Tork düşmeden HPWM ile motor sürmek

[OG]

100W gibi güçte Fırçalı DC motoru HPWM ile sürmek istiyorum. Duty oranı ile de hız kontrol etmek istiyorum.

Ancak bilindiği gibi 20MHz çalışma için HPWM frekansı KHz mertebelerinden aşağıya inmiyor.

Bu frekanslarda sürülen, ayrıca duty ile oynanıp devir ayarı sağlanan motorun tork kaybına uğrayacağını düşünüyorum. Bu doğrumudur?

Konu hakkında tecrübeli arkadaşların görüşlerine ihtiyacım var.

[z]

Isin ozu diyorsinki;

DC motora ayarli voltaj verecegim ancak, dusuk voltaj uyguladigimda tork dusmesin.

DC motorda tork dogrudan akimla orantilidir. Voltaji dusurursen akim duser, akimi dusurursen tork duser.

Arabada oldugu gibi dusuk devirlerde de yuksek tork  istiyorsan sabit miknatisli DC motor değil alan sargisi olan DC motor kullanacaksin.

Mevcut motor icin;

Hiz regulatoru yaparsan yani motor milinin anlik acisal hizini olcup geri besleme yoluyla motor voltajini denetlersen dusuk hizlardaki kararsizligi yok edebilirsin.

PWM frekansinin cok onemi yok. Frekans ne kadar yuksek olursa ripil o kadar az olacagi icin daha iyidir. Fakat forumdaki pek cok mesajda PWM frekansina kafalarin takilmis oldugunu goruyorum.

Ben Pwm frekansi olarak 16 Khz altini hic kullanmiyorum.

[OG]

Takıldığım nokta, motor enduktansının yüksek frekanslarda yeterince akıma doyamayacak yani tork kazanılamayacak olması düşüncesi.

[z]

Motora AC akim veriyor olsan yani +/- alternanslari esit alana sahip voltaj uygulasan dedigin dogru ama oyle yapmiyoruz ki !

Motora DC palsler uyguluyoruz. Bu durumda frekansin (ripil haricinde) onemi kalmiyor.


Bos bir kovaya yavas hareketlerle su bardagi ile bardak bardak su koymak ile, hizli hareketlerle fincan finsan su koyup kovayi doldurma arasinda fark yok. Foncan kucuk oldugu icin sadece fazladan yorulursun ki bu da anahtarlama kayiplari anlamina geliyor.

[F.T]

pwm frekansının dc motor paketi üzerinde azda olsa bir etkisi var diye biliyorum.hatta 115 vdc 250 amper bir motorda kullanılan frekansın 500hz olduğunu ölçmüştüm.

[pisayisi]

Dc motordan anahtarlama modunda akacak olan akım, motorun elektriksel zaman sabiti olan T=Lm/Rm  nin bir fonksiyonu olduğundan uygulanacak pwm frekansı seçerken zaman sabitini göze almak gerekir. Örneğin 1mh ve 10 ohmluk endüktans ve seri direnç değerlerine sahip bir motor için 10khz anahtarlama frekansı seçilebilir. Motorun endüktansı düştükçe çok daha yüksek anahtarlama frekansında çalışma imkanı doğar. Motorunuzun elektriksel zaman sabitinin tersini alarak optimum pwm frekansına ulaşabilirsiniz. Eğer akustik gürültü gibi sıkıntılar olursa bu optimum değer mecburen yüksek değerlere ötelenebilir. Ancak Tork kaybı kaçınılmaz olur, geribeslemesiz pwm kontrol ünitelerinde orta ve düşük hızlarda tork beklemeyin...

[z]

pwm frekansının dc motor paketi üzerinde azda olsa bir etkisi var diye biliyorum.hatta 115 vdc 250 amper bir motorda kullanılan frekansın 500hz olduğunu ölçmüştüm.

Bahsettiğiniz akım/voltaj değerlerinde frekansın düşük tutulmasının sebebi tam olarak motordan kaynaklanmıyor.

Sözkonusu değerlerde sürücü tasarımı çok fazla özen istiyor. Sürücü PCB devresindeki kaçak endüktansların olumsuz etkisinden dolayı frekansı düşürmek milletin işine geliyor. Düşük frekansda anahtarlama yapmak sürücüyü daha basit kılıyor.

Forumdaki tasarımlarda sürücülerin şemaları veriliyor kimi zaman L293 vs çipler kullanılıyor. Sorun sürücü tasarımında.

Bir önceki yazımda kova örneğini verdim. Burada kovanın dolması olayı, motor sargısından akan akımın yükselmesi ile eşdeğer.

Bardakla yavaş doldurmak ise düşük frekans kullanmak anlamına geliyor. Düşük frekansda Ton süresi uzadığı için akım daha çok tırmanma şansı buluyor. Buna karşılık daha uzun Toff süresi ise akımın daha çok düşmesi anlamına geliyor. Sonuç itibariyle akım belli bir DC değer üzerinde testere dişine benzer rıpıl içeriyor.

Eğer frekansı çok artırırsanız Ton ve Toff süreleri düşüyor fakat Ton/Toff süresi düşük frekansdaki Ton/Toff ile tamamen aynı olduğı için motor akımı gene aynı DC ofset değerini gene aynı zamanda kazanıyor buna karşılık rıpıl yani DC ofset üzerindeki testere dişi salınımın genliği çok düşüyor.

Peki nerede hata yapıyorsunuz?

Bunu gene kovayı su ile doldurma örneğinde açıklayayım.

Sürücü devresinde recirculation elemanlarının gecikmeleri (freewheeling yada MOS diyodlarının reverse recovery süreleri, MOSların iletim gecikmeleri) belli bir DC ofset kazanmış motor akımının Ton süresince artması ardından motor sargılarında devir daim yapması gerekirken beslemeye geri kaçmasına neden oluyor. Eğer bu süreler çok uzun ise yüksek frekansda küçük Ton sürelerindeki akım yükselişleri Toff aşamasında motordan dolaşamadan besleme hattına geri kaçar.
Bir diğer kayıp ise motor direncinin yüksek olması durumudur. Bu durumda sirkülasyon akımı yüksek sargı direncinden dolayı hızla düşecek demektir.

Sirkulasyon elemanlarının iletime geçme sürelerinin uzun olması durumunda ise motor sargısında depolanmış enerji akımın açılması anında kendine yol bulamadığı için anahtarlama elamanlarının uçlarında yüksek voltajlı voltajların endüklenmesine neden oluyor. Haliyle elemanları korumak için eklediğiniz snubber devreleri bu enerjiyi harcayarak ısıya çeviriyor. Sonuçta öyle yada böyle kaçaklar sözkonusu olmuş oluyor. Bu da doğrudan sürücü kalitesi ile ilgili.

Her iki durum da, doldurmak istenen kovada küçük bir delik olması anlamıyla eşdeğer.

Eğer dibi delik kovayı büyük bardakla doldurmak isterseniz fazla sorun yaşamazsınız çünkü bardaktan kovaya boşalttığınız suyun bir kısmı akıp gitsede ikinci bardakla ilave edilen su, kayıp suyu telafi edecektir.

Fakat yüksek frekansda fincan fincan su koyarken koyduğunuz suyun büyük kısmı zaten akıp gitmiş oluyor haliyle ikinci finsan suyu ilave etseniz dahi su seviyesini istediğiniz gibi yükseltemiyorsunuz. Aslında yüksek frekans benzetmesinde fincan yerine çay kaşığı benzetmesi yapmış olsaydım sözkonu benzetmeyi kafanızda daha iyi canlandırabilirsiniz.

Sonuç olarak motor sürücünüzün kalitesini sırf kullandığınız frekansa bağlı olarak bile anlayabilirsiniz.

Mesela 12v motorunuza saf DC 0.5v verdiğinizde motor dönüyor olsun.

Sign magnitude sürüş yapan sürücünüzde PWM de duty oranını ayarlayarak 0.5v değerini elde edin. Bu duty oranını sağladıktan sonra frekansı artırın. Eğer frekansı yükseltiğinizde motor dönemiyorsa demekki hatırı sayılır kaçaklar var demektir. Kaçağın sebebini araştırmalısınız.

Eğer sürücünüz locked anti phase sürüş modunda ise zaten kaçak kaçınılmaz olur ve bu sürüş modunda duty değerini, ortalama değer bağıntısından hesaplayarak elde etmeniz gerekecektir. Bu hesaplamadaki bağıntıda L, R, Ton ve Toff görülecektir. Sözkonusu bağıntıya göre hesaplanmış ortalaması 0.5v olacak duty değerinde motor hala dönemiyorsa gene bir sorun var demektir.

Öte yandan motorun L/R oranından kaynaklanan olumsuzluklarda (özellikle çok yüksek güçlü motorlarda motorun bir çan gibi çınlamasına engel olmak daha doğrusu rıpılı azaltmak için) motora seri endüktans bağlama yoluna da gidilir.