PWM, czyli jak to jest z ta czestotliwoscia?

[Sabre]

Nie chciałbym stawać po czyjejkolwiek stronie, ale już wcześniej pisałem, że robiłem testy na silniku pololu 30:1 HP i po zmniejszeniu częstotliwości PWMa wzrósł sporo moment, przy wyższych częstotliwościach silnik ruszał dopiero przy PWMie powyżej 35 z 255, przy niższej częstotliwości silnik ruszał od 5 z 255.

[GAndaLF]

Sabre ja też robiłem takie testy, co prawda na HL149 i wnioski były podobne. Jednak w tym temacie i w temacie Elvisa masz wytłumaczenie dlaczego tak jest. Po pierwsze wyższa częstotliwość wymaga lepszego układu sterującego, a po drugie te wykresy dla małej częstotliwości szybciej rosną przy małych wypełnieniach. Tak więc teoria Xweldoga co do "testu ręki" została potwierdzona. Jednak z przeprowadzonego doświadczenia i wniosków osób wypowiadających się w temacie wynika, że najniższy PWM przy którym silnik startuje wcale nie oznacza, że dla wyższych wypełnień też będzie lepiej działać.

[Sabre]

GAndaLF, ok, no to już mogę dodać, że przy tym samym wypełnieniu miałem rzeczywistą wyższą prędkość przy niższej f więc moment musiał być wyższy. Sęk w tym, że nie pamiętam jakie to były częstotliwości, ale na pewno pierwsza szła w dziesiątki kHz, druga poniżej 10kHz. Więc zgodnie z pomiarami jakie wykonał marek1707, nie powinienem odczuwać różnicy, a ona była niemała. Jest tylko jedno wytłumaczenie, że mój mostek mógł nie wyrabiać przy tej wyższej f, ale wtedy albo by się spalił, albo musiałby być ciągle co najmniej bardzo ciepły.

Nawet gdybym strzelił już całkowitą gafę (tak jak przypuszczam) i wyższa f była w okolicy 120kHz to zastosowany przeze mnie mostek powinien poradzić sobie bez problemu z tak wysoką częstotliwością, mostek to SI9986, wycinek z ds'a:

• 1.0 A H-Bridge

• 200 kHz Switching Rate

• Shoot-Through Limited

• TTL Compatible Inputs

• 3.8 to 13.2 V Operating Range

• Surface Mount Packaging

[GAndaLF]

No faktycznie u mnie jest tak samo, z tym, że częstotliwość jaką uznałem za optymalną to około 150Hz, natomiast przy kilku kHz już był wyraźnie słabszy i startował przy wypełnieniu 50 i więcej procent. Mój mostek to zwykły L293 który ze względu na słabe parametry pewnie miał też swój wpływ na wyniki. Według datasheeta opóźnienie przy przełączaniu wynosi ponad 1us.

[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

[Xweldog]

Taki mały problemik, w mej skrzynce przestały się pojawiać powiadomienia o następnych odpowiedziach. Poczytam uważnie, sam jeszcze raz zrobię próby in live i się odezwę.

__________

Komentarz dodany przez: Treker

To przez wydzielenie tego tematu, musisz go subskrybować ponownie 🙂

[Bobby]

Sabre, mogło to być spowodowane inną charakterystyką silnika, silniczki pololu HP są zdecydowanie mniejsze od modelarskich 400 (czy na czym to tam robił testy Marek) - zapewne mają mniejszą indukcyjność, oraz mniejszą bezwładność, co też mogło mieć jakiś wpływ. Sam również przeprowadzałem takie testy, w nuggecie i wnioski były podobne, z tym, że mogło to być spowodowane wspomnianą w opracowaniu eksperymentu nieliniowością przy sterowaniu PWM przy niższych częstotliwościach.

[Xweldog]

Już wszystko OK, i z powiadomieniami i z tym co twierdzę o małych f do PWM. Zanim przebadam znajdujące się luzem w mych zasobach pozostałe 2 silniczki i zmieszczę tabelę z wynikami, ułatwię sprawę oponentom. Ale przypominam, nigdy nie badałem i nie wypowiadałem się nt. liniowości regulacji tylko warunkom jakie trzeba stworzyć silniczkowi szczotkowemu by mu max spowolnić obroty zachowując w nim max moment obrotowy.

Układ nie powinien budzić zastrzeżeń: Ge z duty 20%, MOS-N 40N03, f od 100Hz, z drenu do +Uz 1N5822, dla wszystkich chcę zastosować to samo Uz 7,4V.

Pomocniczy wykaz słabych punktów dla oponentów:

1) nie znam DS silniczków ale "pod ręką" mam tylko takie. Jeden ze starego autka RC, drugi chyba z jakieś drukarki, trzeci z zachodnioniemieckiej wiertarki accu. Wszystkie mają ośki 2,3mm.

2) korzystam z zasilacza pokazującego Uwy / Ipobierane z tym, że amperomierz nie ma TRMS. A przy duty 20% I jest b.odkształcone więc jeszcze nie wiem, czy w tabeli umieszczę odczyty I.

3) ośki hamuję palcami. Jest mi wiadomym że to metoda b.niedokładna ale mi na prawdę wystarcza sprawdzenie, czy po zmianie f jestem w stanie w ten sposób spowolnić / zatrzymać silnik.

Zacząłem od pomierzenia indukcyjności ( w Waszych opisach tego nie zauważyłem ) i, przy stałym U 7,2V, ile jaki pobiera prądu "na luzie" i obciążony praktycznie do zahamowania. Wyniki

ect. wstawię do tabeli którą tu umieszczę ( dziś chyba nie zdążę ).

Zdążyłem dziś, zrezygnowałem z powtarzania robionych dawno temu testów na silniku od accuwkrętarki gdyż mi wystarczy, że wyniki powtórzyły się na dwóch silniczkach o znacznie innych indukcyjnościach: 1,16 i ok. 8mH. Ponadto wiadomo, że accuwiertarkach fabrycznie stosuje się ok. 200Hz. Mniejsze wartości prądu dla danej f są dla silników nieobciążonych a większe dla przyhamowywanych prawie do zatrzymania.

Jak widać, przy stałym duty 20% silniki miały w miarę użyteczny moment tylko przy ok. 100Hz. Wykres przypomina utworzony przez Marka1707 z tym, że On zastosował za słabe hamowanie. Też widać, że przy wzroście f szybko spadał prąd "biegu luzem" ale na moim, że jeszcze szybciej ten dający silnikom moc. Quasi-logarytmiczna skala przyjęta dla f na pewno zostawia wiele do życzenia nie mniej pozwala ocenić kwestię. 1,16mH kręcił się nawet przy 80kHz z tym, że od kilku praktycznie cały pobierany prąd przeznaczał na pokonanie własnych oporów. Nie miał w sobie żadnej praktycznej mocy, stawał przy dotknięciu palcem. 8mH sam stanął jak wryty przy... 250Hz.

Mimo sporych różnic między silnikami, w obu wykresach jest podobieństwo: w przedziale m/w 200Hz / 2kHz charakterystyka ma dolinę, jest najniższa. Przy dalszym zwiększaniu f trochę zwiększa się prąd "biegu luzem". 8mH, od ok. 40kHz odzyskał siły na tyle, że niemrawo bo niemrawo, ale znów ruszył. Przypuszczam, że ten dołek jest związany z nakładaniem się długości czasu podawanych impulsów z czasem styku szczotek do komutatora.

Także, nie wiem skąd, upierając się przy wyższych f, chcecie z silniczków wyciągnąć jakąś moc, skoro "na swe potrzeby" ( pokonanie tarcia ) pobierają np. 12mA a całkiem stają przy zaledwie kilku mA więcej. Owszem, można przy założeniu, że z silnika kilku W-atowego ktoś chce uzyskiwać ułamki W-ata. Nie wykluczam, że trochę inaczej będą się zachowywać silniczki o jeszcze mniejszych L ale jakoś nikt z badaczy nigdzie nie podał tego prostego info.

Nikomu nie zabraniam stosowania do PWM kilo / dziesiątek czy setek kHz. Jak ktoś woli zamiast jednego R między µC a bramką MOS-a, rozbudowywać układ o niezbędne do wyższych f drivery, jego wybór. By zmniejszać obroty nie musi schodzić z duty do 20, m/w to samo da 50% ( o pomijaniu w programie zbędnego wtedy odcinka duty w którym obciążony silnik i tak stoi, napisałem w bazowym art. Mostki H ).

Na temat f sporo tu napisano, jak ktoś chce lub dał się przekonać, niech wybierze sobie jaką mu odpowiada. Wybaczcie, ale mi skoda i nie mam czasu na dalsze dyskusje na ten temat. Tym bardziej, że na horyzoncie widzę następny kaczan. Podobno "nie ma" mostków z i bez hamowania. Dziś, kilka godzin straciłem na udowadnianie, że nie jestem wielbłądem ale z topologią mostków nie będę tego powtarzał, już tu daję odpowiedź. Tak, poddaję się, takich mostków "nie ma"....

[Decado]

Panowie, w tej chwili się już zgubiłem i nie wiem co myśleć pierwsze doświadczenie utwierdziło mnie w tym co myślałem o tym od początku jednak teraz poprostu nie do konca rozumiem Xweldoga i w sumie to niewiem już kto ma rację. Nie nauczyli mnie w szkole niestety takiego czegoś dlatego prosiłbym dalej o konstruktywną dyskusję aby każdy z nas mógł się czegoś nauczyć 🙂

Pozdrawiam

Decado

[Xweldog]

Jak mnie nie rozumiesz, to patrz na wykresy i je zinterpretuj. Nie tylko moje, analogie znajdziesz w innych.

[mactro]

Hmm, no dobra, bezsprzecznie moment silnika przy małym wypełnieniu jest większy dla małych częstotliwości. Alee 😋 z wykresów Marka wynika, że prędkość obrotowa bez obciążenia też jest większa, a przecież celem regulacji PWM jest właśnie zmniejszenie prędkości. Ciekawe byłoby porównanie momentów osiąganych przez silnik dla tej samej prędkości bez obciążenia, nawet jeśli wypełnienie byłoby różne.

[marek1707]

Ech, w sumie nie wiem co napisać. Zrobiłem wczoraj generator PWM i dziś o wiele szybciej "przejechałem" jeszcze jeden, dużo mniejszy silnik (taki bardziej Pololowaty) ale nawet nie obejrzałem dla niego wykresów. Zachowuje się podobnie. Podobnie do silnika 400 i podobnie do silników Xweldoga. Wrzucę oczywiście wyniki, będą dla potomnych do porównania z większym bratem ale teraz chciałbym jeszcze napisać kilka słów komentarza.

Z pewnością wielu Kolegów czytało moje powyższe posty i oglądało wykresy. Wielu się to podobało (dzięki za piwa) i mam nadzieję, że pomoże im to w optymalizacji przyszłych konstrukcji. Nie dane jest mi widocznie wystarczająco jasno formułować myśli żeby każdy mógł wszystko zrozumieć. Spróbuję jeszcze raz, w kilku słowach.

Silnik jest tylko fragmentem systemu napędowego. Oczekujemy od niego, by zamieniał nam wpompowany do niego prąd w moment na wale i moc mechaniczną zamienianą przez dalsze elementy na potrzebną formę ruchu. Do sterowania silnikiem używamy mostków lub innych, prostszych układów ale to tylko "głupie" klocki. Pełnią rolę wzmacniaczy prądu i/lub napięcia i nie wnoszą niczego nowego. Pewnie, muszą być dobre, bo złe wprowadzają straty - grzeją się, a tego przecież nie lubimy. No i gdzieś tam na początku drogi sygnału jest procesor. Ma taki lub inny generator słynnego przebiegu PWM i przy pomocy tak przesyłanej informacji, w formie wypełnienia impulsów chcemy regulować obrotami silnika. Od czego te obroty zależą? Od dwóch rzeczy: od płynącego przez silnik prądu i od obciążenia mechanicznego. Gdzieś tam w magicznym punkcie obie te wielkości zbiegają się w stanie równowagi. Silnik chciałby kręcić się szybciej ale gdy tylko spróbuje, zwiększone obroty powodują wzrost wewnętrznie generowanej siły elektromotorycznej (Electro-Magnetic Force, EMF) o znaku przeciwnym do zasilania. No i prąd spada, silnik zwalnia. Przy jakichś obrotach mamy równowagę - silnik znajduje ją sam, bo mówiąc innymi słowy, po prostu rozkręcając się - słabnie. Jeżeli bardziej obciążymy wał bo np. wjeżdżamy pod górkę, opory mechaniczne wzrastają. Silnik nie ma już siły utrzymać dotychczasowej prędkości - równowaga została zachwiana i zwalania. Zwalniając zmniejsza swoją wewnętrzną siłę EMF "dając sobie szansę" na wzrost prądu. Prąd rośnie i znów, w innym punkcie równowaga zostaje przywrócona. A teraz co ma do tego procesor? On może za pomocą swoich algorytmów "wymyślać" co ma robić czyli jak szybko kręcić się silnik. Tę informację przekazuje właśnie PWMem. Im ma być szybciej, tym wypełnienie większe. Wolniej - mniejsze. Jak na to reaguje silnik? I tutaj dochodzimy do krzywej regulacji. Jest to właśnie zależność prędkości obrotowej od wypełnienia PWMa. Czy musi być liniowa? Oczywiście, że nie. Jeśli uda nam się tak zrobić układ sterowania, że takim samym przyrostom wypełnienia będą odpowiadały mniej więcej takie same przyrosty szybkości - mamy sterowanie liniowe. Należy oczywiście pamiętać, że silnik do samego ruszenia z miejsca potrzebuje jakiegoś niezerowego prądu. Tak więc sam początek, małe wypełnienia PWMa są "zmarnowane" na stanie w miejscu. Dopiero gdy silnik dostanie prąd który "przełamie" opory statyczne mechaniki, całość rusza. Gdzie to będzie? A to już zależy od konstrukcji. Słaby silniczek, ledwo ciągnący będzie musiał dostać pewnie z 50% prądu maksymalnego żeby odpalił. Wcześniej będzie tylko grzał się i.. stał. Większy przy tej samej mechanice będzie pewnie ruszał przy 10 czy 15% wypełnienia ale tylko dlatego, że to jego 10% to jest właśnie 50% mocy tamtego. Mechanika się nie zmieniła więc i moment potrzebny do ruszenia też został bez zmian.

A teraz popatrzmy na to od innej strony. Mamy wciąż ten sam mały silnik ale będziemy "kręcić" częstotliwością PWM. Najpierw ustawmy 20kHz. Dajemy 5% - wszystko stoi, 10, 20.. 40% i nadal nic. Dopiero dojechanie do 50% ruszy koła i pojazd się potoczy. Procesor może sobie regulować PWM od 0-100% i dostawać moment 0-100%. Mechanika "zżera" początkowe 50% ale potem już idzie gładko. Przy 100% wypełnienia mamy 100% osiągów. Ta konfiguracja na moim drugim wykresie była linią prawie prostą i zachodziła dla dużych częstotliwości PWM. Śmigło nie miało oporów początkowych więc kręciło się od razu i wykres pnie się w górę praktycznie od zera. W robocie na pewno tak nie będzie chyba, że to poduszkowiec. Prąd w silniku, czyli de facto w akumulatorze jest prawie stały. Zakłócenia mają dużą częstotliwość (taką jak PWM) ale małe amplitudy. Można je filtrować małymi ale szybkimi kondensatorami, ceramicznymi lub elektrolitycznymi o małej rezystancji szeregowej. Dokładnie takimi, jakie się stosuje w zasilaczach impulsowych.

No to zmniejszamy wypełnienie do 0% i częstotliwość do 200Hz. Teraz oczywiście nic się nie dzieje ale podkręcamy do 5, 10% i.. eureka! Silnik ruszył. Trochę warczy albo piszczy ale cóż to za cena za taką moc, prawda? Co się dzieje? Czy dostaliśmy coś za friko? Cóż, niestety nie. Ponieważ silnik zakręcił to oznacza, że wytworzył odpowiedni moment a ten z kolei robiony jest z.. prądu. Mierzymy i rzeczywiście: silnik pobiera tyle, co kiedyś przy 50%. Możemy teraz jechać w górę z wypełnieniem i obserwować zmiany szybkości. Na początku są duże ale potem się wypłaszczają. Po dojechaniu do 70-80% silnik już prawie nie przyśpiesza. To zachowanie na moim wykresie widać jako wybrzuszoną do góry krzywą regulacji dla niskich częstotliwości. Na początku szybko w górę, start jazdy, a potem coraz mniejsze przyrosty i trafienie dokładnie w to samo 100% jakie było dla 20kHz. Nic nie zyskaliśmy, żadnego przyrostu mocy. Procesor musi wymyślać tylko inne liczby, inne wypełnienia PWM wysyłać do mostka. Tam żeby ruszyć musieliśmy dać 50%, tutaj wystarczy 10% dla - uwaga - uzyskania dokładnie tego samego momentu. Tam połowa prędkości maksymalnej to było 75%, tutaj okolo 20%, tam hiperprzestrzeń osiągaliśmy dla 100% a tutaj.. dokładnie tak samo, dla tych samych 100% taki sam moment. Tylko zakłócenia są dużo większe. Amplituda zmian prądu jest ogromna. Tego na mierniku nie widać ale silnik pobiera prąd impulsami. W jednej chwili zero a zaraz potem pełny prąd znamionowy, potem znowu zero itd. Czegoś takiego nikt nie lubi i niełatwo to odfiltrować. Analogia do wzmacniaczy audio z zasilaczami 50Hz i gigantycznymi kondensatorami filtrującymi nasuwa się sama.. Tu problem jest większy, bo impulsy wcale nie są sinusoidalne jak w sieci 230V tylko prostokątne. Mają paskudnie szybkie zbocza więc kondensatory muszą być nie tylko wielkie (w sensie pojemności) ale i szybkie.

No i na koniec sprawność. Silnik DC ma swój ulubiony prąd - okolice 70% znamionowego, przy którym najwięcej dostarczonej mocy przetwarza na siły mechaniczne. Stosując sterowanie wysoką częstoliwością zawsze wiemy, jaki prąd płynie - taki, jaki moment odbieramy z wału silnika. To jak sterowanie ze źródła napięcia. Ustawiamy jakiś punkt pracy a silnik sam znajduje równowagę między tym co od nas dostaje a tym co mu "wisi" na wałku 🙂 Możemy jakoś nad tym panować. Zrobić tryby jazdy "ekonomicznej" itp.

Przy taktowaniu powolnym PWMem silnik jakby "przełącza" się między dwoma skrajnymi stanami: pełnym prądem lub jego zupełnym brakiem. Żadna z tych opcji nie jest punktem dobrej sprawności ale tu nie mamy wyjścia. Punkt równowagi znajdowany jest raczej przez równowagę momentów bezwładności wirnika, drgającego momentu obrotowego i stałych sił oporu.

Nawiasem mówiąc nie wiem np. jak się mają takie krótkotrwałe "mikrokopnięcia" do np. zrywania przyczepności opon. Chyba jednak koła powinny kręcić się w miarę płynnie..

Który przypadek jest "lepszy"? Każdy niech sobie odpowie sam. Oba podejścia można stosować, polecać lub zażarcie krytykować. Każde z nich ma swoje zalety i wady. Jeśli będziemy je znać, możemy robić lepsze projekty. Miłej zabawy 🙂

Generator PWM wrzucę - jeśli przejdzie przez sito Admina - do projektów. Może komuś jeszcze się przyda.

EDIT: Wszystkie użyte w powyższym tekście liczby są wymysłem autora a ich podobieństwo do liczb rzeczywistych jest czysto przypadkowe. To gdyby ktoś zniechęcał się tymi 50% mocy zmarnowanej do ruszenia z miejsca..

[Xweldog]

Tu jest problem i następne argumenty dla oponentów. Nie znam ( nie mierzyłem ) jakie te silniki mają obroty na biegu luzem / obciążeniu do prawie zatrzymania tylko odpowiadające im prądy. Gdyż w prądzie jest zawarta moc / moment obrotowy. Przy 100Hz też tego nie znam ale silniczki na pewno zwalniały. Piszę "prawie" dlatego, że nawet gdybym chciał to tych silniczków nie udawało mi się całkiem zatrzymać palcami, mają za cienkie ośki.

Przy 100Hz, w pionowym odcinku od 180 do 320mA zawiera się zmiana obrotów silnika od spowolnionych do prawie zera.

Poprzednio zapomniałem coś dodać. W każdym silniku DC przepływ prądu jest przerywany w danym odcinku czasu stosownie do ilości wycinków komutatora ( dokładnie to szczotki przeważnie obejmują dwa wycinki: w jednym uzwojeniu prąd jeszcze nie nasycił rdzenia a już szczotki dotykają następnego i w nim rozpoczyna się przepływ, przerywają w pierwszym, dotykają trzeciego ect. ). To zależy od fizycznej konstrukcji i na generowane tu zakłócenia nie nie mamy wpływu. PWM o dużej f proporcjonalnie częściej przerywa silnikowi przepływ prądu niż przy niższej, generując w proporcjonalnie więcej zakłóceń. A na to, mamy wpływ.

Co do f do PWM, przerzuciłem DS najpopularniejszych mostków: 293 do 5kHz, 298 do 25kHz, VNH do 10kHz, TB6612 do 100kHz. Ten ostatni trochę psuje to zestawienie ale proste pytania ( retoryczne ): 293 był przez ostatnie kilkanaście lat chyba najpopularniejszym, załatwiał sprawę w większości urządzeń potrzebujących silniczków DC małej mocy. Gdyby max 5kHz było za mało, ktoś rozsądny zabierałby się za opracowanie / produkowanie tego IC ?

[Sabre]

293 do 5kHz, 298 do 25kHz, VNH do 10kHz, TB6612 do 100kHz

SI9986 do 200kHz...

Z jakiegoś powodu producenci scalonych mostków konstruują je tak, żeby mostki się nie paliły przy tak dużych f przełączania. Mnie na początku przygody z robotami irytował piszczący silnik i nie przejmując się czymkolwiek zmieniałem dzielnik PWMa na taki, przy którym piszczenie ustawało 😃.

[marek1707]

Mój pierwszy komputer zrobiłem na procesorze 8080. Miał trzy różne napięcia zasilające i zegar 2MHz. Nie był to RISC jak AVR, więc wykonywał instrukcje w 4 do (chyba 18) taktów zegara. Jakby przeliczyć na MIPSy to miał średnią szybkość w granicach 0.25 MIPS (miliona instrukcji na sekundę). Głupia ATmega 16MHz ma średnio pewnie z 10 MIPS a w porywach 16.

Gdyby max 5kHz było za mało, ktoś rozsądny zabierałby się za opracowanie / produkowanie tego IC ?

Podejrzewam, że układy 293 i 8080 są równieśnikami a przynajmniej chodziły do tej samej szkoły..

[dondu]

Podejrzewam, że układy 293 i 8080 są równieśnikami a przynajmniej chodziły do tej samej szkoły..

Trochę historii (na marginesie tematu):

W 1986 roku produkowano SN754410, który w datasheet na pierwszej stronie ma wpisane:

Improved Functional Replacement for the SGS L293

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn754410.pdf

Czyli L293 ma więcej niż 26 lat, więc pewnie do tej samej szkoły chodziły 🙂

Oczywiście nie twierdzę, to że nie można go stosować, jedynie potwierdzam wywód marek1707.