Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Brushless DC Motor Controller Field Oriented Control


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von TM (Gast)


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Hallo,

Ich möchte einen Brushless DC Motor Controller für Modellbaumotoren 
entwickeln und möchte diese mittels Field Oriented Control ansteuern.
Hierzu möchte ich den LPC1313 nutzen.

Zusätzlich soll die Leistungselektronik wie im Wiki unter
http://www.mikrocontroller.net/articles/Brushless-Controller_f%C3%BCr_Modellbaumotoren
beschrieben aufgebaut werden.

Die Back EMF messung brauche ich dann allerdings nicht mehr oder, da ich 
zwei Ströme von zwei Strängen messe und damit arbeite oder habe ich da 
was falsch verstanden ?


Freundlichen Gruß

von Bernardo F. (bernardo)


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Hallo TM,

bei der feldorientierten Regelung wird in Abhängigkeit von der Lage
der Permanentmagnete der Strom so eingeprägt, dass beide Felder
(Permanentmagnet- und Motorstromfeld) während der Drehung möglichst
(elektrisch) senkrecht aufeinander stehen; -> max. Drehmoment bei geg.
Bestromung der Wicklungen.

Zur Lagebestimmung benötigt man Geber oder bei sensorlosen Verfahren
z.B. die induzierte Spannung (Back EMF), zur korrekten Stromeinprägung
eine mindestens zweisträngige Strommessung samt Regelung.

Also: man benötigt beide Informationen, Strangstrommessung und Back EMF.

Viele Grüße

von TM (Gast)


Angehängte Dateien:

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Alles klar danke also zusammengefasst:

- Strom messen in zwei Phasen
- Back EMF

Den Leistungsteil würde ich wie im Anhang gezeigt auslegen.

von Bernardo F. (bernardo)


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Hallo TM,

Schaltungsvorschlag mit klassischer Bootstrap-Schaltung ist für kleine 
bis mittlere Leistungen durchaus OK, dennoch wäre es empfehlenswert, die 
Werte des Bootstrap-Kondensators und der Gatewiderstände nach einer 
IR-Application Note (dt04-4.pdf) nochmals zu überprüfen und aus 
Symmetriegründen auch in die Halbbrücke des Stranges A einen Shunt 
einzubauen (dessen Spannungsabfall aber nicht zwingend erfasst werden 
muss).

Zudem bin ich persönlich trotz der Problematik der Potentialtrennung 
eher ein Freund der direkten Strangstrommessung mit Mittelung über eine 
Abtastperiode, da man beim Messen der Emitter- bzw. Source-Ströme der 
Halbbrücken mit AD-Wandlung strenge Synchronisation zwischen 
Stromabtastung und PWM-Pulsung benötigt (siehe z.B. Hinweise in 
BB3PHCRMSRART.pdf von Motorola/Freescale); aber das ist vermutlich 
Geschmackssache.

Viele Grüße

von TM (Gast)


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Bernardo F. schrieb:
> Hallo TM,
>
> Schaltungsvorschlag mit klassischer Bootstrap-Schaltung ist für kleine
> bis mittlere Leistungen durchaus OK, dennoch wäre es empfehlenswert, die
> Werte des Bootstrap-Kondensators und der Gatewiderstände nach einer
> IR-Application Note (dt04-4.pdf) nochmals zu überprüfen und aus
> Symmetriegründen auch in die Halbbrücke des Stranges A einen Shunt
> einzubauen (dessen Spannungsabfall aber nicht zwingend erfasst werden
> muss).
>
> Zudem bin ich persönlich trotz der Problematik der Potentialtrennung
> eher ein Freund der direkten Strangstrommessung mit Mittelung über eine
> Abtastperiode, da man beim Messen der Emitter- bzw. Source-Ströme der
> Halbbrücken mit AD-Wandlung strenge Synchronisation zwischen
> Stromabtastung und PWM-Pulsung benötigt (siehe z.B. Hinweise in
> BB3PHCRMSRART.pdf von Motorola/Freescale); aber das ist vermutlich
> Geschmackssache.
>
> Viele Grüße

Danke für die Anregungen werde mir die Application Notes mal anschauen.
Der Regler soll eigentlich recht klein werden von daher wäre ein 
weiterer Shunt eher unschön. Gibt es vielleicht eine bessere Möglichkeit 
die Ströme zu messen?

Als Dauerstrom soll ca 12A-16A angedacht sein. Wie genau muss ich die 
Strommessung überhaupt auslegen hierzu habe ich bisher noch nichts 
gefunden.

Freundlichen Gruß

Tobias

von Bernardo F. (bernardo)


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Hallo Tobias,

der dritte Shunt ist nicht zwingend erforderlich, zwei gehen auch.

Die Stromregelung ist leider nicht mehr ganz trivial:
Hierzu werden zunächst die beiden gemessenen Strangströme
mit Hilfe zweier Transformationen (Clarke- und Park-Transformation)
in zwei Komponenten umgerechnet, von denen eine immer in Richtung
des rotierenden Magneten zeigt (d-Komponente) und die andere
dazu senkrecht ist (q-Komponente).

Die Stromkomponente der d-Achse (auch: Längsachse oder direct axis)
wird nur bei Feldschwächbetrieb verändert und wird im Normalfall
zu Null geregelt, d.h. Stromsollwert gleich Null. Die Stromkomponente 
der q-Achse (auch: Querachse oder quadrature axis) erzeugt das Feld 
senkrecht zum Magneten und ist daher für das Drehmoment verantwortlich. 
In erster Näherung ist dieser Stromanteil proportional zum entwickelten 
Drehmoment des Motors. Dieser Stromanteil ergibt sich also über eine 
Stromregelung aus dem Drehmomentsollwert. Man hat damit wieder 
Verhältnisse ähnlich wie bei einer Gleichstrommaschine, nur dass eben 
alles noch zusätzlich rotiert.

Für beide Stromregler (Längs- als auch Querachse) verwendet man 
normalerweise getrennte PI-Regler. Die Stromregelkreise sind die 
schnellsten bei den unterlagerten Antriebsregelkreisen und wurden früher 
deshalb häufig mit analoger Schaltungstechnik realisiert. Heute sind die 
Realisierungen zumeist digital, aber mit Abtastraten im kHz-Bereich. Die 
Auflösung ist besonders bei so kleinen Strömen von untergeordneter 
Bedeutung, die üblich verbauten 12bit-Wandler reichen also völlig aus.

Viele Grüße

von gonzo (Gast)


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Hi Tobias,

bzgl. des dritten Shunts schließe ich mich Bernardo an. Ich würde aus 
Symmetriegründen auch noch einen weiteren Shunt vorsehen auch wenn dort 
keine Strommessung benötigt wird. Auch für einen Querstromschutz ist 
dieser zusätzliche Shunt sinnvoll. Wenns dir um den Platz geht kannst Du 
dir auch noch die Single Shunt Lösung ansehen. Hierbei wird wie der Name 
schon sagt nur ein Shunt benötigt. Dieser wird dann direkt im 
Zwischenkreis platziert. Der Nachteil dieser Methode ist aber das man 
die Ströme relativ aufwendig erfassen muss. D.h. hier kommt es auf sehr 
genaues Timing der AD Wandlung an. Weiterhin gibt es Bereiche in denen 
man nur einen Strom messen kann. Hier muss man dann ggf. noch weiter in 
die Trickkiste packen.
Bzgl. der Auslegung der Strommesskreis musst Du dir überlegen welchen 
Nennstrom Du hast (Achtung Spitzenwerte!). Dann rechnet man noch einen 
gewissen Aufschlag drauf für Beschleunigungsphasen und ggf. noch eine 
Reserve. 30% über dem Nennstrom könnte hier z.B. ein Daumenwert sein. 
D.h. Nennstrom nehmen, Spitzenwert berechnen und dann 30% aufschlagen 
und Du hast den Messbereich deiner Strommessschaltung. Die Verstärker 
Schaltung musst Du mit Offset auslegen da Du ja positive und negative 
Ströme messen willst. D.h. wenn kein Strom fließt misst Du den halben AD 
Wert. Bei der Filterung musst Du aufpassen dass Du nicht zu stark 
filterst. Du misst bei der drei Shunt Lösung ja im PWM Raster in der 
Mitte eines PWM Pulses und die Stromessschaltung muss bis zum Abtasten 
eingeschwungen sein. Das muss auch noch bei sehr kurzen Pulsen 
funktionieren.

Viele Grüße

von Marius P. (marius_p)


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http://open-bldc.org/wiki/Open-BLDC
Du könntes dir mal das open source projekt anschaun, könnte ein paar 
Anregungen für dich hervorbringen.

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