Контроллер 10 Квт FOC Тестирование

[VasiliSk]

[user]VVK[/user], один из хитроизащренных способов уменьшить нагрев при некоторых режимах коммутации. аля китайские контроллеры на 9 фет, 15 фет и тп..  для тех кто не может равномерно распределить нагрев программно

[alayf78]

насколько я знаю в контроллерах основное - это КЛЮЧИ и их предельные характеристики. по ним и можно понять,на что чисто теоретически может быть способен контроллер. фазные токи будут приближаться к даташитовским ключей  с минимальными потерями на нагрев при переключении при максимально правильном ими управлении.  корявое управление фетами естественно не рассматривается.

то есть если ваши феты IRF4115 к примеру, или IRFB4565 то это получатся совершенно разные контроллеры по надежности при одинаковом алгоритме.

важна так же способность держать фазные удары(а это впрямую зависит от ключей) в случае ошибки холлов или помехах,иначе  часто феты просто разлетаются на куски при этом,хотя замыканий не было нигде.

Есть один хитрый инфинеон кристалайтовский,у которого софт при начале движения руководствуется холлами,а потом только противоэдс-ом. и перегорание холла или его ошибка в процессе езды не приводило к удару .  благодаря этому они были достаточно живучими по сравнению с другими.
или у вас контроллер тоже проччитывает математическую модель двигателя основываясь на начальных данных с датчиков,а потом автономно?

НО МАРКА ФЕТОВ ЭТО ОЧЕНЬ ВАЖНЫЙ ПАРАМЕТР

и еще. Выгорание фетов на контроллерах с напряжением выше 72в обычно происходит с прожогом и оплавлением дорожек,иногда образуются вообще дыры от электрической дуги,которая в этом случае сжигает контроллер как правило полностью,двухэтажность не помогает есть ли защита платы управления от последствий сгорания силового блока?

у меня валяется несколько дохлых контроллеров,есть даже VEC 700 с его 108 фет 120в с прогоревшими платами

[VasiliSk]

[user]alayf78[/user], вы описали детские проблемы Китай контроллеров, все это решается программно и аппаратно. В итоге получается надежная железяка которую должно быть сложно убить ошибкой в коде.

[T-Duke]

на ключах из 4 ключей снизу и двух сверху на один полумост.

Это как и зачем?

Чтобы объяснить нужен экскурс в силовую электронику и топологию преобразователей. Если коротко, то инвертор контроллера состоит из трех полумостов, каждый для своей фазы. Полумост - это один ключ снизу истоком (или эмиттером для IGBT) сидящий на земле. А второй ключ - сверху стоком подцеплен на шину питания. В точке соединения ключей подключена нагрузка. Полумост - это классический чоппер-бустерный преобразователь. При чем двунаправленный. Он может работать как на понижение напряжения(повышение тока) в нагрузке - режим чоппера, так и наоборот - на повышение напряжения (понижение тока) на шину питания, если нагрузка представляет собой генератор (режим бустера).

Так вот каждый полумост в инверторе, когда вертит двигатель - работает как step-down преобразователь. То есть понижает напряжение на нагрузке, повышая при этом ток. Все это дело регулируется коэфф. заполнения ШИМ. 

Пример:

Допустим питание у нас 48В. Если контроллер в какой-то мнгновенный период времени, задал коэфф заполнения ШИМ 10%, то на нагрузке установится напряжение величиной 10% от напряжения шины - 4.8В. И ток установится такой, какой нагрузка обезпечит при данном напряжении. При сопротивлении обмоток двигателя например 0.1Ом, ток через двигатель составит 48А. А вот от батареи будет потребляться в 10 раз меньше - 4.8А. Это и есть основной принцип работы полумоста в режиме понижающего преобразователя. Иногда такие преобразователи даже сравнивают с трансформаторами, но преобразующими постоянный ток, то есть из постоянного в постоянный. Понятное дело что это получается посредством ипульсного тока, но на входе и выходе токи  примерно постоянны.

Путем несложных выкладок с формулами (не буду здесь растекаться мыслью), можно показать, что в режиме как двигателя, так и генератора ток в двигателе/генераторе всегда выше тока батареи. То есть фазный ток на частичных нагрузках  - всегда превышает батарейный ток. Равенство фазного и батарейного тока наступает только на максимальных оборотах.

Поэтому число нижних ключей очень часто делают больше чем число верхних. Так как транспорт в основном ездит на скоростях меньше максимальной, то в среднем фазный ток в три-пять раз превышает батарейный ток. В режиме частых разгонов-торможений еще больше. То есть асимметрия налицо. Для учета этой асимметрии и увеличивают число нижних ключей. Так как фазные токи большую часть периода протекают через открытые нижние ключи инвертора.

Для мощных инверторов - делать число ключей одинаковым не очень хорошоее решение. Так как снизу будет ощущаться нехватка ключей, а сверху они недогружены. Симметричные решения нужны только там, где двигатель работает продолжительное время в режимах близких к максимальным оборотам.

В общем это если кратко ответить. А если развернуто, то можно пару страниц написать, что разумеется здесь излишне.

[T-Duke]

[user]alayf78[/user], вы описали детские проблемы Китай контроллеров, все это решается программно и аппаратно. В итоге получается надежная железяка которую должно быть сложно убить ошибкой в коде.

Частично согласен. Когда только разрабатывал первые пртотипы своего сервоконтроллера, то бывали и сгоревшие ключи и взрывающиеся датчики тока и прочие интересности. Сейчас у меня все разделено на аппаратную защиту и программную. Аппаратная срабатывает примерно за 3мкс и то это отчетливо слышно, когда ударный импульс тока шины приводит к срабатыванию защиты. Ну и дополнительно защита в софте реализована. Благо контроллеры STM32 умеют это делать.

Но все же ключи немаловажная часть. Раньше я ставил IRFP4110 Все конечно работало, но некоторые казусы заставили перейти, на более тяжелые ключи. Даже несмотря на то, что они более медленные в плане динамических потерь, но зато резко более живучие и выдерживают издевательства, которых более мелкие ключи долго не терпят.

Так же тут справедливо заметили про ошибки датчиков Холла. Это вообще отдельная опера. Я много времени провел над алгоритмом борьбы с ложными срабатываниями датчиков и нештатными ситуациями. Кроме того, масло в огонь подливает то, что в большинстве мотор-колес, провода от датчиков Холла совсем не защищены экраном и идут вплотную с фазными проводами, при чем на довольно значительном расстоянии. В них наводятся не хилые помехи от инвертора. И простые RC-фильтры на входе сигналов от датчиков, не всегда могут справиться с помехами, иногда проскакивают ложные срабатывания часто на фронтах сигнала. Короче тривиальные решения не всегда работают. В конце-концов занялся безсенсорным алгоритмом определеня положения ротора. А датчики Холла просто для подстраховки. Короче надежная и качественная работа контроллера - это плод не одного месяца работы над ним.

[mevial]

Короче надежная и качественная работа контроллера - это плод не одного месяца работы над ним.

Если не секрет, то какой брэнд вы представляете, какие продукты можете предложить?
По асимметричному количеству ключей я думал это фишка китайконтроллеров, ведь у них ШИМ именно на нижние ключи приходится, верхние просто висят на коммутации.

[VasiliSk]

А тем временем ко мне в гости забегал автор темы, покрутили мы моторы немножко


https://youtu.be/fXUb3Wjajik
С синусным управлением и цепь звенит меньше

[T-Duke]

Короче надежная и качественная работа контроллера - это плод не одного месяца работы над ним.

Если не секрет, то какой брэнд вы представляете, какие продукты можете предложить?

Не, я не представляю брендов, разрабатываю контроллер для себя. Освещал процесс его создания на другом ресурсе, с которого таки ушел из-за некоторых разногласий. Если же будет необходимость, то могу разработать нужные прдукты транспортной тематики. Например видоизменив текущий контроллер, могу получить двухканальный векторный транспортный контроллер, с функцией ABS и в перспективе ASR и даже курсовой устойчивости. Ну например полноприводный велик, или скуттер. Или один контроллер на ось для трех-четерехколесного ТС). Но это пока не очень актуально, так как я на велике уже практически не езжу. Автомобили развратили 
Пока ничего предлагать не хочу, просто увидел, что здесь люди занимаются хотя бы родственными вещами и решил зарегистрироваться, поинтересоваться как у них обстоят дела и просто пообщаться с людьми которым не чужда тематика современного электропивода. Ну и транспортные решения все таки интересуют. Автомобили конечно сильно удобнее, но иногда хочется тряхнуть стариной

Ну а по своему контроллеру - он далеко ушел от транспортного. Задачи у него другие. Это двухканальный сервоконтроллер, для обеспечения работы двух бесколлекторных сервоприводов с токами фаз до 30А. В реале ток может быть выше 100А, ключи потянут, но мне это не нужно пока. В контроллере предусмотрен режим работы с энкодерами, но основной упор делается на безсенсорную работу без энкодеров. Сам контроллер я планирую использовать в чпу-тематике, но силовая часть ничем не отличается от транспортных контроллеров. А алгоритмы работы значительно превосходят требования транспортных контроллеров, по пульсации момента, компенсации инерции ротора и нагрузки. Сейчас работаю над подавлением высших гармоник и нелинейных эффектов инвертора. Это все нужно для чпу-систем. Для транспортного применения это избыточно, но запас алгоритмов в прошивке, карман не тянет. Испытание провожу на китайских мотор-колесах, так как эти двигатели - настоящий вызов для проектировщика сервоконтроллеров. Одни линейные и нелинейные фифекты магнитной системы китайского мотор-колеса чего стоят. А так же неравномерность тиков холлов и другие "вкусности". Именно на китайских моторах можно и получить хороший полигон для исследования сервопривода.

Вот поэтому моя тематика очень родственна тематике тем в этой ветке сайта. Просто она более расширена на сервосистемы высокой динамики.

По асимметричному количеству ключей я думал это фишка китайконтроллеров, ведь у них ШИМ именно на нижние ключи приходится, верхние просто висят на коммутации.

Ну это не векторные контроллеры. Это обычные BLDC с блочной коммутацией. Ну а ШИМ-ить нижние ключи для блочной коммутации не очень правильно, так как коммутировать нижние ключи, где токи выше - создавать дополнительные динамические потери. Лучшее всего ШИМ-ить именно верхние ключи, а нижние просто держать открытыми в соответствии с таблицей 6-шаговой коммутации. Но это все пройденный этап для меня. BLDC и блочная коммутация не представляют для меня практического интереса, так как пульсации крутящего момента велики и для сервосистемы это никуда не годится. Плюс точное позиционирование ротора невозможно. Я ушел в сторону векторного управления (FOC по буржуйски). Одна из вкусностей векторного управления - это плавность вращения и практически полное отсутствие аккустических шумов по причине работы инвертора. Остаются шумы подшипников и шумы неравномерности вращения из-за разных фифектов малых порядков. Но это все интресно только для сервосистем.

Векторный контроллер, легко можно отличить от блочного по звуку работы двигателя и характерному тарахтению под нагрузкой. Ну в общем как трактор. Давно когда-то снял видео работы контроллера в двух режимах - в режиме блочной коммутации и в режиме векторного управления. Разница в акустике колоссальна, особенно под нагрузкой:
https://youtu.be/U8vnnenLoTo

При чем векторый алгоритм тогда работал не в бессенсорном варианте, а на основе информации от датчиков Холла и все таки наблюдалась некоторая неравномерность вращения из-за неравномерности тиков холлов. Переход на бессенсорное управление дает максимально равномерное и тихое вращение. Лучшего результата можно добиться только используя энкодеры и резольверы. Но это все специфика сервосистем. Для транспорта это все ненужности и хватает даже холлов, а бессенсорный алгоритм - полностью удовлетворит все потребности.

Ну и для примера скину видео давнего прототипа двухканального контроллера. В текущем варианте он сильно поубавил в размерах и стал надежнее На нем сейчас исследую разные нелинейные фифекты, гармоники фазных токов их влияние на стабильность бессенсорного режима.
https://youtu.be/_u9vcscvwic

И да, тоже сделал стенд наподобии показанного выше. Иногда полезно проверять работу двуканального контроллера, соединив каналы механически и дергая двигатели поочередно.

[on4ip]

[user]T-Duke[/user], А под нелинейностями инвертора вы что понимаете, а еще очень интересно у вас серва по положению работает? И какие диапазоны регулирования, и как на примере на 2 % номинальной скорости удержание момента происходит? Я тут как раз сервой для робота занимаюсь.=)
По поводу управления мы такую штуку тоже заложили, а до этого проект делали для 16 колесного тягоча, я  к тому что управление независмое колесами очень увлекательная задача.

[T-Duke]

[user]T-Duke[/user], А под нелинейностями инвертора вы что понимаете, а еще очень интересно у вас серва по положению работает? И какие диапазоны регулирования, и как на примере на 2 % номинальной скорости удержание момента происходит? Я тут как раз сервой для робота занимаюсь.=)
По поводу управления мы такую штуку тоже заложили, а до этого проект делали для 16 колесного тягоча, я  к тому что управление независмое колесами очень увлекательная задача.

Нелинейности инвертора - предмет исследований во всем мире. Есть публикации еще с 90-х годов и даже раньше. Главное здесь поведение тока при переходе через ноль. То есть ступенька, если когда-то делали аудиоусилитель выходной каскад которого работает в классе B , то сталкивались с этим. Так же сюда относится мертвое время ключей, время открытия и закрытия, нелинейности сопротивления ключей в открытом состоянии и прочее. Короче тема не так тривиальна. Ею занимаются многие исследователи в мире. Активно занимаются этим корейцы и японцы. Ну и вообще в темах сервопривода и транспортного привода много интересного. Например SRM и продвинутые IPMSM, которые держат первое место по удельным параметрам.

Диапазон регулирования ограничен во первых разрешением ШИМ в моем случае  12.87бит, во вторых нелинейными фифектами при малых токах, что не позовляет уверенно регулировать слишком малые моменты и в третьих временем сервоцикла. Оно оказывает преимущественное влияние на динамику. У меня частота ШИМ когда-то достигала 48кГц (пробовал даже 64кГц), а частота дискретизации - 96кГц, то есть две оцифровки на один период ШИМ. Это все для достижения высокой динамики токовых регуляторов. Но по мере развития алгоритмов, а особенно после внедрения бессенсорного алгорима и разных компенсаций, типа компенсации нелинейности холлов, нагрузка на камень резко выросла И частоту ШИМ пришлось понизить до 32кГц, а частоту дискретизации до 64кГц. При этом в параллели работают два векторных и два бессенсорных алгоритма. Если одноканальный случай, что все можно ускорить в 2 раза. Я вот задумываюсь о переходе на ядро Кортекс-М7, чтобы восполнить нехватку производительности. Или даже на двухядерный Дельфино от ТИ. Для управления приводом, камни от ТИ резко вкуснее. Просто не хочется слазить с насиженной архитектуры - STM32.

Удержание момента возможно на любой скорости в том числе и на нулевой. Этим занимается регулятор положения, или скорости, в зависимости от требуемого. В простом случае это ПИД-регулятор в нужной петле ОС. А если нужно удержание и момента и скорости используется каскадированное решение из цепочки регуляторов. В общем классика сервосистем. Вот с энкодером все прекрасно получается. Но я себе поставил задачу без энкодера это делать. А это требует бессенсорного алгоритма, который работает с нуля Гц. В общем задача не тривиальна, но интересна.

[VVK]

Для мощных инверторов - делать число ключей одинаковым не очень хорошоее решение. Так как снизу будет ощущаться нехватка ключей, а сверху они недогружены. Симметричные решения нужны только там, где двигатель работает продолжительное время в режимах близких к максимальным оборотам.

Спасибо, вы меня просветили

Переход на бессенсорное управление дает максимально равномерное и тихое вращение

У вас безсенсорный режим векторный? По BEMF делаете? С какой скорости работает и каким алгоритмом стартуете?

Сколько датчиков тока используете для FOC ?

Может лучше отдельную тему по вашему контроллеру создадите?

[on4ip]

Для мощных инверторов - делать число ключей одинаковым не очень хорошоее решение. Так как снизу будет ощущаться нехватка ключей, а сверху они недогружены. Симметричные решения нужны только там, где двигатель работает продолжительное время в режимах близких к максимальным оборотам.

Ну как мне кажется очень уж громкое заявление, распределение нагрузки по ключам это вопрос закона модуляции и коммутации. Так то мы и на мегаватт делали преобразователь и его тепловые исследования показали равномерный нагрев плечей и транзисторов.

[T-Duke]

У вас безсенсорный режим векторный? По BEMF делаете? С какой скорости работает и каким алгоритмом стартуете?

Сколько датчиков тока используете для FOC ?

Может лучше отдельную тему по вашему контроллеру создадите?

Да, режим безсенсорный векторный. Да, по противо-ЭДС на основе лоенбергеровских обсерверов с некоторыми своими модификациями. Хотя плотно изучил целую стопку статей научных и склоняюсь к обсеврерам на основе магнитного потока, а не противо-ЭДС. Они блее устойчивы на низах. Безсенсорный начинает уверенно работать под нагрузкой, начиная со скорости поля 15Гц - электрическая скорость 5400градусов/с механическая скорость 60об/мин. Старт без нагрузки происходит вообще без пинка даже. При подаче напряжения в начале возникает небольшая подвижка ротора и алгоритм тут же ее подхватывает. А под нагрузкой приходится стартовать на холлах и переключаться на холлы, когда порог скорости ниже критического.
Однако почти реализован алгоритм определения положения ротора начиная с неподвижного состояния, на основе инжекции ВЧ колебаний в статор. При комбинации этого алгоритма с классическим алгоритмом на противо-ЭДС, холлы вовсе становятся излишними и могут быть только на всякий случай, для повышения надежности.

В контроллере использую два датчика тока на двигатель, то есть четыре на контроллер.

Может лучше отдельную тему по вашему контроллеру создадите?

В последние годы я разочаровался во форумах, хотя в основном все зависит от контингента. В общем пока осваиваюсь, присматриваюсь к форуму, дальше видно будет. Создать тему не вопрос, гоавное созреть

[T-Duke]

Ну как мне кажется очень уж громкое заявление, распределение нагрузки по ключам это вопрос закона модуляции и коммутации.

Не соглашусь. Применительно к двигательной тематике, фазные токи всегда  выше токов шины, если частота двигателя ниже максимальной. Через нижние ключи протекает ток в N раз выше чем через верхние. Где N=1/D.  Если несогласны приведите доказательство. То о чем я говорю, можно найти в любой книге по силовой электронике в разделе где описываются step-down преобразователи. Как не коммутируй ключи, токи через нижний ключ в понижающем преобразователе всегда выше, чем через верхний. Если двигатель работает ниже максимальных оборотов это всегда так.

Можете даже в симуляторе проверить то о чем я говорю. И выставить сюда скрины.

И это. Китайцев не нужно считать дураками. Они неплохо копируют готовые проверенные технические решения, которые разработали или у нас, или японцы, или пиндосятники или в гейропе. И если китайцы ставят в нижние полуплечи больше ключей - значит они скопировали правильное решение. Тут нечему удивляться, просто нужно признать что мир многограннее и всего знать просто невозможно.

[VasiliSk]

[user]T-Duke[/user], есть разные режимы ШИМа. от земли, от центра, от верха или комбинация тех или иных режимов. мотор так или иначе не привязан к шине земли, в отличие от Step-down преобразователя, поэтому токи могут бегать по разному. И уточню, это не ток протекает в N раз выше через нижние, ток протекает примерно одинаковый что через верхние что через нижние (если рассматривать режим устоявшейся нагрузки и скважности). Это длительность импульса разная у верхнего и у нижнего плеча в step-down преобразователе. В случае же трёхфазной системы тут можно широко играться со средней точкой шима, где она находится. Поэтому делать усиленное плечо лишено смысла, в одном месте будет запас, в другом не будет. Дать больше тока чем самое слабое звено не получится. Только с точки зрения потерь при некоторых режимах коммутации (всегда нижние открыты большую часть времени) выгодно ставить несимметричное плече. Но допустимый пиковый ток это не увеличивает.

[on4ip]

У вас безсенсорный режим векторный? По BEMF делаете? С какой скорости работает и каким алгоритмом стартуете?

Сколько датчиков тока используете для FOC ?

Может лучше отдельную тему по вашему контроллеру создадите?

Да, режим безсенсорный векторный. Да, по противо-ЭДС на основе лоенбергеровских обсерверов с некоторыми своими модификациями. Хотя плотно изучил целую стопку статей научных и склоняюсь к обсеврерам на основе магнитного потока, а не противо-ЭДС. Они блее устойчивы на низах. Безсенсорный начинает уверенно работать под нагрузкой, начиная со скорости поля 15Гц - электрическая скорость 5400градусов/с механическая скорость 60об/мин. Старт без нагрузки происходит вообще без пинка даже. При подаче напряжения в начале возникает небольшая подвижка ротора и алгоритм тут же ее подхватывает. А под нагрузкой приходится стартовать на холлах и переключаться на холлы, когда порог скорости ниже критического.
Однако почти реализован алгоритм определения положения ротора начиная с неподвижного состояния, на основе инжекции ВЧ колебаний в статор. При комбинации этого алгоритма с классическим алгоритмом на противо-ЭДС, холлы вовсе становятся излишними и могут быть только на всякий случай, для повышения надежности.

В контроллере использую два датчика тока на двигатель, то есть четыре на контроллер.

Может лучше отдельную тему по вашему контроллеру создадите?

В последние годы я разочаровался во форумах, хотя в основном все зависит от контингента. В общем пока осваиваюсь, присматриваюсь к форуму, дальше видно будет. Создать тему не вопрос, гоавное созреть

Ну про инжекцию сигнала поподробнее? У вас тип двигателя SMPM? или IPM?
И вы не ответили на мой вопрос что у вас с регулирование на низких скоростях? Очень же интересно, что за такое чуда бездатчиковая серва и что она делает. У вас случаем наблюдатели не с конечно шаговой сходимостью?

[T-Duke]

[user]T-Duke[/user], есть разные режимы ШИМа. от земли, от центра, от верха или комбинация тех или иных режимов. мотор так или иначе не привязан к шине земли, в отличие от Step-down преобразователя, поэтому токи могут бегать по разному. И уточню, это не ток протекает в N раз выше через нижние, ток протекает примерно одинаковый что через верхние что через нижние (если рассматривать режим устоявшейся нагрузки и скважности). Это длительность импульса разная у верхнего и у нижнего плеча в step-down преобразователе. В случае же трёхфазной системы тут можно широко играться со средней точкой шима, где она находится. Поэтому делать усиленное плечо лишено смысла, в одном месте будет запас, в другом не будет. Дать больше тока чем самое слабое звено не получится. Только с точки зрения потерь при некоторых режимах коммутации (всегда нижние открыты большую часть времени) выгодно ставить несимметричное плече. Но допустимый пиковый ток это не увеличивает.

Паттерн шима ничего общего не имеет со средними токами через фазы. Не играет роли какой паттерн. В SVM можно разные способы щелкания ключами избрать. Но средний ток через фазы всегда выше, чем ток шины. Ребята, ну может кто-то хотя бы в симуляции проверит? А? Инвертор - это три step-down преобразователя работающие на соединенные в одной точке индуктивности. При чем сдвиг фаз таков, что ток двух фаз протекает через открытый нижний ключ третьей фазы.

И если мы из 48В постоянки, делаем 4.8В переменки, то разница в токах фазы и батареи как раз и будет в 10 раз.

Хотя мне то что? Заблуждаться ваше право. Поэтому я и разочаровался во форумах из за споров с теми, кто не утруждает себя доказательствами. Ладно, позже попробую набросать в симуляторе схему и снять характеристики токов через ключи.

[T-Duke]

Ну про инжекцию сигнала поподробнее? У вас тип двигателя SMPM? или IPM?
И вы не ответили на мой вопрос что у вас с регулирование на низких скоростях? Очень же интересно, что за такое чуда бездатчиковая серва и что она делает. У вас случаем наблюдатели не с конечно шаговой сходимостью?

Даже SPMSM имеют небольшой saliency и могут работать на алгоритме инжекции ВЧ. Просто в IPMSM разница в индуктивностях по осям резко выше и алгоритм реализовать проще. Это вообще не новость что инжекцию ВЧ можно реализовать на SPMSM даже публикации есть на эти темы.

Дальше, вы видимо невнимательно читаете мои посты. На низких скоростях я переключаюсь на холлы и только работаю над алгоритмом ВЧ инжекции, который решит вопросы довольно точного регулирования на низких скоростях. А пока не готов алгоритм инжекции ВЧ, низкие скорости успешно разрешаются применением энкодера.

Ну и вообще-то странно требование отвечать на вопросы, если вы даже ключи свои не хотите озвучить  Так что каков привет, таков и ответ. Ну и прошу прощения за вторжение во вашу тему. Я все таки поспешил, видимо когда-то придется открыть свою.