Феерическая расстановка точек над HDD motors. Часть 1

Всем привет! В статье попытаюсь разъяснить основные способы управления двигателем HDD и сходными с ним электрическими машинами.

Введение

1 ом.

Алгоритмы управления

Забегая далеко вперёд скажу — идеальным случаем для нашей машины является подача на её фазы 3х синусоид сдвинутых на 120 градусов (как в обычных электрических сетях). Однако в некоторых случаях такая «идеальность» попросту не нужна.

1 способ.

Простой перебор фаз. Необходимо 3 силовых ключа, которые подключают фазы к источнику в порядке АВ-ВС-СА. Такой способ чаще всего встречается в интернете у самодельщиков.
Достоинства :
— простота;
— малое кол-во силовых ключей (3 шт);
— простота организации о\с по противоЭДС;
— меньший вес\габариты, что важно в rc моделизме.
Недостатки:
— большой ток через ключи;
— электромагнитный момент пульсирует и далёк от идеала (насыщен высшими гармониками). В итоге – стабильность работы без о\с низкая. В максимальной скорости также проигрывает другим способам управления.
На рис. ниже — фазные напряжения.

2 способ.

Перебор фаз с формированием 6-ти базовых векторов. Наткнулся на него в апноуте ST microelectronics [1]. Является улучшением 1-го способа (или ухудшением 3-его). Преимущества и недостатки смешаны. Рассматривать не будем, т.к. не понимаю почему имея 6 ключей не использовать способ, приведенный ниже О_о

3 способ.

Формирование 6-ти базовых векторов. Необходимо 6 ключей. В каждый момент времени работает 3 из них. Всего существует 8 положений этих ключей, 6 векторов (формируют синусоиды) + 2 нулевых вектора (открыты все ключи верхнего или нижнего плеча). Нулевые векторы нужны для более продвинутых систем с ШИМ.

Достоинства :
— простота;
— форма напряжения питания более приближена к синусоиде;
— как следствие предыдущего вывода – меньший нагрев;
— более стабилен в работе без о\с;
Недостатки :
— поле машины всётаки не круговое, как должно быть;
— ток машины немного выше чем в идеальном случае.

Фазные напряжения ниже.

4 способ.

Промышленный стандарт – добавляем к предыдущему способу №3 ШИМ модуляцию между базовыми векторами, для того чтобы получить любой вектор окружности вместо 6ти.

Достоинства :
— здесь всё практически идеально. Ток минимален, магнитное поле круговое. Момент при этом не пульсирует
Недостатки :
— Для организации полноценного привода с ШИМ 6ти векторов и о\с по положению необходим DS процессор.

Так выглядит ШИМ модуляция некоего привода ТРИОЛ АТ [2].

5способ.

Векторное управление. В силу своей сложности рассматривать не будем.

В данном случае популярный на западе Field Oriented Control — контроль по полю, конкуренцию которому позже составил DTC — Direct torque control (прямое управление моментом). Остальные способы векторного управления (по вектору потокосцепления статора, ротора. ) в промышленности я не встречал

Обратная связь по положению.

Необходимо сказать, что привод с датчиковым управлением всегда более предпочтителен чем привод с управлением без датчиков. Это касается и векторного управления асинхронными машинами и систем управления двигателем постоянного тока. Однако все пром производители стремятся исключить датчики, как лишний механический элемент.

Принцип используемой связи по противоЭДС: нам необходимо поймать момент когда полюс магнита проходит через фазу. Упрощённо это значит что ротор машины прошёл ровно половину пути и нам необходимо скорректировать (задержать) включение ключей на соответствующее время. К примеру: в способе №1 это время равно половине времени на включение ключей. В 3ем – оно равно времени работы одного базового вектора.

Технические аспекты.

Используя способ №1 необходимо на один вход компаратора подать половину питающего напряжения инвертора. На второй вход завести фазу и ловить момент когда выход компаратора изменится. Это опять же пром стандарт, который используется и в 4ом способе управления как одна из составляющих ШИМ. Кому интересны другие способы — прошу пройти по ссылке

На этом всё. В следующей статье расскажу о попытках реализовать разные способы управления и поделюсь схемами и исходниками к готовому устройству

ps Моя первая статья здесь, прошу сильно не критиковать

Комментарии ( 98 )

Для организации полноценного привода с ШИМ 6ти векторов и о\с по положению необходим DS процессор.

Так ли он необходим? А что мешает сделать систему трех шимованых синусов в виде обычной таблицы, скажем с точностью до градуса. Тогда мы получим небольшой (360*3) расход памяти и бешеную скорость формирования этого самого тройного синуса.

Осталось только отслежить положение двигателя. Тут либо датчики Холла, либо какие другие ухищрения. И получаем в результате ОС.

Тут ШИМ из векторов — к примеру 1ый и 2ой вектор — первое положение(ключи 1,2,6) второе — ключи (1,5,6) — их модулируем. Потом переходим к следующему сектору, 2-3 векторы. + туда добавляем нулевые вектора (1,3,5) и (2,4,6) и для обработки о\с, кнопок БЫСТРЕЕ, МЕДЛЕННЕЕ и тд времени нет с единственным условием. Мы пытаемся раскрутить его на максимальные обороты с частотой синусоиды 300-500 Гц и дальше 😉

если брать привод как в промышленности 0-50 Гц, то вполне может хватить и ресурса mega.

теперь понял что вы предлагаете. Но мне трудно представить как это возможно реализовать. У нас есть 6 ключей, с их помощью мы формируем сразу 3 синусоиды. А как в вашем случае?

ps существуют инверторы из 9 ключей. Там синусоида более «синусоидальная»

Ну, во первых, для современных Мег 6 аппаратных шим генераторов в порядке вещей. А для STM32 так и все 12 не проблема. Так что создать таблицу с шимами это совсем просто.

Во-вторых, нам не нужно 6 шим сигналов. достаточно только трех. Ведь у нас не просто 6 ключей, а 3-полумоста, по одному на фазу. Т.е. каждую пару ключей (верхнюю-нижнюю) можно дрыгать одним шимом, главное соблюдать dead time. Тут автомотив версии контроллеров нам в помощь. У них это аппаратно. По шиму на каждую фазу (полумост) со сдвигом на 120 градусов и вот мы получаем трехфазную систему напряжений, соотношение напряжения фаз дает нам вектор. Ну и гоняя по таблице мы можем выбрать любое значение ШИМ с точностью хоть до долей градуса, главное рассчитать таблицу правильно.

Тут правда один минус все же есть. Приходится дрыгать сразу два ключа в верхнем и нижнем плече, что несколько увеличивает потери.

Что Вы понимаете под дополнительными схемными решениями? Внешние компараторы?

У микрочипа тоже есть апноуты www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2819 например, по 18-м пикам.
Хотя 33-и намного вкуснее.

Микрочип кстати в этом преуспел, согласен!

мне понравились ихние апноуты по FOC, очень хорошо расписаны

Подключал по такой схеме: www.arduino.cc/en/Reference/StepperUnipolarCircuit
Прощупывал обмотки и обнаружил две группы:
жёлтый—зелёный, сопротивление 1.1 КОм, средний провод синий (делит на две группы с равными полусопротивлениями)
коричневый—розовый провода, сопротивление 6 Ом (отводной красный делит на две группы по 3 Ом)

Такое случается на униполярнике? Я почему-то думал, что у обмоток должны быть одинаковые сопротивления.

На крепёжном диске двигателя видна ещё какая-то микросхема, может это схема управления и для неё нужен специальный интерфейс?

Есть еще самый простой и понятный способ — фозосдвигающая цепь и 1-но фазный ШИМ.

А мануалы от ST, лучше читать с предварительной академической подготовкой. Они там такой бредятину порой пишут, передергивая основы и здравый смысл. Взять хотя бы их недавно опубликованную PMSM-FOC библиотеку. Кроме подмены аббервеатур ничего нового и тщательно маскируют недостатки и возможности своей софтины. Чего стоит толькоутверждение что датчик холла обеспечивает «точное позиционирование».

Бред от ST короче.

Какой-то нанятый обкуренный индус с изучением объектного кода развлекался без понимания сути и практики в предмете.

В авиамоделях используют 6 ключей… маломощные на N и P мосфетах с прямым управлением от МК для нижних и через транзюк+резюк — для верхних
потом китайци до этого же контроллера прикручивают ir2103 и получаем уже 6 одинаковых полевиков вверху внизу + дедтайм + защиты от одновременного открытия сквозняка

НО у них всех используется 2 способ а перемещение магнитой ловят смещением фазы реальной и фазы — суммы напруг на концах АВС — просто резисторами — заводят на компаратор или АЦП и вуаля

самый простой на 20-30 ампер контроллер стоит 6-8 баксов
смысла играться с такими вещами не вижу

далее
перематывать ХДД моторчики не советую
там очень слабый магнит
есть маленькая проблемка
когда полюс вентиля одной из обмоток перенасыщяется (намагничивается) больше чем магнит который к нему аналогичным полусом повёрнут — то вместо отталкиваться — магнит к нему притягивается — это называется срыв… потому что соседние катушки сами себе генерируют землю и получается что контроллер уходит в килогерцовые частоты думая что ротор за ним успевает а в реальности он стоит и гудит… свистит… ну и через 2-3 секунды обмотки обгорают так как КЗ

я пробывал перематывать и сидюковые моторки и моторки от хдд 5.25″ — фигня полная…
от ХДД кстати в родном исполнении и 24 вольтах питания можно раскрутить до 1600 оборотов и при этом иметь крутящий момент очень серьёзный… но… нужно следить ибо если оставить на максимуме модуляцию(типа газ — заполнение ШИМом верхних ключей которые в данный момент по таблице должны быть открыты) — возможен срыв ибо магнитики в ХДД очень никакие… вот когда их заменил неодимовыми шариками… уууу… отогда крутяк… можно мини болгарку сделать или ещё что — по крайней мере рукой остановить за шпиндель выходной под диск — не мог рука горит…

я же сейчас мучаю СТМVLdiscovery чтоб заставить его красиво и без глюков выдавать ШИМом высокочастотным красивые синусоиды размах которых будет контроллировать ручка газа и ток через обмотки

делаю электромопед
без контроля тока я уже катался… мотор у меня 2500 ватт
100 ампер 24 вольта
взял обычный авиамодельный хороший контроллер с драйверами и четкими таймингами — не упрощенный китайский вариант
усилил выходную часть IRF3205
посеребренные провода 2800 жильные специальные… золотые разьёмы выдерживающие 250 ампер запросто…
аккумулятор с номинальной токоотдачей 200 ампер…
короче без контроля тока прокатался я до первой выбоины когда ручка газа дрогнула…
мотора — это 8 витков проволки 10мм квадратных… тоесть полное КЗ… если б не магниты — один раз отвертку туда заосало — ели отодрал… короче бахнуло так что у всех транзисторов и драйверов посрывало крыши в прямом смысле слова…
но всётаки он ехал… и очень непривычно…
теперь вот хочу сделать свой умный и быстрый контроллер…

Ах да… контроля положения ротора нет… по обратке и смещению реального нуля и виртуального из фаз… срыва синхры не наблюдал ни разу даже на этом авиамодельном контроллере а там мега 8-я на 8 мегагерцах клокает… не сильно она шустрая… но хватает чтоб до 10 000 оборотов раскрутить мотор(2 килогерца на каждой фазе) 🙂

Так что жду Вашу статью об алгоритмах… пока что у меня затык с моментом старта когда надо в режиме шаговика его клацать это раз и… проблема с оптимальными таймингами… на низких оборотах клацаю таблицу векторов по проходу виртуальной фазы через ноль — холостой ход 0.4 ампера поднимаюсь выше 4000 — ток до 20 ампер подскакивает — я явно торможу сам себя… но как китайцы в мегу 8-ю засунули какой-то алгоритм который любые моторы крутит на любой скорости и показывает 0.3 ампера холостого току… я ума не приложу… я не делаю на данный момент синусоид красивых… мне хватает второго способа…
хотят по идее на малых газах и на максимальном газу это не эффективно и сильно подогревает транзюки(хотя 4 минты на 100 процентах газа и 90 амперах сделали еле теплыми линейку верхних транзюков(радиатор без вентилятора от пня 4-го 2 гигагерцного… до 50 ватт отводимого тепла с вентилятором при разнице 40 градусов)мой же радиатор нагрелся до 30-35 не больше… ну и мотор конечно нагрелся… градусов до 70… но у него это нормал… ему обдув… а точнее жостий продув нужен… его КПД 92 % при 50 амперах… а вот при 100 амперах уже 80… потому он кочегарить будет… но… в пути только при разгоне давиш на полную… в основном пути я трачу примерно 15-20 ампер по фазе… при газе в 30%

Драйвер для двигателя hdd схема