Sterowanie silnika przy użyciu PWM

[Elvis]

Chciałbym odnieść się do bardzo gorącej ostatnimi czasy dyskusji o częstotliwości PWM przeznaczonym do sterowania silnikiem.

Dotychczasowa dyskusja skupiała się na tym, czy można sterować silnikiem przy użyciu wyższej (powiedzmy 20kHz), częstotliwości PWM.

Drugi problem, to pytanie, czy silnik jest słabszy przy wyższej częstotliwości.

Prosty sterownik

Zacznijmy jednak od początku.

Możemy oczywiście zacząć od pomiarów, ale czasem warto wykorzystać komputer, pakiet SPICE i najpierw nieco poznać problem. Największym plusem symulacji jest łatwość wykonywania pomiarów. Cena sondy prądowej do oscyloskopu potrafi przyprawić od ból głowy.

Dzięki symulacji możemy poznać podstawowe wyniki bez inwestycji w sprzęt pomiarowy.

Do symulacji wykorzystam bardzo prosty model silnika – cewkę połączono szeregowo z rezystancją.

Sterownik też będzie bardzo uproszczony. Mogę tylko zdradzić, że bardzo podobny układ jest stosowany w produkowanych urządzeniach.

Pierwsza przymiarka to sterowanie bezpośrednio tranzystorem MOS, załóżmy że przy użyciu bramki. Aby ją zasymulować dodamy do źródła sygnału szeregowo rezystor i sprawdzimy rezultat.

Schemat układu:

Rezystor R1 wraz z cewką L1 model silnika. Dioda D1 jest bardzo ważna – zamyka obwód w momencie gdy tranzystor M1 jest zamknięty.

Tranzystor M1 to nasz sterownik silnika – gdy jest otwarty, przez silnik płynie prąd.

PWM jest sterowany ze źródła V1, jak widać na rysunku mamy okres 100us, czyli częstotliwość 10kHz, wypełnienie 50%. Rezystor R2 jest dodany, aby zasymulować małą obciążalność bramki sterującej układem.

Jak wiadomo tranzystory polowe mocy mają dużą pojemność bramki. Wraz z rezystancją R2 tworzy to filtr dolnoprzepustowy. Ze wzrostem częstotliwości taki filtr będzie powodował wolniejsze przełączanie tranzystora M1.

Dzięki symulacji możemy sprawdzić jak taki układ będzie się zachowywał.

Na początek R2=10k, f=10kHz.

Prąd płynący przez silnik wygląda następująco:

Teraz zwiększamy R2, powiedzmy do 47k.

Rezultat – prąd silnika zmniejszył się znacznie. Z ok. 700mA do 100mA.

Ten sam efekt uzyskamy zostawiając poprzednią wartość R2, a zwiększając częstotliwość.

Dla R2=10k i częstotliwości f=20kHz, średni prąd wyniesie ok. 400mA.

Łatwo się domyślić, że jednoczesne zwiększenie rezystancji R2 oraz częstotliwości jeszcze bardziej pogorszy sytuację.

Wniosek 1

W przypadku prostego sterownika zwiększenie częstotliwości zmniejsza średni prąd płynący przez silnik.

Filtr dolnoprzepustowy

Skąd taki efekt? Jak już wspominałem, R2 wraz z kondensatorem w M1 tworzy filtr dolnoprzepustowy. Więcej przeczytamy chociażby na wikipedii: http://pl.wikipedia.org/wiki/Filtr_dolnoprzepustowy

Skoro już używamy pakietu SPICE, możemy sprawdzić jak to działa.

To co widzimy to fragment naszego poprzedniego układu. PWM i R2 jest bez zmian, ale zamiast tranzystora sterującego mamy kondensator. Na wykresie widzimy napięcie na C1, w odpowiedzi na prostokątne sterowanie z naszego PWM.

Zzamiast pionowych zboczy, nasz sygnał został „wygładzony”. Tak właśnie wygląda sygnał sterujący naszego tranzystora.

Na wykresie widać, że "zaokrąglenie" wykresu ma ok 30µs. Wynika to ze stałej czasowej naszego układu. Wynosi ona R2 C1, czyli 10k 1n = 10µ. Po tym czasie napięcie osiąga 63% w docelowej wartości. Po 3 razy dłuższym czasie już 95%. Ten czas zależy tylko od wartości R2 i C1, nie zależy od częstotliwości.

Ale im wyższa częstotliwość, czym częściej występuje zbocze sygnału, które jest przez 30µs wygładzane. Oznacza to tym większe straty, im wyższa jest częstotliwość.

Dlatego proste mostki działają z niskimi częstotliwościami – nawet jeśli przełączanie zajmuje kilka, czy kilkadziesiąt µs, jest to mało przy okresie PWM rzędu 5000µs (200Hz). Natomiast przy częstotliwości 10kHz (100µs), napięcie lewo zdąży narosnąć. A więc nasz tranzystor ledwo się otworzy, już musi się zamykać.

Driver tranzystora MOS

Jest to pierwszy problem, z którym konstruktorzy muszą sobie poradzić, jeśli chcą sterować silnik z wyższą częstotliwością.

Na szczęście rozwiązanie jest proste. Dodamy wzmacniacz prądu, w ten sposób bardzo zmniejszymy wartość R2 i przyspieszymy przełączanie tranzystora kluczującego.

Prosty układ (jak już pisałem stosowany przemysłowo) zobaczymy poniżej:

Do poprzednio analizowanego układu dodane zostały tranzystory Q1 i Q2. Pracują one jako wzmacniacz prądu (wtórniki emiterowe). Napięcie nie jest wzmacniane, za to prąd, którym może być wysterowana bramka M1 jest znacznie większy.

Sterowanie tranzystora MOS mocy

Od razu małe wyjaśnienie. Pewnie niektórzy mogą być zaskoczeni - po co prąd do sterowania tranzystorem MOS. Oczywiście tranzystory MOS są sterowane napięciowo.

W stanie statycznym prąd przez bramkę prawie nie płynie (poza minimalnym prądem upływu).

Niestety zupełnie inaczej jest w stanie dynamicznym (podczas przełączania). Tranzystory mocy w technologii mos mają znaczną pojemność bramki.

Oznacza to, że przełączenie wymaga dostarczenia ładunku, a podczas przełączania prąd płynie.

Im większy prąd możemy dostarczyć tym szybciej (w pewnych granicach oczywiście) tranzystor się przełączy.

Dzięki szybszemu przełączaniu możemy zwiększyć częstotliwość PWM.

Częstotliwość akustyczna

Teraz jak widać częstotliwości PWM rzędu 20kHz już nam nie straszne. Dlaczego 20kHz jest tak ważne? Jest to zakres poza akustyczną, co bywa bardzo ważne, chyba że lubimy piszczące układy. Nie chodzi tutaj tylko o płynność sterowania. Nikt chyba nie lubi urządzeń, które „piszczą” w zależności od prędkości obrotowej, czy jasności podświetlenia. Dodam tylko że nie sam silnik lubi wydawać paskudne dźwięki. Nawet niepozorny kondensator umie popsuć przyjemność korzystania z zaprojektowanego urządzenia.

Natomiast wracając do silników – mając poprawiony układ sterowania, możemy sprawdzić, dla wyższych częstotliwości jego zachowanie:

f=100kHz

Jak widać nawet 100kHz jest możliwe do uzyskania. Z drugiej strony widać też pewny spadek sprawności, zamiast blisko 1A mamy 800mA.

Mamy pierwszy problem rozwiązany. Odpowiedni sterownik potrafi sterować silnikiem nawet przy wysokiej częstotliwości PWM. Tani i prosty, tylko z niską częstotliwością.

Współczynnik wypełnienia

Teraz drugi problem – jak układ zachowa się przy małym wypełnieniu?

Znowu z pomocą przychodzi nam symulacja.

Zacznijmy od końca. Przyjmijmy wypełnienie 10%, i f=100kHz.

Jak widać średni prąd to ok. 60mA.

Zmniejszmy częstotliwość do 10kHz.

Teraz prąd średni jest nieco większy – ok. 60 mA. Widać natomiast znacznie większą amplitudę.

Zobaczmy co będzie przy f=1kHz.

Teraz amplituda jest wręcz ogromna – prąd osiąga 720mA. Wartość średnia jest znacznie mniejsza.

Dla niskich częstotliwości, prąd chwilowo osiąga znacznie większą wartość. W przypadku wyższych częstotliwości silnik pracuje równo i nie jest w stanie pokonać większego oporu.

Jaki z tego wniosek? W przypadku większej częstotliwości moment mamy taki sam jak dla mniejszej. Ale musimy zastosować większe wypełnienie PWM, aby uzyskać ten sam moment.

Podsumowanie

* dla małych częstotliwości PWM wystarczy nam prosty sterownik silnika

* wyższe częstotliwości dają bardziej rownomierną pracę silnika

* częstotliwość poniżej 20kHz może powodować efekty akustyczne

* im wyższa częstotliwość tym sterownie silnikiem jest trudniejsze

Podsumowanie 2

Urządzenia które dość dobrze znam od ponad 10 lat pracują z silnikiem DC sterowanym z PWM o częstotliwości ok. 35kHz. Zapewniam, że jest to możliwe.

Natomiast jest ogólną zasadą w elektronice, że im wyższa częstotliwość, tym trudniejszy jest układ.

Dyskusja na forum

Moim zdaniem w burzliwej dyskusji wszyscy mają (trochę) racji. Silnik tak samo sterowany (prosty sterownik, stałe wypełnienie PWM), zmniejsza moment ze wzrostem częstotliwości.

Z drugiej strony można, a nawet powinno się konstruować układy na wyższą częstotliwość PWM.

Wszystko zależy od projektu (i trochę od umiejętności). W chińskiej wkrętarce w zupełności wystarczy 200Hz. W innym układzie 40kHz może być za mało.

Załączniki

W załącznikach przesyłam pliki wykorzystane do symulacji. Pakiet LTSpice jest dostępny za darmo pod adresem: http://www.linear.com/designtools/software/

[marek1707]

Symulator jest tak dobry, jak modele w nim użyte. Do tej pory też używałem układu RL jako modelu silnika i nieźle na tym wychodziłem ale przy spotkaniu z częstotliwościami < 1kHz (i danym silniku) ten sposób mnie zawiódł. W czystej, no może trochę "popsutej" rezystancją, indukcyjności energia zgromadzona w polu rozładowuje się na powyższych układach przez diodę. I jest to prawie to samo, co w "wpadło" tam poprzednio, pomniejszone oczywiście o straty na R i w rdzeniu. Tak jest w Twoim przykładowym modulatorze PWM: pola pod krzywą prądu są prawie takie same przy narastaniu i przy opadaniu ale w silniku tak nie jest. Właśnie zrobiłem sobie nowy model symulacyjny i próbuję przekonać się dlaczego

W przypadku większej częstotliwości moment mamy taki sam jak dla mniejszej. Ale musimy zastosować większe wypełnienie PWM, aby uzyskać ten sam moment

To oznacza, że silnik DC korzysta jakby ze szczytowych wielkości prądu a nie ze średniego. A przecież moment bezwładności wirnika i obciążenia, indukcyjności uzwojeń - to wszystko powinno uśredniać pracę i dawać identyczny efekt niezależnie od odkształcenia krzywej prądu. Próbuję zbudować tu swoją teorię ale chciałbym poznać Twoje zdanie.

[Elvis]

W silnikach DC mam mniej doświadczenia, ale w przypadku krokowych właśnie prąd w peak-u ma znaczenie. Problemem jest przesunięcie rotora do nowego położenia. Takie "szarpnięcie" daje znacznie lepszy efekt, niż mały prąd przez dłuższy czas (czyli zachowanie energii). To trochę jak z pchaniem samochodu - jak już go ruszymy to dalej idzie łatwiej. Najtrudniej pokonać siłę statyczną. Myślę, że podobnie jest z silnikiem DC. Jeśli mamy wysoki peak prądu, silnik szarpie do przodu, a później siłą bezwładności kręci się do kolejnego "kroku". Jeśli mamy stały, ale mniejszy prąd nie jest w stanie nic zrobić.

Zastanawiałem się nad prostym eksperymentem - wysterowaniem silnika za pomocą niewielkiego prądu, a następnie zmodulowaną obwiednią - taką jak w symulacji. Może w przyszłym tygodniu to sprawdzę i postaram się opisać wyniki.

[marek1707]

Właśnie dziś zmarnowałem na to kawałek Niedzieli. Zajrzyj tutaj.

To trochę jak z pchaniem samochodu - jak już go ruszymy to dalej idzie łatwiej

Też tak myślałem, że chodzi o opory statyczne ale wtedy byłby to efekt widoczny jedynie podczas rzeczywistego ruszania od zera.

W krokowych to jednak steruje się - porównując do tych nieszczęsnych DC - jakby z wypełnieniem 100%. Prąd jest załączany na cały czas kroku. Inna sprawa, że może narastać zbyt wolno ale to raczej kwestia sterowania. Chociaż.. gdyby tak wymuszać duży prąd tylko na początku kroku a potem, gdy wirnik już "jedzie", znacznie go ograniczać to może byłby to efekt podobny do "ślizgania się po szczytach" silnika DC? Muszę to przemyśleć. Mam wrażenie, że jest to ściśle związane z energią zgroamadzoną w wirniku i oddziaływaniem back-EMF.

Czy znasz ten model ?

[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

[Elvis]

Model w sumie podobny.

Natomiast sterowanie krokowymi nie zawsze jest takie proste. Przykładowo podanie od razu 100% wypełnienia generuje dużo drgań oraz co gorsza jest za głośne. Stąd sterowanie mikrokrokowe, albo jak w przypadku mojego urządzenia - modulowanie obwiedni prądu. Wykonywanie kroku powoli narastającym prądem, a następnie odcinanie prądu między krokami dla oszczędzania energii. Natomiast faktycznie w silniku DC nie następuje "ruszanie" i zatrzymywanie za każdym razem.

Zastanawiam się nad czymś innym: silnik ma pewną indukcyjność, jeśli przełączanie jest poniżej stałej czasowej silnika - czy to nie sprawia problemu? Jeśli mamy wypełnienie >50%, czas na narastanie prądu jest dłuższy, ale właśnie mniejsze wypełnienie mogłoby powodować problemy. Stała czasowa to zmora silników krokowych, więc może to coś podobnego.

[zbyszek_kn]

Silnik DC podczas pracy indukuje napięcie zależne od obrotów własnych

W wyniku czego napięcie generowane z PWM do sterowania takiego silniczka w teorii zachowuje się inaczej niż w praktyce ponieważ napęd silnika to różnica pomiędzy napięciem generowanym przez silnik a napięciem sterującym

zbyszek