Điều khiển tốc độ động cơ DC trong dải rộng, mômen ổn định

[NEM CHUA]

Em đang làm đồ án, cần điều khiển PID cho động cơ DC, em đang bí cái mạch cầu H cho phép băm xung tần cao cỡ tới 30-50kHz. Em không biết về điện tử nhiều nên lý thuyết chuyên sâu về phần này em không hiểu rõ, em cũng đã theo dõi luồng này từ rất lâu, cả luồng PID nữa và em thấy mạch như đề xuất của thầy namqn rất phù hợp và dễ chế tạo.
Nhưng em thấy mọi người bàn nhiều mà chưa rõ ai đã chế tạo mạch chuẩn theo đề xuất của thầy nampn chưa, và em cũng chưa rõ các thông số linh kiện trong mạch cụ thể. Rất mong mọi ngưởi trong diễn đàn ai đã có sơ đồ mạch chuẩn với thông số linh kiện có thể up lên cho em với ( chắc ở Hà Nội có thể kiếm đủ các loại linh kiện này ). Em đang làm phần kết nối với máy tính và theo cách của anh sphinx để tìm hàm truyền vòng hở động cơ nhờ đáp ứng bước nhảy. Híc mong cái driver quá mà chưa có, mong các anh giúp đỡ, cảm ơn mọi người !

[namqn]

Nguyên văn bởi NEM CHUA

Em đang làm đồ án, cần điều khiển PID cho động cơ DC, em đang bí cái mạch cầu H cho phép băm xung tần cao cỡ tới 30-50kHz. Em không biết về điện tử nhiều nên lý thuyết chuyên sâu về phần này em không hiểu rõ, em cũng đã theo dõi luồng này từ rất lâu, cả luồng PID nữa và em thấy mạch như đề xuất của thầy namqn rất phù hợp và dễ chế tạo.
Nhưng em thấy mọi người bàn nhiều mà chưa rõ ai đã chế tạo mạch chuẩn theo đề xuất của thầy nampn chưa, và em cũng chưa rõ các thông số linh kiện trong mạch cụ thể. Rất mong mọi ngưởi trong diễn đàn ai đã có sơ đồ mạch chuẩn với thông số linh kiện có thể up lên cho em với ( chắc ở Hà Nội có thể kiếm đủ các loại linh kiện này ). Em đang làm phần kết nối với máy tính và theo cách của anh sphinx để tìm hàm truyền vòng hở động cơ nhờ đáp ứng bước nhảy. Híc mong cái driver quá mà chưa có, mong các anh giúp đỡ, cảm ơn mọi người !

Lý do nào bạn cho rằng cần dùng đến tần số 30-50 kHz?

Thân,

[NEM CHUA]

Thưa thầy, em đã thử băm ở tần thấp (cỡ < 10kHz) với IC 33887 thì nói chung động cơ chạy êm nhưng mômen yếu khi ở tốc độ thấp, và khi có tải thay đổi (ở tốc độ thấp) thì động cơ rung và giật, em nghĩ có lẽ do tần số thấp nên dòng trung bình qua động cơ nhỏ. Em muốn có thể dùng động cơ ( không giảm tốc để dải tốc độ được rộng ) có thể chạy êm với mômen không suy giảm ở vùng vận tốc thấp, thế thì việc tăng tần số PWM có phải là giải pháp không ạ, hay có cách khác, thầy giúp em với, Em cảm ơn thầy !

[namqn]

Nguyên văn bởi NEM CHUA

Thưa thầy, em đã thử băm ở tần thấp (cỡ < 10kHz) với IC 33887 thì nói chung động cơ chạy êm nhưng mômen yếu khi ở tốc độ thấp, và khi có tải thay đổi (ở tốc độ thấp) thì động cơ rung và giật, em nghĩ có lẽ do tần số thấp nên dòng trung bình qua động cơ nhỏ. Em muốn có thể dùng động cơ ( không giảm tốc để dải tốc độ được rộng ) có thể chạy êm với mômen không suy giảm ở vùng vận tốc thấp, thế thì việc tăng tần số PWM có phải là giải pháp không ạ, hay có cách khác, thầy giúp em với, Em cảm ơn thầy !

Trước hết, bạn cho biết một số thông số động cơ: công suất, điện áp, kiểu kích từ. Bạn cũng nên cho biết thông tin về tải: hình dạng, kích thước và vật liệu (ước lượng nếu bạn không tự làm).

Tần số không làm thay đổi dòng điện trung bình, mà chỉ ảnh hưởng đến độ nhấp nhô của dòng điện (và do đó, độ nhấp nhô của mômen).

Thân,

[NEM CHUA]

Thưa thầy toàn bộ ý định của em là thế này: Em nhận được đồ án về ứng dụng thuật toán PID điều khiển động cơ DC cho máy CNC với yêu cầu về chính xác vị trí và dải tốc độ cải thiện hơn động cơ bước. Tất nhiên chỉ là mô hình nên em dùng động cơ DC nam châm vĩnh cửu cỡ 3000v/ph áp 24V (loại cũ công suất nhỏ cỡ chỉ 30W).

Em dùng bộ truyền vít me và không dùng hộp giảm tốc ở động cơ vì muốn đạt tốc độ tối đa khi di chuyển k thao tác. Nhưng vì khi thao tác ( gia công ) động cơ lại chỉ đc chạy chậm chỉ cỡ 100-200 v/ph, lúc này lấy tay giữ vít me tạo tải thì động cơ chạy yếu và có vẻ giật cục, và nếu giữ mạnh chút thì MC 33887 reset luôn (vì dòng chịu có 5A nhỏ quá) em nghĩ có thể do động cơ công suất nhỏ, hoặc băm xung tần thấp nên momen yếu hoặc 33887 k ổn định.

Em đang định đặt mua DC 24V 80W trong Sài Gòn có E 1000 xung, để có công suất lớn hơn, nhưng như thế thì em 33887 chắc chắn die vì k chịu nổi dòng khởi đông của con DC ấy. Em đang muốn tìm một Driver chịu dòng lớn và có tần số đáp ứng cao để khắc phục vẫn đề này, mong thầy giúp đỡ !

[namqn]

Các động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu có hằng số mômen cố định, do đó mômen tỷ lệ thuận với dòng điện. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp PWM chính là điều chỉnh điện áp (trung bình) đặt vào phần ứng, do đó không ảnh hưởng đến mômen, nếu như dòng điện phần ứng vẫn được giữ ổn định. Bạn đọc thêm ở đây (phần điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng):
http://namqn.byethost7.com/Motor.php

Việc dùng tay giữ vitme để tạo tải là việc làm hết sức cảm tính. Trước tiên, bạn phải xác định mômen định mức của động cơ dựa vào các thông số định mức (điện áp, công suất, tốc độ). Sau đó mới tìm cách áp tải tương ứng vào để đánh giá chất lượng của mạch truyền động, và không làm cho động cơ quá tải bằng cách ghì vitme mạnh hơn.

Ở tốc độ thấp, độ nhấp nhô của mômen vẫn như cũ (trên lý thuyết), nhưng giá trị tính bằng phần trăm của dao động tốc độ lại tăng lên. Do đó, có thể hiểu được vì sao người ta muốn nâng tần số chuyển mạch ở vùng tốc độ thấp.

Ở điều kiện thử nghiệm của bạn, mômen quán tính của hệ thống là nhỏ hơn bình thường, dẫn đến độ nhấp nhô của mômen cũng lớn hơn bình thường. Bạn nên xem lại cách thử nghiệm.

Một thiết kế đa mục tiêu thường có những điều kiện ràng buộc trái ngược nhau, trong trường hợp của bạn: cần có tốc độ cao để di chuyển nhanh, nhưng lại muốn có mômen lớn khi làm việc ở tốc độ thấp. Với động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu (kích từ thường trực, ở giá trị cố định) thì bạn bắt buộc phải có sự thỏa hiệp: dùng một hộp số có hệ số được lựa chọn sao cho khi di chuyển không thao tác thì tốc độ đủ nhanh, và tạo được mômen ở mức chấp nhận được khi thao tác. Có một số loại động cơ có bản chất chạy ở tốc độ rất cao khi không tải, và có thể tăng cường mômen khi mang tải nặng, tuy nhiên dùng các loại động cơ này thì việc truyền động lại khác.

Thân,

[NEM CHUA]

Em đã đọc bài viết của thầy, và chợt nhận ra rằng mình đã bỏ qua phần tính toán lý thuyết về công suất cần thiết của mỗi trục máy trước khi chọn động cơ, hóa ra em lại làm ngược là chọn động cơ trước, hì , có lẽ lại mất mãy ngày nữa ngồi tính rồi ) .

À nhưng thưa thầy vì động cơ chạy ở tốc độ thấp là chủ yếu nên nếu tần số thấp độ dao tốc độ sẽ lớn ( như thầy nói ) thì sẽ ảnh hưởng đến chất lượng biên dạng chuyển động có phải không ạ ? Vì em muốn đầu dao chuyển động theo một quỹ đạo 2D nên các trục sẽ phải bám theo một biên dạng vận tốc đc tính toán nhờ nội suy, mà nếu độ dao động tốc độ lại lớn thì sẽ hạn chế tác dụng của bộ PID ( em nghĩ thế k biết có đúng k ). Nên có lẽ phải tăng tần số đáp ứng của driever, và có lẽ em sẽ chuyển sang cầu H dùng Mosfet để có dược dòng chịu cao hơn.

Vì em không rành về điện tử nên việc thiết kế Driver là rất khó khăn, mong thầy giúp em với !

[namqn]

Không rõ bạn đã tìm hiểu trong các máy CNC người ta hiện thực hệ truyền động ra sao hay chưa. Đây là điều đầu tiên bạn nên làm. Sau đó xác định các yêu cầu đối với hệ truyền động, rồi mới chọn giải pháp.

Nếu giải pháp được đưa ra sẵn trong đầu bài thì bạn chỉ còn việc cố gắng làm thật tốt thôi. Chú ý rằng nâng tần số PWM thì độ phân giải khi điều chỉnh giá trị duty cycle lại bị giảm (giả sử bạn vẫn dùng cùng một vi điều khiển) => lại cần có một sự thỏa hiệp.

Thân,

[tuoitrequaypha]

Nguyên văn bởi namqn

Ở tốc độ thấp, độ nhấp nhô của mômen vẫn như cũ (trên lý thuyết), nhưng giá trị tính bằng phần trăm của dao động tốc độ lại tăng lên. Do đó, có thể hiểu được vì sao người ta muốn nâng tần số chuyển mạch ở vùng tốc độ thấp.

Giải thích như trên là không đúng! Hehehe...Khi thay đổi chu kỳ làm việc - duty cycle (không ai gọi là "chu kỳ nhiệm vụ" như trưởng lão namqn viết trong đường link về động cơ dc của mình! hehehehe) để điều chỉnh tốc độ thì độ nhấp nhô Tr của mô-men (torque ripple) cũng thay đổi.

Lý do gì mà phần trăm của dao động tốc độ tăng lên? Với cùng một động cơ và dùng cùng tần số PWM thì giá trị phần trăm này chỉ còn phụ thuộc chủ yếu vào thông số thiết kế của bộ PID chứ ít còn phụ thuộc vào trị trung bình của điện áp đặt vào động cơ; tức là không phụ thuộc vào duty cycle nữa. Heheheheeh

[namqn]

Nguyên văn bởi tuoitrequaypha

Giải thích như trên là không đúng! Hehehe...Khi thay đổi chu kỳ làm việc - duty cycle (không ai gọi là "chu kỳ nhiệm vụ" như trưởng lão namqn viết trong đường link về động cơ dc của mình! hehehehe) để điều chỉnh tốc độ thì độ nhấp nhô Tr của mô-men (torque ripple) cũng thay đổi.

Lý do gì mà phần trăm của dao động tốc độ tăng lên? Với cùng một động cơ và dùng cùng tần số PWM thì giá trị phần trăm này chỉ còn phụ thuộc chủ yếu vào thông số thiết kế của bộ PID chứ ít còn phụ thuộc vào trị trung bình của điện áp đặt vào động cơ; tức là không phụ thuộc vào duty cycle nữa. Heheheheeh

Bạn có thể giải thích rõ hơn được không?

Liệu có khả năng khi bạn giảm duty cycle thì giá trị trung bình của điện áp phần ứng giảm xuống, nhưng độ dao động của dòng điện phần ứng vẫn như cũ không? Xét trường hợp tương tự là buck converter ở chế độ dòng điện liên tục chẳng hạn. Khi đó chẳng phải độ dao động của mômen vẫn như cũ hay sao? (Việc chọn thuật ngữ tiếng Việt cho duty cycle vẫn còn chưa được thống nhất, và ở khoa Điện của ĐHBK HCM vẫn có người gọi nó là chu kỳ nhiệm vụ, tôi chỉ là người đi sau, gọi theo cách gọi của người đi trước).

Với cùng hệ truyền động, nếu độ dao động mômen không đổi thì độ dao động tốc độ cũng không đổi, nhưng giá trị trung bình của tốc độ thì giảm đi. Như vậy chẳng phải phần trăm của độ thay đổi tốc độ so với tốc độ trung bình tăng lên hay sao?

Mời bạn cho ý kiến.

Ở đây vẫn chưa bàn gì về bộ điều khiển PID, mà chỉ nói đến hành vi của động cơ đối với phương pháp điều khiển điện áp phần ứng bằng PWM.

Thân,

[tuoitrequaypha]

Nguyên văn bởi namqn

Bạn có thể giải thích rõ hơn được không?

Liệu có khả năng khi bạn giảm duty cycle thì giá trị trung bình của điện áp phần ứng giảm xuống, nhưng độ dao động của dòng điện phần ứng vẫn như cũ không? Xét trường hợp tương tự là buck converter ở chế độ dòng điện liên tục chẳng hạn. Khi đó chẳng phải độ dao động của mômen vẫn như cũ hay sao? (Việc chọn thuật ngữ tiếng Việt cho duty cycle vẫn còn chưa được thống nhất, và ở khoa Điện của ĐHBK HCM vẫn có người gọi nó là chu kỳ nhiệm vụ, tôi chỉ là người đi sau, gọi theo cách gọi của người đi trước).

Với cùng hệ truyền động, nếu độ dao động mômen không đổi thì độ dao động tốc độ cũng không đổi, nhưng giá trị trung bình của tốc độ thì giảm đi. Như vậy chẳng phải phần trăm của độ thay đổi tốc độ so với tốc độ trung bình tăng lên hay sao?

Thân,

Ối giời, trưởng lão namqn dạy đại học mà phát biểu sai cơ bản như thế này sao????!!!

Không có cách nào giữ không đổi ripple của dòng phần ứng khi thay đổi chu kỳ "nhiệm vụ" cả . Buck converter vận hành ở chế độ dòng liên tục cũng vậy, không là ngoại lệ. Trưởng lão về xem lại sách giáo khoa cơ bản điện tử công suất là biết liền chứ không nên đoán mò hết sức là cảm tính như vậy nhé.

Mỗ hỏi thật: trưởng lão đã bao giờ thật sự điều khiển động cơ chưa? Ít nhất là chạy mô phỏng? Có cần mỗ đưa ví dụ và kết quả lên đây để rồi giảng giải cho trưởng lão nghiền ngẫm không? Gì chứ dân BK Hà Nội bọn mỗ rành mấy cái lý thuyết này lắm

Thân,

[namqn]

Tôi thành thật xin lỗi các bạn (đặc biệt bạn NEM CHUA, và bạn tuoitrequaypha) về phát biểu sai của tôi. Tôi cũng chẳng hiểu sao mình lại có cảm giác như vậy về độ nhấp nhô dòng điện và mômen trong động cơ DC.

Tôi đã kiểm tra lại trường hợp dòng điện liên tục trong bộ biến đổi buck, độ nhấp nhô dòng điện tỷ lệ với (1 - D)*D, với D là duty cycle. Do đó, không thể giữ cho độ nhấp nhô dòng điện là không đổi khi thay đổi duty cycle.

Tôi cũng chân thành cám ơn bạn tuoitrequaypha đã phát hiện ra sai sót của tôi (thật may là tôi chưa từng dạy về điện tử công suất ở trường đại học).

Thân,

[namqn]

Nguyên văn bởi namqn

...
Ở tốc độ thấp, độ nhấp nhô của mômen vẫn như cũ (trên lý thuyết), nhưng giá trị tính bằng phần trăm của dao động tốc độ lại tăng lên. Do đó, có thể hiểu được vì sao người ta muốn nâng tần số chuyển mạch ở vùng tốc độ thấp.
...

Vì phát biểu này của tôi là sai, tôi muốn điều chỉnh lại nó. Với trường hợp sử dụng PWM để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ DC, độ nhấp nhô của dòng điện (và mômen, khi kích từ không thay đổi) sẽ lớn nhất khi duty cycle = 50%. Càng về phía các giá trị giới hạn của duty cycle (0% và 100%), độ nhấp nhô của dòng điện (và mômen, khi kích từ không thay đổi) sẽ giảm đi (cải thiện). Việc tăng tần số chuyển mạch luôn luôn có tác dụng giảm độ nhấp nhô dòng điện.

Thân,

[NEM CHUA]

Em vẫn đang theo dõi luồng này mấy hôm nay, và trên cơ sở những ý kiến góp ý của anh tuoitrequaypha và khẳng định lại của thầy namqn thì chắc chắn phải tăng tần số PWM để cải thiện độ nhấp nhô dòng điện (momen), vậy phải bắt tay vào chế cái driver xịn roài, bác nào có sơ đồ bộ Driver (cầu H) nào có tần số cao up giúp em với (em không biết nhiều về điện tử ) !

Híc buồn quá luồng này mở mấy hôm rồi mà k có đại ca nào giúp em với (

[NEM CHUA]

Em đang tham khảo mấy sơ đồ cầu H trong datasheet của mấy em IR2110 và 2103 mà mấy cái tụ với trở trong đó k cho giá trị mới đau , mà các bác cho em hỏi mạch sài em IR này băm tối đa được bao nhiêu kHz thế ?