Drehmoment- und Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors

Ich bin neu in der Elektronik und dies ist mein erster Beitrag, also haben Sie bitte etwas Geduld mit mir.

Einführung

Ich muss eine rehabilitative Exoskelett-ähnliche Knieorthese entwerfen, um das Aufstehen vom Sitzen zu unterstützen. Aufgrund des mangelnden Verständnisses der Arbeitsprinzipien eines Motors bin ich mit einer Reihe von Unsicherheiten konfrontiert worden. Dieses Exoskelett sollte ein minimales Drehmoment ausüben, um dem Benutzer beim Aufstehen aus dem Sitzen zu helfen

Als Rehabilitationsgerät muss die Ausgangsdrehzahl dieses Motors konstant sein, und soweit ich weiß, wird dies erreicht, wenn die Eingangsspannung zum Motor konstant gehalten wird. Der Motor muss ein steuerbares Ausgangsdrehmoment haben, und ich kann das Drehmoment durch Steuern des Ankerstroms steuern.

  1. Theoretisch kann ich mit einem Abwärtswandler die Eingangsspannung zum Motor konstant halten . Dies wäre in der Lage, die Drehzahl konstant zu halten, lässt aber das Drehmoment unkontrollierbar . Dies würde jedoch nur einen Ausgangsparameter variabel lassen

  2. Ich habe auch daran gedacht, den Abwärtswandler an einen DC-Motortreiber anzuschließen, da ich verstehe, dass der Abwärtswandler nur entweder Spannung oder Strom und nicht beide gleichzeitig steuern kann. Der DC-Motortreiber sollte dabei helfen, die Drehzahl mit einem variierenden Spannungseingang konstant zu halten, während der Abwärtswandler würde helfen, das Drehmoment mit einem steuerbaren Stromausgang zu variieren

Frage

Wäre dies eine praktikable Idee oder sind meine Prinzipien extrem falsch, würde ich mich gerne beraten lassen, bevor ich Teile besorge. Ich hoffe, niemand hat das Gefühl, dass ich darum bitte, mit dem Löffel gefüttert zu werden, da ich nur um Rat bitte

Ein paar Hinweise: (1) " ... sollte ein minimales Drehmoment ausüben ... ". Minimal wäre Null, aber vermutlich meinst du "ein kleines oder bescheidenes Drehmoment". (2) " ... die Ausgangsdrehzahl dieses Motors muss konstant sein ... " Sie benötigen eine moderate Beschleunigung und Verzögerung, um Ruck zu vermeiden. (3) Sie müssen entscheiden, ob Sie eine konstante Drehzahl oder ein konstantes Drehmoment wünschen, da Sie nicht beide gleichzeitig haben können. Ich vermute, Sie möchten eine Strom- und Spannungsgrenze festlegen, die Ihnen ein maximales Drehmoment (Strom) und eine maximale Drehzahl (Spannung) gibt.
Die Drehmomentsteuerung ist wahrscheinlich die beste. Es wird dem Benutzer bei jeder Geschwindigkeit, mit der sich der Benutzer bewegt, eine konstante Unterstützung zukommen lassen, anstatt zu versuchen, ihn zu zwingen, mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufzustehen.
Es hört sich so an, als würdest du eine Winde beschreiben.
@Transistor Danke für die Antwort Ich weiß die Mühe sehr zu schätzen (1) Ja, was ich meinte, war ein kleines Drehmoment, minimal, da der Gleichstrommotor so wenig Drehmoment wie möglich ausüben sollte, um dem Benutzer beim Stehen zu helfen. In diesem Fall hängt es davon ab Benutzer. (2) Ich habe das alles nicht bedacht und ich denke, das wäre etwas, das äußerst nützlich wäre (3) Ah ja, ich möchte eine Strombegrenzung festlegen, damit der Motor nicht mehr Drehmoment als nötig aufbringt, da dies wegnehmen würde Konzept der Rehabilitation. In diesem Fall sollte ich die Spannung steuern, während ich eine Strombegrenzung einstelle, ist das richtig?
@Transistor Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber bedeutet das, dass ich mit der Drehmomentsteuerung einfach alles erreichen kann, oder übersehe ich etwas, auch welche Komponenten erforderlich wären, um es zu implementieren? Ich glaube, ich habe irgendwo gesehen, dass dies mit PWM an einem Motortreiber möglich ist, aber ist das nicht nur eine Geschwindigkeitsregelung?

Antworten (2)

Ich: Sie müssen entscheiden, ob Sie eine konstante Geschwindigkeit oder ein konstantes Drehmoment wollen, da Sie nicht beides gleichzeitig haben können. Ich vermute, Sie möchten eine Strom- und Spannungsgrenze festlegen, die Ihnen ein maximales Drehmoment (Strom) und eine maximale Drehzahl (Spannung) gibt.

Sie: Ich möchte eine Strombegrenzung festlegen, damit der Motor nicht mehr Drehmoment als nötig aufbringt, da dies das Konzept der Rehabilitation aufheben würde. In diesem Fall sollte ich die Spannung steuern, während ich eine Strombegrenzung einstelle, ist das richtig?

Wenn Sie einen Gleichstrommotor und ein Tischnetzteil haben, mit dem Sie spielen können, können Sie ein gutes intuitives Gefühl dafür bekommen, wie dies funktionieren könnte.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Abbildung 1. Ein typisches Labor-/Labor-Netzteil mit einstellbarer Spannungs- und Strombegrenzung.

Experiment 1 - konstante Spannung:

  • Stellen Sie die Spannung auf 1/4 der Nennspannung des Motors ein und drehen Sie die Strombegrenzung hoch.
  • Schließen Sie den Motor an und belasten Sie die rotierende Welle, indem Sie sie (vorsichtig) mit der Hand greifen. Beobachten Sie die Spannungs- und Stromwerte. Sie werden sehen, wie der Strom ansteigt, wenn der Motor leicht langsamer wird. Dies ist so nah an der konstanten Geschwindigkeit, dass Sie nur mit einer direkten DC-Versorgung erreichen können.

Versuch 2 - Konstantstrom:

  • Stellen Sie den Strom auf die Hälfte des im vorherigen Experiment beobachteten Maximums ein.
  • Schließen Sie den Motor an und stellen Sie fest, dass er mit voller Spannung und niedrigem Strom läuft.
  • Belasten Sie die Welle nach und nach wieder von Hand. Nicht, dass die Stromversorgung irgendwann die Stromgrenze erreicht und die Spannung zu fallen beginnt, während der Strom an der Grenze bleibt. Sie befinden sich jetzt im Modus mit konstantem Drehmoment.

Sie können mit der Spannung spielen, um die maximale Drehzahl einzustellen, und mit dem Strom spielen, um das maximale Drehmoment einzustellen. Der Motor läuft bis zu dem Limit, das er zuerst erreicht. In Ihrem Fall ist dies höchstwahrscheinlich die Drehmomentgrenze.

Dies gibt Ihnen einen gewissen Instinkt bezüglich der Art der Steuerung, die Sie benötigen. Dann können Sie nach einem geeigneten Controller suchen, der diese Anforderungen erfüllt.

+1 für die Beschreibung, wie das OP Intuition erlangen kann
Vielen Dank für die ausführliche Beschreibung, ich habe die Experimente ausprobiert und bin mit den Ergebnissen relativ zufrieden. Das hat mich zu der Überlegung veranlasst, dass ich auf den Abwärtswandler komplett verzichten und ein Tischnetzteil verwenden sollte, um meinen Motor mit Strom zu versorgen, da die Tragbarkeit in meinem Projekt kein wichtiger Faktor ist. Dies würde es dem Benutzer ermöglichen, die Strombegrenzung einzustellen und das Ausgangsdrehmoment zu steuern
Das Tischnetzteil ist offensichtlich sehr groß, sodass Sie etwas Kompakteres benötigen. Sie brauchen auch etwas Kompaktes und vermutlich Batteriebetriebenes, also wird Effizienz sehr wichtig sein. Dies impliziert eine Art Schaltnetzteil mit einstellbarer Konstantstromfähigkeit. Dies ist nicht mein Fachgebiet, daher glaube ich nicht, dass ich Ihnen beim Design oder den Auswahlkriterien weiterhelfen kann.

Was Ihre Anforderungen zu erfüllen scheint, wird als Kaskadensteuerung bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt ein allgemeineres Blockdiagramm, in dem die Drehzahlregelung hervorgehoben ist. Bei einer Gleichstrommaschine ist das Drehmoment proportional zum Wert des Ankerstroms. Der Sollwert für das Drehmoment wird vom Drehzahlregler abgeleitet. Der Geschwindigkeitsregler fragt also nach einem Drehmoment, das erforderlich ist, um eine bestimmte Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Diese Architektur verwendet innere Rückkopplungsschleifen, um schnell auf Abweichungen zu reagieren, anstatt darauf zu warten, dass sich die Auswirkungen durch den gesamten Regelkreis ausbreiten. Die Fehler werden minimiert, bevor sie sich ausbreiten können . Wenn die interne Stromschleife schneller ist (und sein sollte), hat eine geringfügige Laständerung weniger Einfluss auf die Geschwindigkeit. Generell sollten die internen Schleifen eine höhere BANDBREITE habenals die äußeren Schleifen. Der Gleichstrommotor hat normalerweise eine kleine Zeitkonstante. Auf diese Weise könnte, wenn nur die Drehzahlsteuerung verwendet wird, eine kleine Änderung der Spannung an den Motorklemmen eine große Änderung des Stroms (ungeregelt) verursachen. Ein weiterer Vorteil der Kaskadenregelung ist somit die Möglichkeit, den Strom auf die maximal zulässigen Werte zu begrenzen. Der Punkt hier ist, dass Sie den Strom messen müssen. Ich glaube, Sie erwägen eine bidirektionale Steuerung des Motors, daher sollte eine H-Brücke verwendet werden. Die folgende Abbildung zeigt ein solches System, das in vier Quadranten arbeitet, einschließlich der Strommessung:

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Die folgende Abbildung zeigt eine Möglichkeit, den Motorstrom zu messen und gleichzeitig seine Richtung zu unterscheiden:

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Abgesehen von einem komplexeren sensorlosen System werden zur Messung der Drehzahl üblicherweise Hallsensoren und Optosensoren mit digitalen Steuerungen verwendet, während analoge Schaltungen häufig Tachogeneratoren verwenden. Das gesamte Thema ist umfangreich und erfordert viel zum Thema Steuerung (Modellierung, Systemidentifikation und Simulationen). Auch eine spezielle integrierte Schaltung für die Motorsteuerung wird mit ihren eingebauten Funktionen sehr hilfreich sein.

Drehmoment- und Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors
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