Sterowanie silnika BLDC 24V

Witam muszę zrobić sterowanie do silnika trójfazowego BLDC o nominalnym napięciu 24V, chciałem pierwotnie wzorować się na takim artykule link. Plan był taki, żeby dla każdego półmostka obydwa tranzystory sterować PWM z mikrokontrolera. Trochę mi zaczął życie komplikować fakt, że nie mogę sobie wysterować pmosa sygnałem z klucza o poziomach 0V i 24V, bo maks napięcie Ugs zazwyczaj wynosi +-20V. Myślałem, żeby wstawić po prostu w kolektor dzielnik napięcia, bo to rozwiązuje problem z poziomami napięć, tylko z drugiej strony ten prąd płynący przez dzielnik przy przełączaniu dosyć psuje sprawę, ponieważ chciałbym, żeby PWM miał częstotliwość kilkudziesieciu kHz i przy zakładam, że silnik może ciągnąć te 120W, więc parę amperów przez te mosfety będzie lecieć. Mój schemat na załączonym obrazku. Jako nmosa wybralem irf7201, a pmosa irf5305.

Moje pytanie jest takie, co o tym sądzicie i czy w ogóle jest sens brnąć w tą stronę, czy ten dzielnik można sensownie zastąpić czymś innym. Ewentualnie czy możecie mi polecić jakieś inne rozwiązania, jeżeli chodzi o sterowanie takim silnikiem przy wspominianych paramterach?

Nie ukrywam, że zależy mi, żeby to sterowanie było możliwie proste i fajnie by było, gdyby używając załóżmy jakiś dodatkowych scalaków, dałoby się to wszystko wcześniej jakoś złożyćna płytkach uniwersalnych i przetestować.

Trochę dziwne, że nie poczytałeś o tym trochę tylko próbujesz zrobić pierwsze co brzegu do głowy przyszło. Driverów MOSFETów jest dzisiaj pewnie ze sto rodzajów. Gdybyś np. wziął taki:

https://www.tme.eu/pl/details/irs2104pbf/drivery-mosfetigbt/infineon-irf/

to masz

- sterowanie jednym sygnałem obu tranzystorów,
- oba są NMOS więc mogą być dobre i tanie,
- napięcie zasilania mostka przestaje Cię obchodzić i nie zależy od jakichś dziwnych dzielników,
- prądy sterowania bramek są przewidywalne i zawsze takie same,
- napięcie sterowania bramki tak górnego jak i dolnego zależy jedynie od zasilania drivera - zrobisz 10V to masz zawsze prostokąt 0-10V względem źródła każdego z tranzystorów.

W tej samej rodzinie są i pięć razy mocniejsze i takie z programowanym lub predefiniowanym rozsunięciem (czasem martwym) i wersje tylko low- lub tylko high-side, do wyboru do koloru. Choć akurat na Twoje potrzeby ten 2104 w DIPie pasuje do eksperymentów jak ulał.

Wykonałem ten projekt "Silnik BLDC: Projekt sterownika" jak równiez sterownik w oparciu o układ MC33035. Kazdy z tych układów wymaga również duzo ustawien aby działał prawidłowo. Moment startu jest krytyczny. Lepiej działa pierwszy opisany. Jet równiez opcja wykorzystania ST7....

Jeszcze jest temat czujników położenia.

Nie ma co kombinowac i na poczatek polecam opcje nr.1

pozdrawiam

Wziąłem się za ten projekt akurat, ponieważ był dobrze rozpisany i prosty koncepcyjnie i widziałem przeglądając sieć, że dużo osób się na tym wzoruje albo stosowane są podobne rozwiązania. Ten scalaczek, który podesłałeś wygląda bardzo fajnie (szczególnie, że to, że jednym wyjściem od razu dwa tranzystory da się wysterować i ten deadtime), tylko mam kilka wątpliwości odnośnie poziomów napięć, bo trochę niejasne są dla mnie niektóre rzeczy z datasheet w połączeniu ze stwierdzeniem "napięcie sterowania bramki tak górnego jak i dolnego zależy jedynie od zasilania drivera - zrobisz 10V to masz zawsze prostokąt 0-10V względem źródła każdego z tranzystorów". Chciałbym wysterować driver sygnałem z mikrokontrolera o poziomach 0 - 3,3V, gdzie półmostek będzie zasilany z 24V. Powiedzmy, że analizuję sobie taki obwód z typowej aplikacji, jaka jest przedstawiona w datasheet. I teraz tak, bo w dokumentacji jest tak wytłumaczone, że VCC to "Low-side and logic fixed supply voltage", czyli do vcc nie podpinam 3.3V tylko napięcie na przykład 12V i wtedy na wyjściu LO będę miał sygnał o poziomach 0 i 12V tak? I jak to będzie wówczas z tranzystorem górnym tj. jakimi poziomiami bęzie on sterowany z wyjścia HO? Też 0 i 12V? I jakie jest napięcie na pinie VS? Pytam tak o te poziomy, bo zastanawiam się czy nmosy, które posiadam będą się nadawać np posiadam IRF540

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

Tak, to właśnie tak działa. Dolny driver jest zasilany wprost z VCC kostki, to może być np. 12V i tyle zobaczy względem prawdziwej masy GND dolny MOSFET - to jest ta łatwa część.

Górny driver ma pływające zasilanie tj. odpięte całkowicie od GND. Jego dolne zasilanie (coś jakby jego masa) to pin Vs scalaka a górne to Vb i pomiędzy tymi dwoma napięciami przełącza się wyjście HO.

Zewnętrzny układ diodowo-kondensatorowy jest pompą ładunkową. Gdy mostek jest w stanie niskim (przewodzi dolny MOSFET), kondensator jest ładowany przez diodę do napięcia VCC. W tym stanie Vs=0V, Vb=12V(-0.6V na diodzie) a kondensator jest naładowany. W chwili gdy scalak dostanie na wejście stan wysoki, dolny MOSFET jest wyłączany a w chwilę później HO podjeżdża do poziomu Vb i rozpoczyna się proces przełączania mostka. Napięcie środkowe zaczyna rosnąć, rośnie Vs i tak samo rośnie Vb (kondensator nie zmienia swojego ładunku). Dzięki tej pojemności różnica Vb-Vs (ok. 11V) zostaje zachowana mimo, że środek mostka mógł podjechać o setki woltów w górę. W międzyczasie wyłączyła się dioda, żeby rosnące Vb nie "przelało się" do Vcc. Ta załączy się znowu i zasypie ubytek ładunku w kondensatorze gdy mostek opadnie do stanu niskiego.

Podumowując: Napięcie bramek obu tranzystorów zmienia się od 0V do okolic Vcc drivera zawsze liczone względem ich źródeł, niezależnie od stanu mostka. Jeśli zapewnisz 12-15V do będzie to idealnie dla starutkich IRF540.

Vcc nie ma nic wspólnego z wejściowymi poziomami logicznymi. Musisz tylko zapewnić, by jedynka logiczna była > 2.5V a zero < 0.8V.

Jak widzisz do prawidłowego działania tego układu potrzebne jest przełączanie mostka. Innymi słowy nie można zostawić PWMa w stanie wysokim na dłużej (w niskim można dowolnie długo), bo rozładuje się kondensator i napięcie bramki górnego MOSFETa zdechnie. Na szczęście są to czasy rzędu dziesiątek/setek milisekund niespotykane w driverach tego typu.

---------------------------

EDIT: W typowych, bezczujnikowych aplikacjach driverów BLDC konieczne jest wykrywanie back-EMF w gałęzi niesterowanej. To wymaga wyłączenia obu tranzystorów więc potrzebujesz scalaka z dwoma wejściami - w tej rodzinie na pewno taki jest. Planujesz czujniki Halla w tym silniku?

Dziękuję za wyjaśnienie, teraz już jest dla mnie to jasne. Jeszcze jedno pytanie mi się nasuneło - jak sobie przeglądałem ten artykuł, o którym pisałem w pierwszym poście, to tam jak był rozpisany cykl komutacji i każda faza mogła być w stanie niskim, wysokim, albo niepołączona. No i pytanie jak tu osiągnąć stan niepołączony. Czy trzeba za pomocą pinu /SD wyłączyć wówczas sterownik? Co do tego back-EMF, to chyba nie będę w ogóle tego stosował, bo czytałem że to nie jest najlepsze rozwiązanie i ta siła też jest proporcjonalna do obrotów i przy małych prędkościach to średnio działa. Mój silniczek ma od razu w sobie czujniki Halla i to je planuje wykorzystać, aczkolwiek jeszcze nie planowałem jak ma wyglądać tor pomiarowy i integracja z mikrokontrolerem. Muszę właśnie zaraz zobaczyć sobie jak wygląda sygnał z tych czujników. W przyszłości ma być jeszcze enkoder gdzieś tam zamontowany, ale na razie póki dysponuję czujnikami Halla, to ich użyję.

Back-EMF nie działa przy starcie wcale a przy niskich obrotach tak sobie, ale przecież gdy silnik czujników nie ma, innego wyjścia też nie ma. Sterownik musi wiedzieć w jakim położeniu jest wał więc jakaś metoda musi być zaimplementowana. Jeśli masz czujniki to odpada 80% najgorzej roboty. Mam wrażenie, że mimo planów budowy nie bardzo się orientujesz w temacie. Może zacznij od tego:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00857a.pdf

Zaraz na początku masz pokazane jak wygląda podstawowy algorytm komutacji. Każdy z trzech mostków musi umieć podciągnąć swoją fazę silnika do plusa, do masy lub odwiesić ja wolno (Figure 2). Na tym samym wykresie masz też sygnały z czujników informujących o położeniu wału. Nie musząc analizować back-EMF to właściwie zostaje generacja PWM na odpowiednich mostkach w zależności od kombinacji sygnałów z czujników. Przeczytaj wszystko do końca a na pewno wiele się wyjaśni.

Odnośnie Back-EMF to zgadzam się i użyję czujników Halla'a - jeszcze tylko kwestia znalezienia efektywnego rozwiązania z perspektywy zasobów mikrokontrolera. Obejrzałem sobie dziś na oscyloskopie przebiegi z czujników i wygląda to bardzo obiecująco - wydaje się że, to tylko kwestia detekcji fazy.

A co do tych przebiegów i artykułu, to na pewno jutro do niego zajrzę, ale chyba trochę się niejasno wyraziłem - oczywiście jestem świeży w temacie. Ja wiem jak wygląda ten cykl komutacji -> na wyjściu mostka jest albo stan niski, albo wysoki, albo wysokiej impedancji. No i teraz o ile jak bez tego drivera, co wysłałeś, rozumiem co trzeba podać na tranzystory, żeby uzyskać każdy z tych trzech stanów, to nie wiem jak to jest w przypadku tego drivera. I teraz znowu przy założeniu, że rozpatrujemy wariant z typowej aplikacji z datasheet, to zakładając, że na wejście IN podam z uC logiczne '0' to na wyjściu mostka dostanę stan niski, a jak podam logiczne '1' to stan wysoki. I moja wątpliwość dotyczyła tego w jaki sposób osiągnąć stan wysokiej impedancji na wyjściu mostka i to co mi przyszło do głowy, to to, czy nie trzeba użyć tego pinu /SD, żeby wyłączyć oba tranzystory? I dlatego zapytałem o ten pin i czy dobrze kombinuję?

Tak, oczywiście. Żeby wyłączyć oba tranzystory na raz trzeba podać na SD stan niski - wykres Figure 1 w Datasheet lub schemat "Functional Block Diagram" tamże.

Komutacja mostka w takim zastosowaniu raczej rzadko będzie polegać na załączeniu jedynki na stałe (tj. na cały okres załączenia danej fazy). Wykresy sterowania (odnoszę się do noty Microchipa) interpretuj tak:

- w stanie float mostek jest wyłączony tj. SD=0, IN=0 i ta faza nie bierze udziału w sterowaniu silnika,
- w stanie -V mostek przywiera fazę do masy, czyli SD=1, IN=0 a więc prąd będzie tu wpływał z jakiejś innej fazy do GND,
- w stanie +V na mostek podajesz PWM i to jest w danej chwili jedyne zasilanie silnika (zawsze tylko jedno).

Teraz, w zależności od wypełnienia PWMa masz mniejszą lub większą moc silnika. Tylko tak możesz sterować BLDC, bo procesor robi tu za głupi, "mechaniczny" komutator jak w silniku szczotkowym DC. Tam moment regulujesz zmieniając napięcie (prąd) silnika, ale przecież nie masz wpływu na chwile przełączania uzwojeń wirnika - te wyznacza komutator związany na sztywno z wałem. Tu jest tak samo. Jesteś nieodłącznie związany z pozycją wału poprzez czujniki.

Jeśli zrobisz proste sterowanie w otwartej pętli, to będziesz ustawiał PWM "na ślepo" wg. tego co ktoś z zewnątrz zada. To może być jakiś potencjometr, komenda z komputera, z odbiornika zdalnego sterowania itp. Jeśli PWM będzie niski, silnik dostanie mało prądu i będzie się kręcił powoli, gdy dasz więcej będzie szybszy a gdy PWM=100% to masz pełną moc, ale przecież nie zawsze tego chcesz, prawda?

Możesz tez zrobić zamkniętą pętlę sterowania i uzależnić PWM od błędu między prędkością obrotową zadaną a rzeczywistą (masz ją z czujników, nic więcej nie potrzebujesz). Wtedy coś zewnętrznego zadaje prędkość a Ty masz ją utrzymać - to oczywiście dużo trudniejsze.

Czujniki? Masz trzy wejścia cyfrowe. Możesz:

- programowo podczytywać ich stan i to jest najprostsze wyjście, choć zjadające 100% mocy procesora,
- doprowadzić je do wejść przerwań i uaktywnić wszystkie od obu zboczy - wtedy jakakolwiek zmiana będzie zgłaszać przerwanie w którego obsłudze możesz odczytać stan 3 linii i odpalić nowe stany mostków wg tablicy komutacji (i zdanego kierunku obrotów).

Potrzebujesz też trzech generatorów PWM choć można zauważyć, że de facto zawsze korzystasz tylko z jednego. Niektóre procesory mają trzy (i więcej) wyjść z jednego timera właśnie do takich aplikacji. Są też takie specjalne bloki timerów "trójfazowych", które mają 3 pary po dwa wyjścia z programowanym czasem martwym (wystarczy wtedy głupi driver) i sprzętowym, bardzo szybkim wyłączaniem/blokowaniem wszystkich PWMów po wystąpieniu sygnału FAULT pochodzącego np. z detektora nadprądowego. Z mniejszych zabawek to o ile pamiętam już mega128 ma dwa timery 16-bitowe z których każdy ma trzy wyjścia PWM. Co ciekawe (dawny) ATMEL zrobił małe tiny261/461/861 specjalnie przeznaczone do sterowania silników 3F. Tam na pewno jest taki właśnie rozbudowany, 6-wyjściowy generator wszystkiego co trzy półmostki potrzebują.

Na czym to będziesz robił?

Aktualnie robię driver na stm32f4, bo miałem go pod reką 😃 - wiem, to trochę strzelanie z armaty do muchy. Potem pewnie przejdę na jakiegoś lżejszego i mniejszego stm'a 32. Na ATmegi nie mam prawdę mówiąc ochotę wracać - kiedyś ich używałem, ale powiem szczerze, że przyzwyczaiłem się do stm32, które mają duuużo większe możliwości. Na razie skonfigurowałem sobie dla testów jeden timer w trybie PWM, w których są właśnie 3 pary PWM po dwa wyjścia z programowalnym czasem martwym. Co prawda jak rozumiem, jeżeli użyję tego drivera IRS2104, to nie potrzebuję 3 par PWM, tylko 3 pojednynczych PWM. A tak a propos tego driver'a to jaką diodę tam wrzucić - jakaś szybka przełączająca ma być, czy może być zwykła prostownicza?

Co do sterowania prędkością to tak oczywiście zamierzam użyć czujników Hall'a i użyć przerwań zewnętrznych od obydwu zboczy. Przy okazji w przerwaniu planowałem zrobić pomiar prędkości i zmieniać wspołczynnik PWM, tak żeby trzymać stałą, zadaną prędkość. Pomiar prędkości planowałem poprzez pomiar czasu przy pomocy dodatkowego timera, między aktualną, a poprzednią komutacją - bo wiedząc o jaki kąt się obrócił wirnik między dwoma komutacjami i znając czas mam prędkość kątową. Żeby kontrolować prędkość chyba sobie jakiegoś PID'a wstawię po prostu, żeby mi wyznaczał uchyb własnie na podstawie tego pomiaru prędkości i zmieniał stosowanie współczynnik wypełnienia.

Jest jedna rzecz, która mnie odnośnie regulacji prędkości zastanawia - czy prędkość reguluje się tylko i wyłącznie PWM, czy wpływ ma też częstotliwość komutacji - nie mam na myśli częstotliwości PWM. Załóżmy dla przykładu, że chcę, żeby prędkość obrotowa wynosiła 20o/s. i czy w związku z tym (założmy dla uproszczenia 1-krotność biegunów) muszę wykonać 20 pełnych cykli komutacyjnych, a PWM reguluję tylko moc i np. to czy silnik się grzeje, bądź nie, czy też ilość cykli komutacyjnych mnie nie obchodzi i mogę sobie robić 1 cykl na sekundę, a PWMem i tak sobie dokręcę prędkość i będę miał te 20 obrótów na sekundę?

Jest jedna rzecz, która mnie odnośnie regulacji prędkości zastanawia - czy prędkość reguluje się tylko i wyłącznie PWM, czy wpływ ma też częstotliwość komutacji - nie mam na myśli częstotliwości PWM. Załóżmy dla przykładu, że chcę, żeby prędkość obrotowa wynosiła 20o/s. i czy w związku z tym (założmy dla uproszczenia 1-krotność biegunów) muszę wykonać 20 pełnych cykli komutacyjnych, a PWM reguluję tylko moc i np. to czy silnik się grzeje, bądź nie, czy też ilość cykli komutacyjnych mnie nie obchodzi i mogę sobie robić 1 cykl na sekundę, a PWMem i tak sobie dokręcę prędkość i będę miał te 20 obrótów na sekundę?

Sterowanie prędkością odbywa się za pomocą regulacji wypełnienia PWM. Częstotliwość komutacji faz jest narzucana przez silnik i Twoim zadaniem jest nadążać za silnikiem, aby nie doprowadzić do utraty synchronizmu. Dlatego też upierdliwe jest debugowanie programu mikrokontrolera, który steruje silnikiem, nie można od tak sobie postawić breakpoint 😕

Tak jak napisałem, komutacje faz przeprowadzasz w chwilach gdy czujniki zmienią stan - nie masz na to wpływu tak jak komutator mechaniczny nie dyskutuje z resztą silnika.

Na wyższym stopniu wtajemniczenia możesz próbować cyzelować projekt przez optymalizację czasów przełączania np. próbując przewidywać (na podstawie aktualnej prędkości rpm) kiedy "nadjedzie" kolejny czujnik i delikatnie przesuwając punkt komutacji. To może dawać pewne oszczędności lub nawet "doładowanie" silnika szczególnie przy gwałtownych zmianach prędkości - tak przy rozpędzaniu jak i hamowaniu, ale to już bardzo zależy od dynamiki całego układu mechanicznego. Przykładem tego są nowoczesne sterowniki silników BLDC do dronów. Te zwykłe, samolotowe miały tylko "popędzanie" silnika przez PWM i to wystarczało, bo samolot kręci śmigłem ciągle mniej więcej tak samo. Gdy trzeba było ująć gazu, śmigło swoim oporem powodowało spadek obrotów. W dronach, do dynamicznych manewrów konieczne jest hamowanie silnikiem i regulatory umieją to robić właśnie poprzez samodzielne wyznaczanie a priori momentów komutacji.

Generalnie: na moment silnika (a więc i obroty przy danym obciążeniu) wpływasz tylko wypełnieniem PWMa a chwile komutacji masz wyznaczone przez czujniki i nic tu nie możesz kombinować bo wypadniesz z synchronizmu, całość stanie i dostanie drgawek.

EDIT: Pisaliśmy razem 🙂

Dziękuję za obie odpowiedzi 😉. W sumie to chyba jeszcze koncepcyjnie został mi tylko moment startu. I tak sobie kombinuję, że ponieważ na początku nie znam w ogóle położenia wirnika to chyba puścić cały cykl komutacyjny z PWM o bardzo małym współczynniku wypełnienia i przy pomocy czujników Halla wykryć to pierwsze położenie. Jeżeli położenie zostanie wykryte, to puścić już normalnie regulator i dochodzić do zadanej prędkości, a jezeli nie zostanie wykryte to zwiększyć wypełnienie PWM i powtórzyć procedurę. I teraz pytanie co o tym sądzicie i czy używanie np regulatora PID, do regulacji zmiany prędkości to dobry pomysł? To nie jest do dronów, nie będzie konieczności gwałtownych hamowań, czy przyspieszeń, po prostu rozpędzamy sobie silnik do zadanej prędkości i ma stabilnie hulać przez parę godzin na przykład. Pytanie, czy przy takim zastosowaniu ma np sens dodawanie układu ograniczania prądu, czy też kontroli temperatury - podobno ten typ silników charakteryzuje się niską awaryjnością?

Blisko 🙂 Mając czujniki Halla możesz spróbować włączyć na krótką chwilę tylko jeden z kroków sterowania blokowego bez PWM. Krótko, ponieważ popłynie spory prąd i można coś usmażyć. Silnik szarpnie i zatrzyma się w jakieś pozycji. Jest spora szansa, że w tym momencie czujniki coś wyłapią i będziesz mógł zacząć kręcić, a że wiesz też które klucze włączyłeś to tabela przełączeń powie Ci jakie następnie załączyć, żeby zakręcić w wybranym kierunku 🙂

Jest nawet jeszcze lepiej. Takie próbne, ślepe zakręcanie fazami jest konieczne przy silniku bezczujnikowym, bo do wywołania back-EMF musisz mieć jakieś minimalne obroty. Przecież Halle działają statycznie - tutaj wirnik nie musi się obracać byś wiedział gdzie jest. Po prostu czytasz ich stan na początku i od razu wiesz gdzie jesteś - każda z 6 kombinacji jest unikalna. Teraz wg. 6-pozycyjnej tabeli komutacji znajdujesz następną (lub poprzednią) kombinację wysterowania półmostków i jazda, dalej robi się samo. Oczywiście startuj przy małym PWM właśnie po to by nie popłynął prąd zwarciowy. To co proponujesz też jest OK: ruszasz na ślepo przez pełne, zapętlone przeglądanie tablicy z prędkością np. kilku komutacji na sekundę (w zależności od konstrukcji silnika to może być bardzo różna prędkość rpm wału) i stopniowo podnosząc PWM czekasz na pierwszą zmianę czujników. Dla danego silnika i jego obciążenia możesz w końcu tak dobrać ten startowy PWM by ruszało bez żadnego sprawdzania, od razu dobrze i z kopyta.

Pomiar prądu zawsze się przydaje, bo łatwiej wykrywać sytuacje nadzwyczajne. W pewnym sensie przeciążenie silnika można detekować przez porównywanie aktualnego poziomu PWM i obrotów. Dla danego obciążenia mechanicznego to powinna być w miarę powtarzalna funkcja. Na pewno jednak czujnik prądu szybciej wykryje gwałtowne zatrzymanie silnika pod dużym wysterowaniem niż algorytmy detekcji prędkości.