Antrieb eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors über PWM

ZUSAMMENFASSUNG:

Ich versuche gerade, ein DIY-Projekt zu Ende zu bringen, an dem ich schon eine Weile arbeite: Eine elektrische Töpferscheibe bauen. Ich habe ein Laufband erworben und einige gute Teile davon geborgen, und dachte, dies wäre eine großartige Möglichkeit, es einzusetzen. Leider habe ich, als ich alles zusammen hatte, und nach ein paar Tests ein schreckliches Verbrechen begangen: Ich habe eine Unterlegscheibe auf meine MC-60-Motorsteuerplatine fallen lassen. Wie Sie erraten haben, war bei meinem nächsten Start-up überall magischer Rauch.

Ich habe also die gesamte physische Montage abgeschlossen und einen Laufbandmotor in gutem Zustand ohne Stromversorgung. Also wage ich es, mein eigenes zu retten und zu bauen, und gebe keine 50 bis 100 Dollar für ein neues Board aus, wenn ich es vermeiden kann.

Ich habe in den letzten Wochen ziemlich viel gelesen und bin zu dem Schluss gekommen, dass die PWM-Versorgung das konstanteste Drehmoment bietet, und das war es, worüber ich mir Sorgen machte. Ich möchte nicht, dass das Ding abgehackt und mit niedrigem Drehmoment ist, also werde ich einige physische Reduzierungen mit Riemenscheiben / Zahnrädern vornehmen, um ein anständiges Drehmoment am Motor aufrechterhalten zu können.

Ich habe meine PWM-Schaltung mit der schnellen Hilfe von Netduino abgeschlossen, die mit Opto isoliert ist, um Mosfets anzusteuern. Alles scheint in Ordnung zu sein, ja, ich muss die Komponenten im Laufe der Zeit an unterschiedliche Spannungen anpassen.

FRAGE:

Ich weiß, dass ich dieses Ding nicht mit vollen 90 VDC fahren muss, um die geringe Menge an Drehmoment/Drehzahl zu erhalten, die ich brauche, richtig? Ich meine, es ist eine Töpferscheibe, keine Drehbank. Ich dachte, ich brauche vielleicht maximal 30-40 VDC, oder ist das eine schlechte Annahme? Wird dies mein Drehmoment drastisch auf ein unbrauchbares Niveau senken? Ich möchte wirklich vermeiden, mit 90-VDC-PWM umzugehen, das scheint viel zu übertrieben zu sein.

VORSCHLAG:

Meine Theorie zur Stromversorgung ist, dass ich einfach einen Transformator verwenden könnte, um eine Spannung von 110 VAC auf ~ 50 VAC (oder was auch immer erforderlich ist) zu reduzieren und dann diese resultierende Gleichspannung auf eine nutzbare Grenze gleichzurichten und zu glätten. Fahren Sie diese dann durch den MOSFET zur "Kupplung" (die dazu beiträgt, die Welligkeit weiter zu glätten), zum Motor. Gehe ich in die richtige Richtung oder unterdenke ich hier etwas? Ich möchte einfach kein Geld mehr für Komponenten verschwenden, bis ich sicher bin, dass es der richtige Weg ist. Ich möchte auch kein Geld für eine Steuerplatine verschwenden, die für meine Bedürfnisse völlig übertrieben ist. Alles, was ich brauche, ist einfaches Ein- und Ausschalten mit ein wenig Geschwindigkeitsregelung, nichts wirklich Spezifisches.

Danke für jede Hilfe.

Motor Specs:

Permanent Magnet DC Motor

Electrical Rating: 
    @130vdc  2.5hp  6700rpm 18amps  
    Continuous Duty  @95vdc 1.5 hp

HINZUGEFÜGT:

Ich habe gerade festgestellt, dass es wahrscheinlich besser wäre, eine höhere Spannung aufrechtzuerhalten, um so viel Drehmoment wie möglich zu halten, und das Tastverhältnis anzupassen. Anstatt die Spannung auf 60 VDC einzustellen und dann PWM, dass ..

PWM ist eine Technik zur Erzeugung des Äquivalents einer konstanten Gleichspannung - es verbessert die Drehmomenteigenschaften von Gleichstrommotoren nicht mehr als eine einfache äquivalente Gleichspannung. Bei Gleichstrommotoren können relativ einfache Stromüberwachungsschaltungen die Drehmomenteigenschaften unabhängig von Laständerungen auf eine nahezu konstante Drehzahl verbessern.
Ja, sry, ich dachte an etwas anderes. PWM bei 90 VDC behält ein besseres Drehmoment bei als das Variieren der Spannung, um die Geschwindigkeit anzupassen ... daran habe ich gedacht. Nicht, dass es Ihnen mehr Drehmoment gibt als die entsprechende konstante Quelle.
Wissen Sie, wenn Sie nach "Gleichstrommotorschaltungen mit konstanter Drehzahl" suchen, erhalten Sie möglicherweise eine ziemlich einfache Schaltung, die Ihnen eine wirklich gute Drehmomentcharakteristik verleiht - ich habe sie bei Gleichstrommotoren verwendet, die kleine Förderbänder antreiben - das Paket trifft auf das Band und die Motor verliert an Geschwindigkeit (aufgrund des Gewichts), aber ... kaum mit der Schaltung, auf die ich mich beziehe - ist das die Art von Idee, nach der Sie suchen?
Die Geschwindigkeitsanpassung ist im Moment nicht so notwendig, eine funktionierende Konstantgeschwindigkeitsschaltung könnte später modifiziert werden, um eine Art Geschwindigkeitsregelung zu ermöglichen, also ja, ich werde wahrscheinlich diesen Weg in den nächsten Tagen einschlagen, um zu sehen, ob es einfacher/anders wird in viele Möglichkeiten. Thx für den Vorschlag.

Antworten (3)

Ein Haufen Probleme:

  1. Bist du sicher, dass du einen DC-Bürstenmotor hast? Diese Art hat nur zwei Anschlüsse. Sie legen einfach Spannung an und es dreht sich, was Sie im Rest Ihrer Frage annehmen. Alles, was Sie gesagt haben, ist, dass der Motor Permanentmagnete hat und "DC" ist, was noch andere Möglichkeiten offen lassen könnte, wie einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Diese sind viel komplizierter zu fahren. Diese haben viel mehr als zwei Drähte, die herauskommen, normalerweise 3 für die Antriebsspulen und 5 für die Hallsensoren.

  2. $50-$100 klingt wie der billigste Weg, um dieses Problem zu lösen, es sei denn, Sie schätzen Ihre Zeit auf ein paar Cent pro Stunde. Wenn dies ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, dann sind Sie überfordert.

  3. Unabhängig davon, ob Sie den Motor mit 60 V, 120 V oder etwas anderem betreiben, dieser Gleichstrom muss immer noch irgendwo herkommen. Dies ist unabhängig davon, wie Sie es möglicherweise umschalten, indem Sie beispielsweise etwas wie PWM anwenden. Mit anderen Worten, Sie benötigen immer noch eine Art Stromversorgung.

  4. PWM liefert irgendwie kein konstanteres Drehmoment. PWM ist lediglich eine Technik zum Modulieren der effektiven Motorspannung, während mit der gleichen Gleichstromversorgung gestartet wird und dabei relativ wenig Energie verschwendet wird.

    Systeme, die Motoren mit PWM antreiben, verfügen häufig auch über Drehzahl- oder Positionsrückmeldung. Wenn die Rückführung verwendet wird, um eine konstante Motordrehzahl aufrechtzuerhalten, kann der Motor scheinbar ein hohes Drehmoment haben, ohne durchzudrehen, wenn die Last entfernt wird. Dies liegt jedoch an der Möglichkeit, den Motorantrieb zu modulieren, und einem Regelkreis mit Rückkopplung. PWM ist ein Mittel, um den Motorantrieb zu modulieren, erhält aber selbst nicht irgendwie mehr Drehmoment vom Motor.

  5. Da PWM eine Technik ist, mit der dem Motor eine niedrigere Scheinspannung als die rohe Gleichstromversorgung zugeführt wird, aus der er abgeleitet wird, sollten Sie die höchste Spannungsversorgung verwenden, die der Motor verarbeiten kann.

    Die scheinbare Motorantriebsspannung ist die DC-Rohspannung multipliziert mit dem PWM-Tastverhältnis. Wenn Sie beispielsweise mit einer 120-V-DC-Versorgung beginnen, der Motor jedoch nur 30 V benötigt, um sich mit der gewünschten Geschwindigkeit mit der Last zu drehen, die Sie ihm präsentieren werden, dann wird ein PWM-Tastverhältnis von 30 V / 120 V = 1/4 Tun Sie dies, vorausgesetzt, die PWM-Frequenz ist hoch genug, damit der Motor nicht auf einzelne PWM-Impulse reagiert. Nehmen wir an, die PWM-Frequenz beträgt 25 kHz, was eine übliche Frequenz zum Betreiben von Motoren ist. Das heißt, die PWM-Periode beträgt 40 µs. Um 30 V mit 120 V Eingang effektiv zu machen, würden Sie den Motor alle 40 µs für 10 µs einschalten oder 10 µs ein und 30 µs aus.

  6. Sie sagen, Sie machen sich Sorgen um das Drehmoment, aber es scheint, dass Sie wirklich eine konstante Geschwindigkeit wollen. Wenn dies der Fall ist, ergibt eine Servoschleife im Mikro, die das PWM-Tastverhältnis so steuert, wie es erforderlich ist, um die eingestellte Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, ein offensichtlicheres "Drehmoment" als eine rohe Kraft, die den Motor bis zu dem Punkt heruntertreibt, an dem Sie ihm beliebige Lastschwankungen geben am Motor wird es nicht viel ausmachen.

Der Motor hat 4 Drähte, zwei blaue, eine schwarze und eine rote. Die blauen Drähte dienen zum Anschluss eines Thermoschutzschalters. So dachte ich gebürstet. Habe es aber nicht auseinandergenommen. Ich verstehe die PWM-Frequenzen und -Spannungen bis zu einem gewissen Grad, wie gesagt, ich habe diese Schaltung, die nach meinem Geschmack funktioniert. Die Stromversorgung ist die eigentliche Frage, aber das haben Sie auch angesprochen. Danke für die Antwort, und ja, Sie haben Recht, ich mache mir Sorgen um konstante Drehzahl, nicht um Drehmoment. Ich dachte an ein besseres Drehmoment, gleichmäßigere Geschwindigkeiten bei unterschiedlichen Lasten.
Ein weiterer Punkt, Sie sagen, dass die 50-100-Dollar-Lösung in Bezug auf den Zeitaufwand am günstigsten wäre. Nun, ich halte die Lernzeit für sehr gut angelegt. Außerdem habe ich den mitgelieferten MC-60 getestet und er pulsierte sehr schlecht bei mittelmäßigen Geschwindigkeiten. Ich wollte es nicht bis zum Maximum fahren und herunterschalten müssen, wie es besprochen wurde, aber das könnte unweigerlich ein anständiger Weg sein.

Wenn Sie Drehmoment wollen, müssen Sie sich nicht zu viele Gedanken über die Antriebsspannung machen: Es ist der Antriebsstrom, um den Sie sich kümmern müssen. Es ist mit 18 Ampere bewertet; Stellen Sie sicher, dass Ihre Treiberschaltung mindestens so viel Strom ohne Belastung verarbeiten kann.

Grundsätzlich steuert die Spannung die Geschwindigkeit (bei leichten Lasten), der Strom das Drehmoment. Wenn der Motor stark belastet ist, hilft Ihnen eine hohe Antriebsspannung (nahe dem Abwürgen) nicht; es ist mehr Strom, den Sie brauchen.

Messen Sie den Gleichstromwiderstand des Motors: Wenn er 2 Ohm beträgt, müssen Sie mindestens 36 V ansteuern, um beim Stillstand 18 Ampere durchzulassen: Höhere Spannungen erhöhen das Drehmoment nur, wenn Sie mehr Strom (und damit mehr Erwärmung) zulassen. Wahrscheinlich liegt es an 1 Ohm...

Das Untersetzen über Riemen oder ähnliches ist richtig: Das vervielfacht das Drehmoment bei gleichem Strom: oder ermöglicht das gleiche Drehmoment am Rad bei weniger Strom und höherer Geschwindigkeit (höherer Spannung) am Motor - und einem höheren Motorwirkungsgrad als Plus.

Übrigens habe ich im 240-V-Land an einer industriellen Töpferscheibe gearbeitet: Die Hersteller sagten mir, sie hätten elektronische Drehzahlregler ausprobiert und seien auf Variacs zurückgekehrt, da sie festgestellt hätten, dass sie viel toleranter gegenüber Hochstrommissbrauch durch abwürgende Motoren seien. Daher überrascht es mich nicht, dass Sie den ursprünglichen Controller bei niedrigen Geschwindigkeiten als unbefriedigend empfanden. BEARBEITEN: Dies waren Universalmotoren; gleichermaßen glücklich auf AC oder DC (weil das Magnetfeld von einer Spule und nicht von einem Permanentmagneten erzeugt wurde). Die Variacs erzeugten eine variable Wechselspannung; Es war nicht erforderlich, auf Gleichstrom umzuwandeln (müssen Sie jedoch, wenn Sie einen Variac mit Ihrem PM-Motor verwenden möchten).

Danke für die hilfreiche Antwort/Information! Wollen Sie damit sagen, dass sie im Grunde genommen die Variacs verwendet haben, um die Menge an Wechselstrom einzustellen, die in den Motorantriebskreis gelangt? So stellen Sie den Ausgangsgleichstrom und die Motordrehzahl ein?
Oh ja, und der Widerstand liegt etwas über 2 ... näher an 2,5. Daher benötige ich ~ 45 V, um den aktuellen Bedarf im Stall zu decken.
Bevor Sie sich davon hinreißen lassen, das maximale Drehmoment beim Stillstand zu erreichen, sollten Sie überlegen, was Sie mit diesem Drehmoment tatsächlich beabsichtigen, und welche Dynamik im Spiel ist. Sie beabsichtigen, nassen Ton zu spinnen, richtig? Nun, spielt es eine Rolle, ob sich das Rad sofort dreht, oder wäre es in Ordnung, wenn es eine oder vielleicht zwei Sekunden dauert? Wenn Sie den Ton nicht bearbeiten, ist das Rad im Wesentlichen eine Trägheitslast. Möglicherweise erhalten Sie mit viel weniger als dem 18A eine angemessene Reaktionsfähigkeit. Außerdem, wenn Ihr Geschwindigkeitsregler 18A-fähig ist, was passiert, wenn jemand irgendwie in die Arbeit gerät? Maximales Drehmoment ist nicht immer gut.
@justjeff: gute Frage; Sprechen Sie mit einem Töpfer ... dieser Klumpen aus nassem Ton wird bei SEHR niedriger Geschwindigkeit grob behandelt, bevor Sie ihn drehen, bevor er ausbalanciert ist. (Sonst ... schweres nasses Geschoss :-). Mir wurde auf uigpottery.co.uk/index.php gesagt, dass ein gutes Rad eines ist, das man nur mit dem größten Teil seiner Kraft im Stall halten kann, ohne seinen Unterbrecher auszulösen. Wenn sich jemand darin verfängt, nehmen Sie den Fuß vom Pedal.

Ihr Motor benötigt mehr als 30 VDC, um zu funktionieren (schätze ich).

Sie können es mit PWM bei 95 V steuern.

PWM ist eigentlich ein Rechtecksignal mit variablem Arbeitszyklus.

20 MHz sind für diesen Schaltungstyp nicht machbar
Ich kann das Ding mit einer direkten 12-V-Quelle betreiben, es hat einfach kein Drehmoment, um einen Riemen oder ein Zahnrad anzutreiben ... Und ich habe an anderer Stelle gelesen, dass der MC-60 nur mit maximal etwa 50 VDC ausgibt, weil niemand jemals schnell laufen kann genug, um mit vollen 90 VDC durch den Motor Schritt zu halten. Deshalb habe ich letztendlich gesagt, eine niedrigere Spannung ... deshalb bin ich hier. Sollte ich es einfach mit PWM ~ 90 VDC bei etwa 50 % Einschaltdauer betreiben? Dies führt zu ~ der halben Spannung / Drehzahl am Motor. So bleibt das maximale Drehmoment erhalten ... Ich hatte nur gehofft, solche hohen Spannungen aus Kostengründen wirklich vermeiden zu können.
Antrieb eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors über PWM
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