Charakterystyka silników Pololu HP

[grabo]

Debata na temat odpowiedniej częstotliwości PWM dla mikrosilników Pololu trwa od dawna. Postanowiłem nadać sprawie nowe światło i zamienić gdybanie w konkretny obraz tego co się dzieje z silnikiem. Jako stopnień mocy wybrałem mostek TB6612. Jest on równie popularny co badane silniki, a taki zestaw napędowy występuje w wielu konstrukcjach. W moim przypadku silnik był w wersji HP, a przekładnia miała przełożenie 50:1, lecz wydaje mi się, że inne wersje HP mają dokładnie ten sam silnik, więc wykresy otrzymane dla innych wartości przełożenia byłyby identyczne.

Do pomiarów użyłem interfejsu National Instruments myDAQ. Całość zasilana była ze stabilizowanego zasilacza o napięciu 5V. Miliamperomierz wpięty był szeregowo w zasilanie całego układu, więc wyniki pomiarów zawierają nie tylko prąd pobierany przez same silniki ale też przez mostek (około 2,5mA). Pomiary zostały wykonane w zakresie 1 - 20 kHz z krokiem 1 kHz. Niestety nie miałem możliwości pomiaru momentu obrotowego.

1. PWM z wypełnieniem 50% (50 ON / 50 OFF)

2. PWM z wypełnieniem 20% (20 ON / 80 OFF)

3. PWM z wypełnieniem 80% (80 ON / 20 OFF)

Wnioski: w przypadku wypełnienia 50% oraz 80% charakterystyka w zakresie 7 - 20 kHz jest niemalże liniowa. W trakcie pomiarów z wypełnieniem 20% przy częstotliwości 19 kHz silnik nie obracał się już, więc można przyjąć, że jest to raczej górna granica częstotliwości z jaką może pracować ten silnik (a raczej zestaw silnik + mostek). Wraz ze wzrostem częstotliwości coraz większą rolę odrywa czas przełączania tranzystorów (tzw. Dead time), stąd spadek średniej wartości poboru prądu.

Mam nadzieję, że mój mały eksperyment okaże się przydatny a uzyskane wyniki dadzą jakiś obraz tego, z jakiego zakresu należy dobierać PWM 🙂

[Hudyvolt]

a czy to przy jakiej częstotliwości PWM'a będzie silnik prawidłowo reagował na zmiany wypełnienia nie zależy tylko i wyłącznie od mostka i właśnie wspomnianego czasu przełączania tranzystorów?

[Xweldog]

Hey

Dobrzez że to poruszyłeś lecz w kwestii "gdybania" nie wiem kogo masz na myśli. Tu nie ma żadnego gdybania tylko elementarna wiedza że P=U*I i opóźnianiu się prądu w indukcyjności. Że im większa f tym większe opóźnienie tj. "rozjechanie się" U i I, mniejszy obszar gdzie te wielkości się pokrywają - a tylko w tym obszarze wydziela się moc czyna / praca.

[grabo]

Xweldog, temat kieruję bezosobowo, do wszystkich którzy mieli wątpliwości z doborem. Wyniki potwierdzają wszystko co pisałeś od początku debaty, więc nie rozumiem dlaczego czujesz się urażony?

[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

[OldSkull]

Wydzielanie się mocy czynnej =\= praca, ale to nie miejsce na taką dyskusję. Przydałyby się jeszcze charakterystki dla innych mostków, a nawet dla samego pojedynczego tranzystora (aby mieć porównanie z mostkiem na tranzystorach - w końcu nie każdy robi minisumo/LF gdzie czas zmiany kierunku jest taki istotny).

Na tych wykresach widać, że dopiero powyżej 4kHz możemy mówić o jako-takim sterowaniu, bo poniżej nawet dochodzi do sytuacji, w której prąd dla 80% jest niższy niż dla 50%.

Przydałby się wykres ze wszystkimi wykresami na jednym wykresie.

[Sabre]

To ja jeszcze poproszę wykres wypełnienia przy którym silnik zaczyna się obracać, względem częstotliwości. Zrobienie takiej charakterystyki zajmie więcej czasu, ale wydaje mi się, że będzie ona więcej warta niż wszystkie powyższe.

Wydaje mi się, że trzeba by płynnie przy każdej f zwiększać wypełnienie od 0 i w momencie gdy silnik zacznie się kręcić to zatrzymać pomiar i sczytać wypełnienie. Jeśli zdejmowałbyś ch-kę na swoim mm to zrobienie jej nie powinno przysporzyć kłopotu ze względu na enkodery, które twój mm posiada 🙂.

[Xweldog]

Nie czuję się urażony, przecież zacząłem od aprobaty dla tego tematu. Nigdy nie opowiadałem na ten temat żadnych herezji. "Od zawsze" - a tym bardziej od czasu gdy przed laty wziąłem do ręki silniczek, napędziłem przez MOS-a prostokątem 50% ze zmienianą f i przyhamowując ręką ośkę organoleptycznie stwierdziłem że staje się coraz słabszy aż staje - twierdzę to samo. Że im mniejsze f tym "lepsze PWM".

Oldskul, niby dlaczego to nie ma być miejsce na stosowną dyskusję ? Niby co chcesz regulować dopiero powyżej 4kHz ? Nie chciałem sam interpretować wykresów ale tu "widać matematykę": np. że ze wzrostem f rośnie opór XL i dlatego maleje prąd.

Z tym co proponuje Sabre byłoby trochę zabawy, trzeba zmieniać 2 parametry. Prościej ustawić duty z 20% i dla niego poszukać f przy której silnik zacznie się obracać. Ale bez experymentów, na prostą logikę można się domyśleć że im mniejsza tym dany silniczek będzie mocniejszy.

[mog123]

A mi się marzy dokumentacja tych silników 😉 spoko robota!

[Xweldog]

Z dokumentacją przeważnie kiepsko. Można po prostu zmierzyć indukcyjność posiadanego silniczka. Im mniejsza tym większa może być użyta f do PWM - tylko po co ? Skoro matematyka i wykresy mówią jasno: dla każdego silnika im mniejsza f tym lepiej dla małego duty.

Grabo, a tak ogólnie, to przyjąłeś zły zakres badanych częstotliwości sugerujący że jakieś optimum znajduje się powyżej 1kHz. Przebadaj od 100 czy 10Hz ( od takiej minimalnej przy której silniczek szarpie czyli widać, że nie nadaje się do płynnej pracy ) do 1kHz. Bo optimum jest tam a nie np. "powyżej 4kHz".

[MirekCz]

Xweldog: Ja się nadal zastanawiam optimum czego Ty szukasz?

Najniższego wypełnienia przy którym startuje silnik? Jest to parametr zupełnie bez znaczenia, bo bardziej zależy od mechaniki silnika (trzeba pokonać początkowe tarcie statyczne) niż czegokolwiek innego.

Z wykresu wyraźnie wynika, że dla jego urządzenia i metody pomiarowej niskie wartości wypełnienia są beznadziejne, bo przestaje się sterować prądem silnika - a to jest głównym celem PWM.

[KD93]

Xweldog, to może tez porób jakieś pomiary i wykresy, nie będzie wtedy sytuacji że ktoś nie wie o co Ci chodzi. Dla mnie grabo odwalił kawałek dobrej roboty, bo rozważań pisanych było dużo już na ten temat, a chciało mu się pomierzyć to i zrobić wykresy, które moim zdaniem są czytelniejsze i łatwiejsze do interpretacji. Poza tym pomiar nie kłamie. Jeśli uważasz, że mierzył w złym zakresie częstotliwości, to pomierz w takim który jest wg Ciebie dobry.

[grabo]

Rzeczywiście wypadałoby określić na jakim parametrze nam zależy. Nie chodzi o jak największy moment przy małym współczynniku wypełnienia, ale o liniową charakterystykę momentu i prędkości obrotowej w funkcji współczynnika wypełnienia! W tym celu konieczne jest wykonanie kolejnych badań.

Chyba zaczynam rozumieć do czego zmierza Xweldog, potwierdzam, przydałoby się wykonać kilka dodatkowych testów. Nie mniej wybór początkowej częstotliwości nie był przypadkowy - w swojej konstrukcji mam zamkniętą pętle sprzężenia zwrotnego z regulatorem PD, gdzie wartość współczynnika wypełnienia aktualizowana jest co około 1,6ms (625Hz), więc sama częstotliwość PWM musi być wyższa by regulacja miała sens.

Myślę że warto rozwijać ten temat, w miarę możliwości postaram się przeprowadzić kolejne doświadczenia i zamieścić ich wyniki.

[Xweldog]

KD93, jak ktoś ma kawa na ławę, wykres tuż przed oczami a nadal nic z niego nie rozumie - nic na to nie poradzę. Nie potrzebuję robić żadnych pomiarów bo wyniki znam, dawno temu podałem je w bazowym art. o mostkach H.

Z wykresu widać, że od 1kHz szybko maleje prąd, w konsekwencji moc silniczka aż do jego zatrzymania. Przy tym samym duty ten konkretny od 19kHz słabnie tak bardzo że nie jest w stanie pokonać nawet własnych oporów i staje. Że tak zachowuje się każdy silniczek DC napisałem we wspomnianym art.

A jak sądzicie, co będzie w zakresie poniżej 1kHz ? Z wykresu widać że zmniejszenie f zaledwie o połowę, do 0,5kHz, da aż dwukrotny wzrost prądu a zatem o tyle samo moc silnika.

By przewidzieć co będzie dalej, przy jeszcze niższych f nie potrzeba pomiarów, wystarczy interpolacja. Jedyny ciekawy moment to jaka jest minimalna częstotliwość przy której dany silniczek jeszcze pracuje płynnie.

Garbo, wątpię czy w miarę liniowa regulacja będzie powyżej 1kHz, tam przede wszystkim będzie ubywać mocy czynnej a przybywać biernej. Ale - może ? To trzeba przebadać. Imo liniowej można się spodziewać poniżej 1kHz. Ponadto, w w/w art. wspomniałem o wymyślonej przeze mnie regulacji quasi-PWM. Nie wiem czy jest liniowa, może warto ją przebadać ?

[mog123]

Z dokumentacją przeważnie kiepsko. Można po prostu zmierzyć indukcyjność posiadanego silniczka. Im mniejsza tym większa może być użyta f do PWM - tylko po co ? Skoro matematyka i wykresy mówią jasno: dla każdego silnika im mniejsza f tym lepiej dla małego duty.

Grabo, a tak ogólnie, to przyjąłeś zły zakres badanych częstotliwości sugerujący że jakieś optimum znajduje się powyżej 1kHz. Przebadaj od 100 czy 10Hz ( od takiej minimalnej przy której silniczek szarpie czyli widać, że nie nadaje się do płynnej pracy ) do 1kHz. Bo optimum jest tam a nie np. "powyżej 4kHz".

sama indukcyjność do sterowania w przestrzeni stanu to za mało 🙂 model porzadny trzeba by bylo zbudowac

[Xweldog]

Nie napisałem, że wystarczy indukcyjność. Nie mniej taki pomiar jest prosty i daje pojęcie w jakim obszarze się poruszamy.

Chciałem wrócić do interpreatcji wykresu. Owszem, od iluś tam kHz można przyjąć że to jest opadająca linia ( niemalże pozioma ) - ale co z tego ? Jakie tam są prądy ? To jest obszar praktycznie bezużyteczny bo silniczek ma zaledwie z 20-30% mocy znamionowej.

Natomiast bardziej interesująca będzie analiza pominiętego tu początkowego odcinka. Grabo interesowało 625Hz. Zaczęcie pomiarów od 500Hz objęłoby tą wartość.

Skoro przy 1kHz silniczek pobierał ok. 150mA to interpolacja do 500Hz pokazuje, że tam będzie ok. 300mA. I ten odcinek też będzie "prawie liniowy" z tym, że będzie opadał b.stromo ( niemalże pionowo ). Ale znaduje się on w obszarze prądów kilkukrotnie większych niż w odcinku "poziomym". Tu silniczek będzie pobierał pądy znacznie mniej odbiegające od znamionowego niż w tym drugim. I tu będzie użyteczny fizycznie.