Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Computer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Hamowanie odzyskowe silnika DC teoria

27 Mar 2014 21:10 6267 15
  • Poziom 17  
    Witam jestem w trakcie projektowania układu hamowania odzyskowego do pojazdu elektrycznego.
    Planuję to zrobić najprostszym możliwym sposobem ze względu na brak miejsca.
    Obecnie pojazd nie posiada hamulca jak na schemacie A.
    Czy wystarczy prosty układ jak na rysunku B , by podając na mosfet P przebieg prostokątny
    na przemian gromadzić energię w wewnętrznej indukcyjności silnika by potem ją oddać przez wewnętrzną diodę mosfeta N do akumulatora?
    Czy też trzeba budować układ z zewnętrzną cewką jak na schemacie C ?
    Hamowanie odzyskowe silnika DC teoria
  • Computer Controls
  • Użytkownik usunął konto  
  • Computer Controls
  • Poziom 17  
    Hamowanie przeciwprądem dodatkowo rozładowuje akumulator celem szybszego wyhamowania.
    u mnie pełen mostek H nie wchodzi w grę - za duże straty.

    Sprawa robi się coraz bardziej pilna ponieważ wczoraj prawie miałem wypadek przez nieodpowiedzialnego kierowcę wymuszającego pierwszeństwo.
  • Pomocny post
    Poziom 27  
    Układ z rys. B to zwykły hamulec bez odzysku energii, wszystko wytraca się w PMOS i opornościach doprowadzeń. Im mniejsza oporność zwierająca silnik tym silniejsze hamowanie. Tranzystor PMOS może być włączony na stałe aż do zatrzymania lub impulsami (PWM) w przypadku łagodnego hamowania. Cała energia wydzieli się w PMOS, konieczne jest więc dobre chłodzenie!
    Układ z rys. C to hamulec z odzyskiwaniem energii. Działa podobnie, czyli zwiera rozpędzony silnik, ale tranzystor PMOS musi być sterowany impulsowo. Kiedy PMOS jest włączony, napięcie silnika odkłada się na dławiku i prąd narasta liniowo (dławik gromadzi energię silnika). Kiedy PMOS jest wyłączony, napięcie na dławiku wskutek samoindukcji podskakuje aż zacznie przewodzić dioda i wówczas prąd dławika maleje liniowo ładując akumulator (dławik oraz silnik oddają energię w obwodzie silnik-dławik-dioda-akumulator). Prąd na przemian liniowo narasta i maleje (niekoniecznie aż do zera) w zależności od wypełnienia impulsów sterujących PMOS. Trochę mocy straci się w PMOS, trochę w diodzie, ale większość trafi do akumulatora, jest więc odzysk energii. Z uwagi na konieczność pracy impulsowej nie uzyska się aż tak silnego hamowania jak w układzie z rys. B, no chyba że włączy się PMOS na stałe, pozwalając aby prąd narósł aż do nasycenia rdzenia dławika. Dławik straci wówczas indukcyjność i będzie się zachowywał jak zwykły opornik, w którym będzie wydzielać się ciepło tak jak w PMOS, hamowanie będzie silne ale już bez odzysku energii.
  • Poziom 17  
    Niewiele energii wydzieli się na mosfetach gdyż mają łączną rezystancję 0,00625 ohma
    co jest wymogiem bardzo małego radiatora, cała energia hamowania nieodzyskowego pójdzie u mnie w silnik.
    Faktycznie będę musiał zrobić układ "C" żeby hamować odzyskowo.
    Ale jaką indukcyjność powinna mieć cewka, jakiego rzędu uH , mH, H ??

    Czy też sygnał sterujący mosfet hamujący powinien mieć stałe wypełnienie 50% i zmienną częstotliwość - czyli im niższa częstotliwość tym mocniejsze hamowanie?
    Czy powinien mieć stałą częstotliwość np 10Khz i siła hamowania proporcjonalna do wypełnienia przebiegu?
  • Pomocny post
    Poziom 27  
    Przede wszystkim chciałbym zaznaczyć, że chociaż wiem coś niecoś to jednak nie mam żadnego doświadczenia w silnikach elektrycznych i jeżeli zdecydowałem się udzielić Ci odpowiedzi to tylko dlatego, że jakoś nikt inny się do tego nie kwapił. Zaprojektowałem kilka przetwornic i to całe moje doświadczenie z dziedziny power electronics. Jeżeli chodzi o silniki prądu stałego i ich hamowanie czy stabilizację obrotów, to wiem niewiele więcej niż to co jest opisane w załączonym artykule wyciętym z RiK 4/1978 (gdzieś był chyba bardziej dokładny opis działania układu do stabilizacji obrotów silnika magnetofonu, ale nie pamiętam gdzie).
    W oparciu o ten artykuł zakładam, że każdy silnik prądu stałego (komutatorowy chyba) działa jednocześnie jak prądnica. Przy danym napięciu i obciążeniu mechanicznym obroty ustalają się na takim poziomie, że napięcie baterii U po odjęciu SEM prądnicy i po podzieleniu przez oporność uzwojeń daje taki prąd, który akurat wystarcza do podtrzymania ruchu obrotowego. Jeżeli obciążenie silnika (hamowanie mechaniczne) wzrośnie, to obroty zmaleją, bo wówczas SEM jest proporcjonalnie mniejsza, więc różnica U-SEM jest większa i może płynąć większy prąd. Tak więc de facto prąd silnika odpowiada za moment obrotowy natomiast jego napięcie jest już funkcją zarówno momentu obrotowego jak prędkości obrotowej. Z artykułu wynika, że jest to prosta suma dwóch składników ale w przypadku dużych silników, w zależności od rodzaju maszyny, to nie musi być aż takie proste, no ale od czegoś trzeba wyjść.
    W przypadku rozpędzonego silnika bez zasilania istnieje tylko SEM, które normalnie jest skierowane przeciwnie do napięcia baterii (odejmuje się), więc kiedy silnik zostanie zwarty, SEM spowoduje przepływ prądu skierowanego przeciwnie niż normalnie, a więc wytworzenie hamującego momentu obrotowego. Kiedy silnik jest rozwarty, prąd nie płynie i hamowania nie ma oprócz tego, co na łożyskach. Normalnie SEM rozpędzonego silnika nie przewyższa napięcia baterii U, no chyba że silnik został rozpędzony dodatkowo (np. podczas zjazdu z górki) ponad prędkość, którą może osiągnąć przy zasilaniu z baterii na luzie. W takim przypadku zaczęłaby przewodzić dioda stowarzyszona z NMOS na Twoich rysunkach ładując baterię.
    Układ z rys. C jest w zasadzie przetwornicą podwyższającą napięcie (nazywaną Boost albo Step-Up) z tą tylko różnicą, że zamiast wyjściowego kondensatora elektrolitycznego jest akumulator. Takie rozwiązanie jest niezbędne, bo SEM normalnie indukowana w silniku jest niższa od napięcia akumulatora U.
    Ogólnie rzecz biorąc indukcyjność i rozmiary dławika zależą od częstotliwości oraz napięcia i prądu. Ale żeby oszacować choć z grubsza dławik oraz resztę układu potrzeba jakichś danych, a Ty napisałeś tylko, że jesteś w trakcie projektowania układu hamowania odzyskowego do pojazdu elektrycznego i nic poza tym. Więc co to jest za pojazd? Jakiś Melex czy skuter, no bo skoro pisałeś o wypadku drogowym to chyba nie zabawka? Budowany od zera czy tylko przerabiany? Bo jeśli przerabiany, to faktycznie może nie być miejsca na dodatkowe obwody, radiatory czy inne przeróbki. Jak jest masa i prędkość maksymalna pojazdu? Jakie jest napięcie i pojemność akumulatora? Plus czy minus na masie? Czy silnik jest dołączony jednym końcem do masy? Bo z Twoich rysunków na pierwszy rzut oka wynikałoby, że i silnik i plus są na masie. Jaki jest typ silnika? Jaki prąd maksymalny pobiera? Jak nim sterujesz? Jeśli PWM to z jaką częstotliwością?
    Jak widzisz tych pytań jest trochę i pewnie jeszcze więcej się uzbiera, więc musisz zamieścić jakiś opis. Nikt Ci nie udzieli szczegółowej odpowiedzi jeżeli sam wpierw nie zamieścisz wszystkich wymaganych szczegółów, a i tak musisz się liczyć z tym, że wszystko będzie musiało być weryfikowane eksperymentalnie i przerabiane, może niejeden raz. Jakieś pomiary i próby też pewnie trzeba będzie przeprowadzać.
    Dodam jeszcze, że nie byłbym taki pewny tej energii wydzielanej w silniku i w 0.00625Ω MOSFET-ów. A co się stanie jeżeli hamowanie będzie bardzo silne i długotrwałe, jak przy długim i stromym zjeździe? Coś się może usmażyć, a choćby i silnik, zupełnie jak w sytuacji gdy silnik z unieruchomionym wałem (SEM=0) zasilany jest z baterii i pobiera nadmierny prąd przez dłuższy czas. Kiedy włączamy silnik to możemy nadzorować prąd i w razie czego przerwać w przypadku wykrycia zablokowania lub nadmiernego obciążenia, ale hamowania przerywać raczej nie można. Może okazać się konieczne dodanie dodatkowych MOSFET-ów z oporami drutowymi do hamowania bezodzyskowego jak i hamulca mechanicznego (ten to na pewno powinien być, tak jak ręczny w samochodzie).

    UZUPEŁNIJ DANE:
    - Prędkość maksymalna pojazdu (PWM=100%)
    - Plus czy minus na masie
    - Typ (rodzaj) silnika, jego połączenie z masą

    Rozumiem, że ten radiator 90cm² jest do hamowania nieodzyskowego, ewentualnie zawiera też MOSFET napędowy. Myślę, że na tym samym radiatorze zmieszczą się też tranzystory do hamowania odzyskowego, bo albo działa jeden układ hamowania albo drugi, nigdy oba razem. PWM napędowy może być 10kHz, równie dobrze mógłby być np. 2kHz, bo i tak bezwładność silnika i układu jezdnego to zintegrują, wygładzą. Hamowanie stratne też może być kontrolowane PWM w podobny sposób. Co innego z hamowaniem odzyskowym, tam częstotliwość musi być wyższa, 50kHz i więcej, bo ona decyduje o rozmiarach dławika, który powinien być na rdzeniu ferrytowym a nie żelaznym ze względu na mniejsze wymiary i masę. To nie ulega wątpliwości już choćby z uwagi na niewielką masę pojazdu. Z drugiej strony dławik ferrytowy jest mniej odporny na urazy mechaniczne niż żelazny, więc będzie musiał być bardzo starannie poklejony i zabezpieczony (być może czymś zalany). To wszystko jeszcze do rozważenia.
    Oczywiście elektronika sterująca tym wszystkim musi mieć hardwarowe zabezpieczenia przed sytuacjami błędnymi. Jeśli jest PWM na MOSFET napędowym, to hamulce muszą być koniecznie wyłączone i vice versa, bo inaczej będzie zwarcie. Jeśli hamujemy odzyskowo, to MOSFET hamulca stratnego musi być wyłączony. To wszystko można zrobić na bramkach wewnątrz jednego układu, bo myślę, że jeden wspólny układ powinien sterować tym wszystkim reagując jakoś na położenie "manetek gazu i hamulca", bo oddzielne układy sterujące i zabezpieczanie się przekaźnikami to nieporozumienie. Wydaje mi się, że jedyna sytuacja kiedy dwa układy mogą być włączone jednocześnie zachodzi w hamulcach, bo jeśli włączy się MOSFET hamulca stratnego zwierając silnik to układ odzysku energii i tak przestanie działać.
    Jak konkretnie rozwiązać sterowanie MOSFET-em układu odzyskowego to jeszcze nie wiem. Być może zwykła kontrola PWM do jakiejś tam wartości mniejszej niż 100% wystarczy, to zależy od stosunku napięcia generowanego przez silnik do napięcia baterii, dlatego pytałem o prędkość maksymalną pojazdu przy PWM=100%. Jeżeli jest wyższa niż 35km/h, przy której dochodzi do odzysku poprzez diodę MOSFET-a, to tylko dlatego, że SEM nie jest napięciem stałym jak z baterii tylko pulsującym w rytm obrotów silnika i szczyty tych "półfal" przewyższają napięcie baterii. Inaczej nie potrafię tego sobie wytłumaczyć. Przyszło mi też do głowy inne rozwiązanie sterowania hamulca odzyskowego, a mianowicie ustawienie PWM wysokiej częstotliwości (dławika) na stałe i włączanie całości metodą PWM ale z niższą częstotliwością (na przykład sterowanie dławikiem 200kHz PWM=40%, włączane i wyłączane metodą PWM z częstotliwością 500Hz). Kalkulatory do obliczania dławików może i gdzieś w sieci są, ale myślę, że wszystkie dotyczą dławików do typowych przetwornic (zasilaczy), a tutaj chodzi o coś innego, więc raczej trzeba będzie wszystko samemu obliczyć (a do tego potrzebne są założenia).
    O ile mi wiadomo, to baterie Li-Ion 18650 wymagają ścisłej kontroli zarówno prądu jak i napięcia końcowego podczas ładowania, której przy hamowaniu odzyskowym raczej nie będzie, jakkolwiek byłoby ono zrealizowane, i trzeba się z tym pogodzić. Pocieszam się jedynie, że i teraz masz taką sytuację przy prędkości powyżej 35km/h, więc raczej nic się już bardziej nie pogorszy.
    Myślę, że dużo będzie zależało od sposobu sterowania pojazdem. Normalnie w samochodzie dochodzi do hamowania silnikiem gdy gaz jest puszczony a hamulec jeszcze nie wciśnięty, a jak to ma być rozwiązane u Ciebie? Jedna wajha do sterowania przyśpieszeniem i hamowaniem, czy dwie? W miarę pisania nasuwają mi się jeszcze inne pytania, ale tego byłoby już za wiele żeby wciąż pisać na forum, pisanie jest za wolne, lepiej byłoby pogadać. Na razie uzupełnij dane, o które prosiłem i co Ci tam przyjdzie jeszcze do głowy, i jeśli chcesz to skontaktuj się ze mną.
  • Poziom 17  
    Pojazd jest budowany przeze mnie od zera wraz ze mną waży około 100Kg.
    Napięcie akumulatora od 16.8V - 14V pojemność około 80Ah, maksymalny prąd
    ładowania około 80A, silnik 800W 20V@40A, także ma trochę zapasu.
    Obecnie pwm pracuje na około 10khz.
    Prędkość przy, której napięcie na silniku zaczyna przewyższać napięcie na
    akumulatorach i następuje hamowanie odzyskowe to około 35km/h.
    Miejsca jest mało ze względu na to iż 160 akumulatorów 18650 zajmuje 95% miejsca w obudowach.
    Obecnie mam mały radiator o powierzchni 90cm^2 który daje radę.
    Do chłodzenia tranzystorów hamujących zastosuję drugi taki sam.
    Mam możliwość nawinięcia dowolnej cewki na dowolnym rdzeniu,
    mam też możliwość dokonania pomiarów zrobionej cewki.
    Lecz kompletnie nie wiem w jakim przedziale indukcyjności ją wykonać.
    Czy jest do tego jakiś kalkulator ?

    Zastanawia mnie czy istnieje jakiś praktyczny hardware-owy sposób zabezpieczenia przed wystąpieniem
    stanu zabronionego na półmostku h sterowanemu z jednego procesora.
    Myślałem o użyciu przekaźnika 2 pozycyjnego, który w momencie przyspieszania
    zwiera bramkę i źródło tranzystora hamującego
    i odwrotnie zwiera bramkę i źródło tranzystora od przyspieszenia podczas hamowania. Czy to ma praktyczny sens ?
  • Poziom 43  
    Patrząc na twój rysunek C i uwzględniając indukcyjność silnika, widzę że podczas hamowania, zarówno przy załączonym jak i wyłączonym PMOSFET'cie indukcyjności pracują szeregowo, od stosunku indukcyjności będzie zależało która przeniesie więcej mocy i jak się rozłożą straty. Dlatego uważam że warto zmierzyć indukcyjność silnika (najlepiej zrobić kilka pomiarów przy różnych położeniach wału).
    Zapewne silnik jako cewka będzie miał większe straty bo rdzenie są z blach.
    Twój układ z rys B mógł by działać, ale z jaką sprawnością musiał byś sam sprawdzić.
    Znaczenie ma też budowa silnika, nie widziałem żebyś napisał jakiej konstrukcji to silnik, np silnik ze wzbudzaniem bocznikowym wymagał by zasilenia uzwojenia wzbudzania przy hamowaniu.

    Moment obrotowy zależy od prądu, również przy hamowaniu, niestety generowana SEM i rezystancja obwodu ograniczają prąd maksymalny, przy dużych prędkościach hamulec może dobrze działać, ale im niższa prędkość tym słabiej będzie hamował, żeby pozbyć się tej wady musiał byś przy małych prędkościach hamować przeciwprądem (niewiele mocy, tylko tyle żeby skompensować straty omowe w obwodzie), albo przełączać się na hamulec mechaniczny. Więc dołożenie hamowania przeciwprądem miało by spore znaczenie dla wygody użytkowania, tylko że układ się komplikuje.

    Przy hamowaniu silnik wytrzyma zapewne taki sam prąd jak przy normalnej pracy, ale hamowanie zazwyczaj trwa krótko i zależy nam na maksymalnej skuteczności hamowania, silnik ma dużą cieplna stałą czasową, jeśli przed hamowaniem nie jest mocno nagrzany, kusi aby przy hamowaniu dopuszczać przeciążenia, nawet kilkukrotne, tylko do takiej zabawy parametry pracy silnika musiały by być ściśle kontrolowane i czujnik temperatury wewnątrz mógł by się przydać.

    Prąd hamowania będzie zależał od prędkości, wydaje mi się że to niekorzystne zjawisko, żeby się go pozbyć zbudował bym regulator jako histerezowy stabilizator prądu (szybko reaguje, prosta konstrukcja, brak problemów ze stabilnością i wypełnienie się samo ustali) wtedy łatwo można by uzależnić siłę hamowania od położenia np pedału hamulca. Ponieważ położenie max siły hamowania elektrycznego było by dobrze znane, można zbudować mechanikę tak aby ten sam pedał przy silniejszym nieciśnięciu załączał hamulec mechaniczny. Prostota obsługi ma znaczenie dla bezpieczeństwa jazdy, jeśli będziesz musiał na drodze zastanawiać się którego hamulca użyć, może to się skończyć tragicznie, a tak w awaryjnej sytuacji zadziałają oba.

    Znając rezystancje wewnętrzną silnika i SEM jakie daje przy konkretnej prędkości (czy przy 35km/h prąd jest 0? przy jakim napięciu akumulatorów?) można by określić jaką minimalna prędkość trzeba mieć, aby silnik mógł osiągnąć nominalny prąd hamowania, bez zasilania przeciwprądem, lub ile mocy potrzeba jeśli by to hamowanie przeciwprądem zastosować.

    Poza przypadkiem że wyjeżdżasz z domu z naładowanymi akumulatorami i od razu masz długi odcinek z górki, wydaje się mało prawdopodobne żeby pojazd miał dodatni bilans energetyczny przez dłuższy czas i przeładował akumulatory, choć sygnalizacja przekroczenia napięcia wydaje się niezbędna.
  • Poziom 17  
    Silnik jest podłączony jak na schemacie czyli na stałę do + akumulatorów, a do minusa przez mosfety, minus na masie.

    Zarówno silnik akumulatory jak i sterownik mają czujniki temperatury, lecz jeszcze nie napisałem części programu żeby je obsłużyć najpierw potrzebuję hamulec.

    Hamulca mechanicznego niema i nice będzie.

    Przy prędkości 35km/h napiecie na silniku rośnie powyżej napięcia akumulatorów co powoduje porzepływ wstecznego prądu i w rezultacie nie pozwala na przekroczenie tej prędkości.

    Ze względu na brak dużych wzniesień w mojej okolicy niema mozliwości przeładowania akumulatorów.Żeby dojechać do pierwszej górki 100m muszę przejechać 5km.
  • Użytkownik usunął konto  
  • Poziom 17  
    zwarcie silnika wyhamowuje do takiego poziomu że można spokojnie zejść z pojazdu
  • Poziom 17  
    Witam wszystkich ponownie i dziękuje za pomoc układ działa poprawnie do sterowania hamowaniem wykorzystuję CTC timera0 procesora AVR.
    Czyli stałe wypełnienie i zmienna częstotliwość im niższa tym silniejsze hamowanie.
    Częstotliwość zależna jest od położenia suwaka 'gazu' który po naciśnięciu przyciska hamulca zmienia tryb swojej pracy.

    Jeśli komuś jest potrzebny schemat dyskretnego drivera mosfeta lowside lub highside lub całości czy też kod źródłowy do do attiny85 to proszę pisać a zamieszcze.
  • Poziom 43  
    Cytat:
    Witam wszystkich ponownie i dziękuje za pomoc układ działa poprawnie
    Nie ma za co, przecież i tak zrobiłeś po swojemu.

    Cytat:
    Czyli stałe wypełnienie i zmienna częstotliwość im niższa tym silniejsze hamowanie.
    Z odzyskiwania energii zrezygnowałeś, to po co był cały ten temat.

    A tak z ciekawości jaka jest amplituda prądu PWM'a przy maksymalnym hamowaniu?
  • Poziom 17  
    Nie tak do końca zrobiłem po swojemu uświadomiliście mi że układ B nie ma prawa działać a ten bym zbudował jako pierwszy - niepotrzebna praca i nerwy.
    Jest hamowanie odzyskowe, jedynie przy skrajnych położeniach zadajnika nie ma odzysku.
    Jeżeli chodzi o amplitudę to nie mam pojecia, częstotliwość to od 15,6khz - 61hz.
    Z uwagi na budowę drivera nie mogę niestety załączyć na stałę mosfeta hamującego.
    Jeżeli chodzi o prąd to wiem tyle że podczas hamowania z ostrej góry spaliłem bezpiecznik 30A.
    Chciałbym zrobić jakiś prosty log mierzący prąd pobierany i odzyskiwany żeby sprawdzić skuteczność odzysku jak i maksymalny pobór silnika ale nie wiem czy gra warta jest swieczki.
  • Użytkownik usunął konto  
  • Poziom 17  
    Witam Ponownie.
    Z uwagi na to iż z powodu przekroczenia maksymalnego prądu tranzystorów uszkodziłem poprzedni sterownik i buduje nowy. I tu mam pytanie czy w takiej konfiguracji tranzystorów jak na rysunku jest obowiązkowe montowanie diody równolegle z silnikiem zaznaczonej na czerwono? Moim zdaniem wewnętrzna dioda tranzystora Q2 powinna wystarczyć do wygaszenia szpilek samoindukcji silnika. czy się mylę ?
    Hamowanie odzyskowe silnika DC teoria