Stabilizace stejnosměr. motorku pomocí PWM a snímače otáček

[Osmdesat]

Řeším takový problém, na který asi nemám mentální kapacitu, a proto nedocházím k řešení:
Chtěl bych stabilizovat otáčky stejnosměrného komutátorového motorku. Motorek chci budit pulzně-šířkově. Na hřídeli motorku bych měl snímač otáček a podle aktuálních otáček bych odvozoval řídicí napětí pro PWM budič (modulátor) tak, abych docílil stabilních nastavených otáček motorku.

Nabízí se jistě několik možných přístupů.
Moje výchozí představa je taková, že bych na hřídel umístil děrovaný kotouč a opticky snímal frekvenci otáčení. Tento kmitočet bych integračním článkem převedl na napětí (napětí přímo úměrné otáčkám).
Pak bych měl PWM modulátor s výkonovým tranzistorem, kterým bych moduloval napětí do motorku. Střída PWM modulu by byla řízena napětím.
Potřebuji tedy vyhodnotit skutečné otáčky a nastavené otáčky a podle toho nastavit řídicí napětí na PWM modulátoru, tak aby dával motoru tolik, aby se motor točil správnými otáčkami.
Tady bohužel moje fantazie selhává a nenapadá mě, jak vyvodit z údaje o skutečných a nastavených otáčkách řídicí napětí pro PWM.

Napadá mě sice, jak z toho vybruslit a problému odvození řídicího napětí pro PWM se vyhnout, ale rád bych to rozlouskl tak, jak je problém nastolen. Vím, že by to šlo vyřešit programaticky pomocí PIC, ATmel, Raspberry, Intelu Core i9, ale tohle řešení ponechám stranou, chci to řešit elektronicky.

[xsc]

Uplně stejně jako když řídíš zdroj. Porovnáváš otáčky (napětí) s nastavenou referencí a výstupem komparátoru řídíš PWM. Problém může být v odezvě a možnosti rozkmitání.

[Ruprecht]

Nejjednoduššeji asi rozdílovým zesilovačem (OZ + 4 odpory), na jeden vstup "požadované" napětí (tedy požadované otáčky) z potenciometru/trimru, na druhý vstup signál z čidla. Při nesouhlasu bude na výstupu napětí, vyjadřující rozdíl mezi požadavkem a skutečnými otáčkami, které využiješ pro řízení PWM. V podstatě "P" regulátor, reagující ale dost rychle. Pro zavedení "I" části (zpomalení reakce) přidáš kondenzátor paralelně ke zpětnovazebnímu odporu OZ, hodnotu bude nutné vyzkoušet podle požadované rychlosti reakce (a setrvačným hmotám atd.) tak, aby se to nerozkmitalo.

[lesana87]

Jelikož to má být spojitá analogová regulace, tak tam nebude komparátor, ale chybový zesilovač, který zesiluje rozdíl mezi požadovanou a skutečnou hodnotou. Výstupem zesilovače se řídí PWM pro motor. To je nejjednodušší tzv. proporcionální regulátor. Otáčky motoru jsou úměrné chybě mezi požadovanou a skutečnou hodnotou. Čím větší požadovaná hodnota, tím větší chyba, čím větší zesílení chybového zesilovač, tím menší chyba. Pokud se ale překročí nějaká kritická hodnota zesílení, regulátor se rozkmitá. Pokud je potřeba nulová chyba regulace, je potřeba k proporcionální složce přidat integrační, která s nějakou časovou konstantou (další parametr) integruje chybu a výsledek se připočítává k proporcionální složce, vznikne PI regulátor. Pak se ještě může přidat derivační složka, vznikne PID regulátor.

[Habesan]

Převodník kmitočet/napětí existují.
Viz. home.zcu.cz/~ronesova/index.php?menuitem=aes_mfu
Případně bych použil LM2907.

[Osmdesat]

Ano, chybový zesilovač mě napadl také. Jenže ten v okamžiku, kdy jsou otáčky správné, tak místo toho, aby to držel v nějakém buzení, dá výstup nula, přeruší buzení motoru a otáčky mi na okamžik spadnou, než chybový zesilovač pošle nové buzení. A to je špatně, protože pro udržení toho roztočeného stavu, tam musím mít vždy nějaké nepřerušované buzení.

[Hill]

Komparátor je nesmysl, tím nelze řídit střídu impulsů PWR. Výstup vyhodnocovacího obvodu (tacha) musí být analogový. Námět je tady v článku, jen na výstupu nebude proměnný výkonový odpor, ale vstup řízení PW regulátoru.
To nastavení strmosti je důležité, ale to už tu výše napsáno je.

[lesana87]

Ano, chybový zesilovač mě napadl také. Jenže ten v okamžiku, kdy jsou otáčky správné, tak místo toho, aby to držel v nějakém buzení, dá výstup nula, přeruší buzení motoru a otáčky mi na okamžik spadnou, než chybový zesilovač pošle nové buzení. A to je špatně, protože pro udržení toho roztočeného stavu, tam musím mít vždy nějaké nepřerušované buzení.

Ano, jak už jsem napsala, samostatný proporcionální regulátor neumí pracovat s nulovou odchylkou. To buzení při nulové odchylce tam udělá až ta integrační složka PI nebo PID regulátoru.

[misocko]

Obavam sa že si to len chybne inerpretuješ. Presne tak ako požaduješ funguju normalne meniče napetia a dokonca menia stridu PWM a nekmitaju. Proste čo nastaviš to držia, so spätnou väzbou.
Najdi TL494, ta ma aj operaky a možeš riadiť. Myslim že aj schemy na to najdeš bez problemov.

[JirkaZ]

Jaký je požadavek na stabilitu otáček?

Pokud to není potřeba "digitálně přesně", ale stačí zpětnou vazbou z BEMF a proudu motoru, tak se pro inspiraci podívej do přílohy.

Po vhodných úpravách (mj. nahrazení výkonového bipoláru MOSFETem, ale i řada dalších) osobně vyzkoušeno pro 12V modelářskou vrtačku.

[Osmdesat]

Jaký je požadavek na stabilitu otáček?

Pokud to není potřeba "digitálně přesně", ale stačí zpětnou vazbou z BEMF a proudu motoru, tak se pro inspiraci podívej do přílohy.

Po vhodných úpravách (mj. nahrazení výkonového bipoláru MOSFETem, ale i řada dalších) osobně vyzkoušeno pro 12V modelářskou vrtačku.

Chtěl bych zapojení využít k pohonu filmové kamery - tam vzhledem k tomu, že posun filmu je nespojitý, na hladkosti nebo plynulosti nezáleží, ale spíš na dodržení dlouhodobě "průměrných" otáček.
Ale je možné, že vyzkouším i aplikaci v audiu - pohon gramo nebo magnetofonu.

To schéma, které jsi přiložil, zjevně spíná a vypína výkonový tranzistor přímo podle aktuální chyby, vyvozené v tomhle případě z proudu a napětí na motorku. Tahle možnost mě pro případ nouze taky napadla, s tím rozdílem, že já bych použil jako údaj pro spínání napětí z tacha. Tím bych se vyhnul odvozování řídicího napětí pro PWM modulátor.
Ale není mi příliš jasná funkce toho spodního komparátoru.

[JirkaZ]

Spodní komparátor je zapojený jako generátor (oscilátor), z jeho časovacího C se odebírá přibližně trojúhelníkový průběh, který se pak sčítá s napětím z regulačního potenciometru a s napětím z motoru (BEMF) a porovnává horním komparátorem s napětím ze snímacího odporu proudu, takže z výstupu toho horního komparátoru pak už leze odpovídající PWM obdélník.

Je to maximálně zjednodušené, ale dobře funkční zapojení (za předpokladu odpovídajícího vyladění - viz i níže).

V příloze je moje úprava toho zapojení použitá pro už zmíněnou modelářskou vrtačku.

Upozorňuju, že zapojení zdaleka není univerzální a pro různé motory je potřeba experimentovat s jednotlivými obvodovými prvky. Jde přitom zejména o míru odezvy regulace na zatížení, neboli aby otáčky byly co možná nejkonstantnější, ale nedocházelo přitom ke rozkmitání regulační smyčky. Jinými slovy: jde o problematiku PID regulace, zde realizované hardwarově.

Pro vyšší napájecí napětí to taky bude chtít upravit obvod buzení G MOSFETu tak, aby nebylo překročeno Ugs max.

Jinak pro kameru by řešení se stabilizací vyhodnocováním BEMF a odebíraného proudu možná použitelné bylo, ale u náročnějšího audia bych už váhal.

Špičkové stroje měly vždy nějaké snímání skutečných otáček (tachodynamo, Hall, optika...) a regulovaly zpravidla PLL smyčkou na konstantní hodnotu z tohoto snímače. Pokud samozřejmě nepoužívaly nějaký druh střídavého synchronního motoru (kam lze řadit i BLDC)...

Navíc tedy použité (a vyžádané) PWM je zdrojem rušení, což u audia může být docela komplikace.

[Hill]

Ten spodní OZ je generátor trojúhelníkového průběhu, injekcí toho průběhu se posouvá rozhodovací úroveň na vstupu horního OZ, potažmo střída sepnutí.

Pro kameru (a to i takovou, která umožňuje současný záznam zvuku na magnetickou stopu filmu) ale stačí motorek s odstředivým spínačem, jaké se používaly v bateriových magneťákách, než byl vynalezený dvoutranzistorový regulátor.

[misocko]

Za tie roky som si zvykol ze moje prispevky nikto nevidi (prehliada).
Obvody ako TL494 (pre Teba najvhodnejši) robia presne to čo potrebuješ. Držia striedu PWM na takej hodnote, ktora na vystupe zabezpeči nastavene napetie (to že to napetie bude vyrabane otačkami motora, on nema ako zistit).
Proste bude držať striedu, nebude vypinať a zapinať PWM... (to robia moderne "burst" zelene obvody v nabijackach nových mobilov).
494 ide od nula do akoro 100% PWM. Jedine čo mňa by trapilo, ako otáčky motora prevedieš na napetie.
Frekvenciu TL494 si zvoliš dvoma externými sučiatkami, výstup prepneš na single ended, pridaš nejaky budič mosfetov a poriešene.

[Osmdesat]

Misocko, tvůj příspěvek jsem si přečetl, ale nestíhám tak rychle odpovídat. 494ka vypadá lákavě, ale zatím jsem ji moc nepochopil.
Takže mám si zapojit oscilátor, na + jednoho ze zesilovačů mám dát trimr, na - mám dát otáčkové napětí. A co dál s tím?[/b]