Zintegrowany sterownik silnika BLDC

Witam,
Przedstawiam dziś konstrukcję zintegrowanego sterownika silników bezszczotkowych. Sterownik przeznaczony jest do zabudowy na silniku, składa się z płyty sterującej oraz zamontowanej na niej końcówki mocy.


Parametry sterownika:
- sterowanie stałym momentem obrotowym poprzez zadanie stałego prądu silnika
- sterowanie stałą prędkością kątową z możliwością dodania dodatkowego momentu obrotowego (prądu) w formie zakłócenia na wejściu regulatora momentu obrotowego(prądu)
- sterowanie pozycją wirnika z możliwoscia dodania zakłócenia prędkosciowego na wejściu regulatora prędkości kątowej oraz zakłócenia momentu obrotowego na wejściu regulatora momentu obrotowego (prądu)

Sterownik komunikuje się z układem nadrzędnym poprzez interfejs rs-422, wymaga wysyłania ramek z częstotliwością od 2Hz do 50Hz. Jeśli przez 500 ms nie dotrze prawidłowa ramka sterująca, sterownik stwierdza awarię komunikacji i zatrzymuje silnik. Sterownik odpowiada na każda ramkę, w trybie sterowania odsyła wartość pozycji kątowej, prędkości kątowej oraz aktualny prśd pobierany przez silnik, natomiast w trybie konfiguracji odsyła wartość ustawionego/ odczytywanego parametru. Sterownik pozwala konfigurować nastepujące parametry:
-maksymalna prędkość kątowa
-maksymalne przyspieszenie kątowe
-maksymalny prąd silnika(maksymalny moment obrotowy)
-sektory ruchu
-wszystkie nastawy regulatorów

Przygotowany jest uchwyt do odczytu temperatur silnika oraz tranzystorów i zabezpieczenie termiczne wyłączające silnik po przekroczeniu granicznej, konfigurowanej temperatury.

Do sterowania silnikiem stworzona została aplikacja umożliwiająca sterowanie w każdym trybie, ustawienie wszystkich parametrów oraz rysująca wykresy wartości zadanych i osiągniętych.
Aktualny silnik w tej konfiguracji może pracować ze stałym prądem 1-700 mA, stałą prędkością od 0.1 do 240.0 rad/s z rozdzielczością 0.1 rad/s. Do komutacji i odczytu prędkości/pozycji wykorzystywany jest 12 bitowy enkoder magnetyczny i magnes zamontowany na wale silnika. Silnik to 8 polowy silnik z dysku twardego, w tym układzie zasilany napięciem 5V, prąd w zwarciu przy napięciu 5V to 700mA.

A może jakiś schemat, program do sterowania kolega by udostępnił?

Super konstrukcja.
Czy możesz podzielić się technicznymi szczegółami budowy tego sterownika?

Jakie szczegóły techniczne masz na myśli?
Jeśli masz pytania, pytaj. Postaram się odpowiedzieć. Po to pokazałem konstrukcję aby podzielić się doświadczeniem.
Natomiast jeśli chodzi o zamieszczenie gotowca do kopiowania to nie mam w zwyczaju tego robić, bo nie ma z tego nic dobrego ani dla autora ani dla kopiujących.

Fajny projekt i profi wykonanie gratulacje. Napisz coś o enkoderze to fabryczna konstrukcja czy sam go budowałeś na czujnikach halla? Rozdzielczość 4096 na obrót? Co to znaczy sterowanie prędkością przez dodanie zakłócenia?

Projekt super
Miałbym kilka pytań:
1. Jaki mikrokontroler odpowiada za działanie sterownika?
2. Jakie algorytmy sterowania kolega zastosował? Zwykły PID czy coś bardziej ciekawego?
3. Jak są sterowane klucze? PWM na górny i dolny, tylko na jeden, jakiś mieszany typ?
4. Z czego wynika zastosowany przedział częstotliwości wysyłania rozkazów?
5. Ciężko było ułożyć pcb?

1) Enkoder do 12 bitowy enkoder magnetyczny AS5045.
2) 12 bit na obrót
3) Regulatory połączone są szeregowo. Pozycyjny->prędkościowy->prądowy(momentowy). Wyjście regulatora poprzedzającego podawane jest na wejście regulatora następnego. Przed regulatorem prędkościowym i prądowym jest dodatkowa furtka gdzie można dodać dodatkową prędkość zadaną (do tej wypracowanej przez regulator pozycyjny) oraz dodatkowy prąd zadany ( do tego wypracowanego przez regulator prędkości). Jest to furtka dla układu nadrzędnego aby pomagać regulatorom w przypadku gdy układ nadrzędny ma możliwość przewidywania lub posiada więcej danych i jest w stanie lepiej przewidzieć i wyprzedzić regulator w sterowniku.
4) Mikrokontroler to STM32F103
5) Regulator pozycyjny jest hybrydowo-proporcjonalno-różniczkujący, prędkościowy to PI a prądowy to przyrostowy P.
6) PWM steruje jednocześnie górne i dolne klucze. Sterowanie jest prądami sinusoidalnymi, mimo że to silnik BLDC, ale daje to cichszą pracę silnika.
7) 20 ms to czas jaki wyliczyłem jest mi potrzebny aby obsługując ramkę nie zaszkodzić działaniu reszty bloków programu. Działa to również na 10 ms (i oczywiście im częściej tym lepiej) ale nie jest to do końca przetestowane. Natomiast maksymalny czas bez otrzymania poprawnej ramki jest kwestią gustu, jest to podyktowane pewnymi względami bezpieczeństwa. Ten silniczek akurat pracuje sobie bez obciążenia w warunkach idealnych, niczemu nie zagraża. Ale silniki napędzają ciężkie/duże/niebezpieczne elementy, niekiedy od poprawnego działania zależy zdrowie/życie człowieka. Nie można sobie pozwolić, aby w przypadku zawieszenia się jakiegoś układu sterującego tym sterownikiem, silnik kręcił się ciągle z poprzednimi nastawami. Warunkiem koniecznym do pracy silnika jest kontrolowane sterowanie.
8) Z PCB nie jestem dumny. Tego typu układ powinien być wykonywany co najmniej na 4 warstwach. Ze względu na cięte koszty, upchnąłem to na 2 warstwach, przez co znacznie ucierpiało zasilanie.

Super wygląda praca silnika. Można by już tym małe CNC sterować Możesz pokazać więcej zdjęć zbudowanej elektroniki? Ale dosłownie zdjęć a nie renenderu 3D
PS. Jaki był cel tej konstrukcji? Pytam bo raczej nie była to ciekawość/ sprawdzenie własnych możliwości gdyż kosztowało na pewno ogrom czasu (miniaturyzacja/ program) jak i sporo kasy (sam enkoder magnetyczny ok 50zł - swoją drogą gdzie kupowałeś? Jak wygląda sprawa z magnesem jeśli chodzi o jego montaż a dokładniej precyzję?)

Więcej zdjęć w tym momencie nie mam, dopiero po nowym roku będę mógł zrobić. Ale celowo nie robiłem dokładnych zdjęć, bo wyglądało to ładnie tylko po pierwszym montażu W trakcie testowania softu trzeba było kilkukrotnie niektóre części rozmontować, coś dolutować jakieś kable do pomiaru itd, teraz to już wygląda o wiele gorzej No ale jest to prototyp, takie jego prawo.

Celem było sprawdzenie, czy STM32F103 wyrobi się ze wszystkim. Wykonywałem podobne, lecz o wiele bardziej rozbudowane sterowniki na F4. Ten projekt był podkładem badawczym do stworzenia serwa do CNC jak i sterownika BLDC/PMSM do napędów. Koszty poniesione przeze mnie nie były jakieś ogromne, bo większość drobnicy człowiek ma, bo wypada mieć Enkoder z magnesem pozyskałem z sampli, silnik to demontaż, każdemu się walają stare dyski. Jedyny koszt to płytka PCB i kilka scalaków których w standardzie nie ma po szufladach, myślę że łączny nie przekroczył 200 zł. A badania kosztują bo muszą kosztować Jeśli chodzi o czas, to też nie było to jakoś bardzo długo. Jakby intensywną pracę zebrać w kupę to może by się w kilkunastu dniówkach zmieściło. Magnes został zamontowany bezpośrednio na wale, na kleju. Uruchomiłem silnik (w ciemno) i wtedy bardzo łatwo magnes wycentrować na kręcącym się wale. Następnie podlałem klejem. Na potrzeby prototypu taki prowizoryczny montaż spełnia swoje zadanie.

W czym pisałeś aplikację?

C++ w Qt Creator.

Czy dałoby radę zbudować taki sterownik dla sprężarki klimatyzacji inwerterowej ? Jakie przewiduje są zmiany w sterowniki ?

Wszystko się da.

Całkiem fajny sterownik. Jak widać jak się ma odpowiednią wiedzę to wiele rzeczy można zrobić i tanio i dobrze. Nie trzeba zbierać na Kickstarterze dziesiątek tysięcy $ na projekt klona Arduino Ten enkoder trochę drogi, ale ciekawy. Czy wie Kolega, gdzie można dostać detalicznie magnesy pierścieniowe magnesowane "przez średnicę"? Przejrzałem oferty większości sprzedawców magnesów i nie znalazłem są tylko magnesowane "przez wysokość", aby się ładnie układały jeden na drugim... Napisałem nawet trochę e-maili, ale większość nawet nie odpowiedziała.

Szukaj symbolu takiego magnesu na stronie AMS, i po symbolu kupisz na pewno w jakimś sklepie.

drzasiek napisał:

Wszystko się da.

Potrzeba znać parametry sprężarki tzn napięcie i co jeszcze ?

To zależy co chcesz zbudować. Ja nie wiem jakie masz wymagania więc nie wiem co musisz znać żebyś zbudował taki sterownik.

Witam
Podziwiam i gratuluję

Dwa pytanka, jak zdjąłeś "pokrywę" silnika ? I na co założyłeś enkoder, przecież wał silnia z jednej strony jest tą pokrywą o którą pytam a z drugiej w ogolę go nie ma

Pozdrawiam !