy, bo urządzenie będzie stacjonarne, a więc zdecyduje się na przekrój 3mm^2 , silnik będzie blisko zasilania (poniżej 30cm).

3 godziny temu, marek1707 napisał:

Zywotność silnika szczotkowego wiąże się prawie wyłącznie z trwałością komutatora a ten ma dwa rodzaje zużycia: czysto mechaniczne ścieranie (czyli liczba zrobionych obrotów albo inaczej przejechana droga szczotek po obwodzie bębna komutatora) i elektryczne - komutator przełącza prądy uzwojeń, iskrzy i wypala szczotki i blaszki na bębnie. W końcu szczotki się kończą albo bęben jest wypalony - spada moc, rosną straty na ciepło i generowane zakłócenia. Oprócz tego zużywają się łożyska od obciążeń promieniowych i poosiowych. Skoro nie wiemy jak i do czego chcesz tego silnika użyć, sam musisz to ocenić. Śmigło ciągnie poosiowo,, ale już przekładnia zębata czy pasowa wyłącznie promieniowo. Ślimakowa - i tak i tak.

Skoro zużycie jest proporcjonalne do liczby obrotów, a nie do liczby włączeń/wyłączeń to będę starał się minimalizować łączną liczbę obrotów.

3 godziny temu, marek1707 napisał:

Masz dwa podstawowe rozwiązania ochrony akumulatora: aktywne czyli pomiar napięcia np. przez procesor, i pasywne czyli wbudowanie BMS odcinającego akumulator przy rozładowaniu poniżej progu bezpieczeństwa (np. 2.5V na ogniwo). O jakimakumulatorze myślisz? Modelarskim LiPo czy (samodzielnie?) zbudowanym z ogniw LiIon? BMSów jest mnóstwo. Wystarczy dobrać odpowiedni do 2S i oczekiwanych prądów, polutować kableki i tyle. Z drugiej streny informacja o napięciu może być bardzo cenna gdy urządzenie pracuje bez nadzoru albo "karmisz" je z jakichś źródeł odnawialnych. Ale znów: nic nie wiemy więc nic sensownego nie poradzimy.

Zakupiłem już LiPo firmy Redox. Jak szukałem BMS w internecie to znajduje przeważnie do akumulatorów Li-ion. Czy dobrze myślę, że skoro napięcie tych akumulatorów jest takie samo jak Li-po to można je bez problemu zastosować do Li-po?

[marek1707]

To nie jest dobry rysunek. Twój silnik jest z magnesami trwałymi (jak rozumiem typową 600-kę) a nie szeregowy DC. Znajdź coś w rodzaju "DC motor torque curve".

40 minut temu, TomekTarczynski napisał:

Skoro zużycie jest proporcjonalne do liczby obrotów, a nie do liczby włączeń/wyłączeń

Starałem się przekazać coś innego. Zużycie zależy od czasu pracy i od obciążenia elektrycznego komutatora a to ostatnie zależy od prądu. Ten z kolei zależy od obciążenia silnika a podczas startu jest największy. Także - to nie jest prosta zależność. Liczy się zarówno liczba startów, sposób rozpędzania jak i obciążenie długoczasowe.

40 minut temu, TomekTarczynski napisał:

to można je bez problemu zastosować do Li-po?

Można, jeśli rzeczywiście jego paramtery będą sensownie zabezpieczać ogniwa. Pamiętaj, że BMS to raczej ostatnia deska ratunku niż inteligentne zarządzanie, jakie możesz wbudować w procesor. Zwykle producenci podają do jakiego napięcia bezpiecznie jest rozładowywać ich akumulatory bez dużej utraty trwałości/pojemności. BMSy zwykle odcinają sporo niżej, np. jedni podają 3V a płyteczka wyłącza przy <2.5V. No i odcięcie jest permanentne: system traci nagle zasilanie i stop. BMS załączy ponownie swój akumulator dopiero po podpięciu go do ładowarki.

Edytowano Styczeń 1, 2021 przez marek1707

[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