regolatore brushless autocostruito

[gigiovanni]

esatto,
caro Damy ci ho sbattuto la testa per troppo tempo su questo discorso, ed ora che mi ritrovo (in ambito universitario) a dover progettare un complesso controllore per motore brushless a magneti permanenti mi rendo conto di tutte le difficoltà di cui deve farsi carico il regolatore, eccoti una panoramica del funzionamento nel caso dei regolatori per aeromodellismo:

Supponiamo che il motore abbia una tensione nominale di 12V e che lo stick del gas sia impostato a metà, il regolatore interpreta il dato "metà corsa dello stick" in modo da far il possibile per far girare il motore a metà della velocità che si avrebbe impostando come tensione ai capi di esso 12V, quindi è come se il motore stesse girando a 6V, l'unica tensione disponibile sulla scheda elettronica del regolatore è però di 12V quindi al motore puoi dare tensioni del tipo 0 volt oppure 12 volt, per ottenere 6 Volt in ogni fase (in media) si adopera la tecnica del PWM, è come se accendessi e spegnessi per esempio 2000 volte al secondo una lampadina, se il tempo in cui essa rimane accesa è uguale al tempo in cui rimane spenta hai in media un'intensità luminosa che è la metà di quella che la lampada potrebbe darti se la lasciassi sempre accesa... e questo è un discorso. Come hai appunto accennato le fasi che servono per pilotare un BLDC (Brushless DC) sono 6. Bene, supponiamo che il motore stia già girando e che ci troviamo alla sequenza 1, la velocità alla quale gira il motore è definita dai parametri stessi del motore (caratteristiche elettriche e meccaniche) per cui per esempio a "6Volt" il motore può girare a 5000 gir/min... (dato fittizio)

Bene, quindi a questo punto dovrebbe essere chiaro il fatto che il regolatore imposta una tensione ed il motore reagisce con una velocità. Ma siamo sempre alla fase 1 e quando si passa alla fase 2 ??? è il motore stesso che ci dice quando dobbiamo passare alla fase 2, e per ascoltare questo "feedback" dal motore si usa la tecnica della BEMF (Back electromotive force) mi spiego meglio, per ogni sequenza delle 6 abbiamo una fase alimentata con la tensione in PWM e un'altra fase che serve da ritorno per la corrente, la terza fase viene continuamente monitorata da un ADC che è in grado di leggere la tensione ai suoi capi.

Ragioniamo un attimo, stiamo misurando una tensione su un avvolgimento che si affaccia su un rotore (dotato di campo magnetica) che sta ruotando ad una certa velocità. Sulla fase libera si susseguono quindi i poli dei magneti del rotore che sta girando, bene, ci sono delle application note della microchip in cui sono descritte le sequenze e la corrispettiva BEMF di ogni fase, adesso non ricordo esattamente se il passaggio alla prossima sequenza si fa quando la BEMF sta crescendo o sta decrescendo, però la logica è questa, ovvero la tensione indotta sulla fase libera ci da informazione circa la posizione angolare del rotore quindi sulla sequenza che dobbiamo apprestarci a dare all'inverter.

Ma perchè tutte queste complicazioni ? Semplice, per evitare l'utilizzo dei sensori ad effetto hall che andrebbero montati in fase costruttiva dentro al motore stesso, capisci bene che in motori così piccoli è difficile e costoso andare ad implementare dei sensori ad effetto hall. Per quanto riguarda l'avviamento è tutta un'altra storia, se sei interessato scrivo un altro post.

Comunque la cosa fondamentale da tenere sotto occhio (ed è quella che mi è stata più difficile da capire) è che il regolatore imposta una tensione il motore reagisce con una velocità ed è il motore stesso a "comunicare" al regolatore quando bosogna cambiare la sequenza.

Per carità ci sono altre tecniche più precise e costose per controllare i motori sincroni a magneti permanenti, come ad esempio la tecnica del controllo vettoriale... ecc...ecc.. ma questa è un'altra storia.

Ciaooo

[Simbor®]

Molto interessante Gigiovanni, sia il comando del motore in PWM, sia il feedback che il regolatore rileva (presumo ad ogni passaggio sullo zero digitale del PWM)...
In effetti, la soluzione è geniale: utilizzare i magneti permanenti e gli avvolgimenti, come sensore (Hall) per informare il rego

[SoldatoSemplice]

Io un pò di tempo fà progettai un inverter trifase a tensione impressa, vi allego gli schemi, manca completamente la parte del sense sulla corrente e la back-EMI ma almeno sulla carta dovrebbe generare uno onda trifase perfettamente sincrona, in linea di principio a questo punto aggiungere tre resistenze di sense convertirle in digitale e analizzarle con un PIC per vedere le perdite di sincronismo non dovrebbe essere troppo tosto, e poi c'è un piccolo sistema di sicurezza; se il carico assorbe troppa corrente stacca l'alimentazione al generatore trifase, e la velocità è regolata in questo circuito da un potenziometro.

[gigiovanni]

Originalmente inviato da Simbor®

Molto interessante Gigiovanni, sia il comando del motore in PWM, sia il feedback che il regolatore rileva (presumo ad ogni passaggio sullo zero digitale del PWM)...
In effetti, la soluzione è geniale: utilizzare i magneti permanenti e gli avvolgimenti, come sensore (Hall) per informare il rego

Esattamente... un'idea geniale... certo che se le studiano proprio tutte.. ihih... l'unico problema di questo procedimento sta nell'avviamento, infatti per basse velocità la variazione di flusso sulla fase libera è piccola, per cui piccola (dunque poco apprezzabile) è la tensione indotta su di essa. Una possibile soluzione è quella di fare un avviamento a catena aperta, ovvero si mandano le sequenze al motore in modo asincrono (senza leggere la BEMF) e cadenzate in modo da portare il motore ad una velocità per esempio di 100gir/min... questa è una soluzione valida ma poco professionale, ci sono metodi più sofisticati che permettono di capire la posizione del rotore senza eseguire l'avviamento a catena aperta.

Ricordiamoci sempre che tutte queste complicazioni nascono dal fatto che il motore, o più in generale il sistema di controllo, non dispone di encoder (sensore che serve per determinarne la sua posizione angolare), infatti se istante per istante conoscessimo l'angolo meccanico del rotore non avremmo bisogni di parlare di BEMF e affini.... eheh.. questo era solo per precisare.

Ciao a tutti,
se avete qualche dubbio chiedete pure, nei limiti delle mie capacità sarò lieto di rispondere.

PS: un'articolo interessante sulla questione BEMF è l'application note della microchip AN885 che potete trovare facilmente sul sito della microchip.

[anfarol]

Originalmente inviato da MSchiepp

Sì, ti sbagli!! Se non ecciti gli avvolgimenti perfettamente in fase rispetto ai magneti ottieni da un semplice abbassamento di resa del motore (se sei 'quasi' giusto, fino all'oscillazione e allo stallo del motore che può andare un colpo in avanti ed un colpo indietro o che può partire al contrario...

Michele

Confemro tutto quello che dice Michele ed aggiungo che il "quasi giusto" è di fatto impossbile o comunque solo momentaneo in un sistema dinamico.
In reg BL, il 90% della difficoltà di realizzazione è la rilevazione e gestione della posizione (se non si usano sensori)

[Simbor®]

Originalmente inviato da gigiovanni

Esattamente... un'idea geniale... certo che se le studiano proprio tutte.. ihih... l'unico problema di questo procedimento sta nell'avviamento, infatti per basse velocità la variazione di flusso sulla fase libera è piccola, per cui piccola (dunque poco apprezzabile) è la tensione indotta su di essa. Una possibile soluzione è quella di fare un avviamento a catena aperta, ovvero si mandano le sequenze al motore in modo asincrono (senza leggere la BEMF) e cadenzate in modo da portare il motore ad una velocità per esempio di 100gir/min... questa è una soluzione valida ma poco professionale, ci sono metodi più sofisticati che permettono di capire la posizione del rotore senza eseguire l'avviamento a catena aperta.

Infatti la fase di avviamento di un qualsiasi BL utilizzati sul modellismo (senza gli encoder di rilevamento) è assai critica e si nota parecchio....
Parlando all'atto pratico, se alzi lo stick di pochissimo, spesso e volentieri il motore da un colpetto indietro prima di innescare la rotazione corretta, come se avesse prevalenza una fase retrocedente, quindi è anche plausibile che venga inviato un segnale asincrono...
E' anche molto udibile la "vibrazione" che la frequenza di comando genera nel momento che deve cominciare a girare, come se venissero dati dei pwm molto alti di ampere (oltre che asincroni)...
Non l'ho mai controllato, ma non mi stupirei di trovare dei picchi di assorbimento molto elevati nella primissima fase della rotazione, per poi calare una volta che il motore ha preso il corretto senso di rotazione.

[Damy88]

boh... non riesco a spiegarmelo... un motore brushless sbaglio o si può equiparare con uno passo passo? io sono convinto di questo... ma... gigiovanni hai provato qualcosa a livello pratico per dire che il sistema su cui avevi sbattuto la testa non era funzionante?

[anfarol]

Originalmente inviato da Damy88

boh... non riesco a spiegarmelo... un motore brushless sbaglio o si può equiparare con uno passo passo? io sono convinto di questo... ma... gigiovanni hai provato qualcosa a livello pratico per dire che il sistema su cui avevi sbattuto la testa non era funzionante?

Io ho provato: è impossibile ottenere un regolatore con risultati apprezzabili senza sicnronismo (che derivi da feedback da sensori o tramite BEMF). Figuriamoci con risultati ottimali.
In9oltre, anche i motori passo passo, nei sistemi cricti hanno feedback con sensori di posizione: se perdi un passo per eccesso di velocità o di carico, altrimenti non puoi correggere.

Ciao!

[Damy88]

qualche news riguardo al regolatore?
è da qualche tempo che mi sto chiedendo una cosa... perchè devo avere 6 pwm? e se si usassero dei buffer? allora... io ho 6 segnali (due per ogni "filo" del motore) e li mando tutti in un integrato di buffer... poi faccio il pwm sugli enable di sto buffer... può funzionare? se no, perchè?

[ElNonino]

Io invece avrei una domanda da porre: visto che in campo industriale si usano brushless non sensor less, e 3 sensori ad effetto Hall costano una miseria, perchè nessuno realizza motori modellistici costruiti così ?

Utilizzando i sensori la regolazione è molto più precisa ed il rendimento più elevato.