PWM versus sprzężenie zwrotne: Jak efektywnie regulować obroty wrzecion CNC?

Fri May 26, 2017 6:18 pm   

W dniu 2017-05-26 o 19:49, Janusz pisze:


Tak, mam silnik DC, choć niekoniecznie chciałem się w wątku ograniczać
do niego. Ale z tego co czytam z Waszych wypowiedzi robi to jednak
zasadniczą różnicę.

Tak więc właśnie myślałem o zastosowaniu "tacho" do stabilizacji obrotów
silnika DC. Jednakże ponieważ nikt(?) tak nie robi, pomyślałem, że
jakaś przyczyna takiego stanu rzeczy więc nie ma co się porywać z motyką
na słońce.


Dzięki za wyjaśnienie. Przy AC faktycznie to da się zrobić :-)


A w przypadku silnika DC sterowanego PWM?

--
Pozdrawiam,
Marek

Fri May 26, 2017 7:45 pm   

Dlaczego? Falowniki mają problem z popędzeniem silnika znacznie powyżej
znamionowych prędkości obrotowych właśnie z powodu niewystarczających
napięć. Tutaj bierzesz silnik pracujący w gwieździe i pędzisz go do
znamionowej (tak naprawdę to przełączenie warto zrobić niżej), a później
przełączasz w trójkąt i znów masz zapas w napięciu zasilania, możesz
kręcić jeszcze wyżej.
Gdybyś chciał to zrobić od razu w trójkącie - da się, ale na dzień dobry
jesteś na wyższych prądach w uzwojeniach, a to kosztuje mocniejszy falownik.


Zwykłe klatkowce z enkoderami na osi. To rozwiązanie udaje takie
budżetowe serwo.


No patrz, a wyżej piszesz, że nie rozumiesz g-t.


Wiesz, tutaj nie chodzi o żadną moc. Ma być moment jak się da największy
i jak to możliwe najdalej na osi prędkości. Tylko tyle. To że przy
okazji wychodzą napędy po 22kW na wrzecionach, to już nie ma znaczenia.
Każdy taki napęd i tak przegrywa z układem z przekładnią. Nie możesz dać
zbyt dużej masy wirującej, aby uzyskać w miarę stałą prędkość (koło
zamachowe), bo będziesz długo rozpędzał i jeszcze dłużej hamował, a przy
małych prędkościach obrotowych "zamach" i tak nie będzie działał.


Też, jak masz małe prędkości obrotowe, to frezowanie dużą głowiczką o
małej ilości zębów znacząco może modulować prędkość skrawania.
To zapewne nie ten przypadek, ale ogólnie...tak właśnie jest.

Tak przy okazji, największe serwo jakie instalowałem miało 130Nm.
Na wrzeciono się kompletnie nie nadawało. Obroty znamionowe 2500rpm,
waga 99kg.
We frezarce za to klatkowiec kręci do 12000rpm i moment maksymalny ma
122Nm. Waga...nie wiem...40kg?


Miłego.
Irek.N.

Fri May 26, 2017 7:46 pm   

Dlaczego? Falowniki mają problem z popędzeniem silnika znacznie powyżej
znamionowych prędkości obrotowych właśnie z powodu niewystarczających
napięć. Tutaj bierzesz silnik pracujący w gwieździe i pędzisz go do
znamionowej (tak naprawdę to przełączenie warto zrobić niżej), a później
przełączasz w trójkąt i znów masz zapas w napięciu zasilania, możesz
kręcić jeszcze wyżej.
Gdybyś chciał to zrobić od razu w trójkącie - da się, ale na dzień dobry
jesteś na wyższych prądach w uzwojeniach, a to kosztuje mocniejszy falownik.


Zwykłe klatkowce z enkoderami na osi. To rozwiązanie udaje takie
budżetowe serwo.


No patrz, a wyżej piszesz, że nie rozumiesz g-t.


Wiesz, tutaj nie chodzi o żadną moc. Ma być moment jak się da największy
i jak to możliwe najdalej na osi prędkości. Tylko tyle. To że przy
okazji wychodzą napędy po 22kW na wrzecionach, to już nie ma znaczenia.
Każdy taki napęd i tak przegrywa z układem z przekładnią. Nie możesz dać
zbyt dużej masy wirującej, aby uzyskać w miarę stałą prędkość (koło
zamachowe), bo będziesz długo rozpędzał i jeszcze dłużej hamował, a przy
małych prędkościach obrotowych "zamach" i tak nie będzie działał.


Też, jak masz małe prędkości obrotowe, to frezowanie dużą głowiczką o
małej ilości zębów znacząco może modulować prędkość skrawania.
To zapewne nie ten przypadek, ale ogólnie...tak właśnie jest.

Tak przy okazji, największe serwo jakie instalowałem miało 130Nm.
Na wrzeciono się kompletnie nie nadawało. Obroty znamionowe 2500rpm,
waga 99kg.
We frezarce za to klatkowiec kręci do 12000rpm i moment maksymalny ma
122Nm. Waga...nie wiem...40kg?


Miłego.
Irek.N.

Fri May 26, 2017 8:38 pm   

W dniu 2017-05-26 o 20:18, Marek S pisze:



i jak mocno, jeżeli się nie grzeje to można próbować podnieść napięcie
zasilania sterownika ale trzeba zwracać uwagę ile sterownik wytrzyma.
Podnosimy i sprawdzamy czy silnik się nie pali, czy za mocno grzeje.
Ale wg mojej wiedzy więcej niż 20-40% nie wydusisz, a jak on się już
teraz mocno grzeje to nic nie zrobisz.

--
Pozdr
Janusz

Fri May 26, 2017 8:52 pm   

W dniu 2017-05-26 o 20:06, Marek S pisze:

zwiększa tylko jego grzanie.




--
Pozdr
Janusz

Fri May 26, 2017 9:00 pm   

W dniu 2017-05-26 o 20:06, Marek S pisze:

Sorry, ale to teraz ja przestałem rozumieć, myślałem że mówiliśmy o
silnikach AC (a)synchronicznych: klatkowych albo magnesowych. W tych
silnikach gonisz go sinusoidą albo prostokątem, ale dla danego napięcia
zasilającego istnieje graniczna częstotliwość powyżej której już silnika
nie pogonisz szybciej, bo bezwładność magnetyczna uzwojeń spowoduje, że
przestaną reagować na pulsowanie napięcia. W tym momencie albo podnosimy
napięcie, co jest drogie, bo wymaga lepszej izolacji uzwojeń, albo
zmniejszamy indukcyjność, co jest tanie, bo mniej drutu się nawinie.

Natomiast teraz piszesz, że masz silnik DC i jak tak piszesz, to
rozumiem, że masz na myśli silnik *komutatorowy*? Bo silnik "DC
hallotronowy" to jest tak naprawdę silnik AC synchroniczny magnesowy
tylko z wbudowanym falownikiem na hallotronie.

No to w silniku DC to jest zupełnie inna sprawa, bo jego trzeba w
zasadzie zasilać prądem stałym, a przynajmniej jednokierunkowym z PWM.
To jest coś innego niż falownik, bo przy falowniku chodzi o wytworzenie
przebiegu przemiennego, a w PWM tylko regulujemy średnią wartość
napięcia stałego - to w tym przypadku indukcyjność uzwojeń działa na
korzyść, bo wygładza napięcie.

Na silnikach komutatorowych to ja się za bardzo nie znam, z teorii wiem,
że większe obroty uzyskuje się przez osłabienie pola wzbudzenia, a to
również będzie obserwowane jako zwiększenie mocy.

Sat May 27, 2017 2:03 pm   

W dniu 2017-05-26 o 22:38, Janusz pisze:


Silnik wcale się nie grzeje. Moc jego to 200W chłodzenie powietrzne. Czy
tylko podnoszenie napięcia ma sens? Na chłopski rozum tak nie powinno
być. Przykładowo, jeśli silnik za pomocą powiedzmy 20% wypełnienia PWM
dale obroty 1000, przykładam materiał do obróbki, obroty spadają do 800,
to zwiększanie wypełnienia PWM w odpowiedzi na feedback z pomiaru
prędkości obrotowej nie przywróci żądanej wartości 1000 obr? Nie
rozumiem dlaczego?

--
Pozdrawiam,
Marek

Sat May 27, 2017 2:51 pm   

On 2017-05-27 16:03, Marek S wrote:

oddziaływania magnesów z wewnętrznymi elektromagenesami (bo tym są
uzwojenia silnika bądź co bądź). Moc natomiast to moment (ograniczony
max. prądem znamionowym) razy obroty.

Sat May 27, 2017 2:58 pm   

On 2017-05-26 20:06, Marek S wrote:

Nie przy pełnej mocy, tylko przy podanym pełnym napięciu. PWM jest
regulacją U. Tymczasem moment silnika jest wprost proporcjonalny do I.
Natomiast I = (U - Back-EMF)/R. Back-EMF jest wprost proporcjonalne do
obrotów. Dlatego silnik zasilanu U znamionowym kręci 12000 obrotów nie
oddając żadnej mocy - I jest wówczas I jałowym (na straty mechaniczne i
elektryczne).

Sat May 27, 2017 4:16 pm   

W dniu 2017-05-27 o 16:51, Pcimol pisze:


No więc właśnie do sendna dochodzimy, którym jest zaganienie
sformułowane w wątku otwierającym. No bo sytuacja ma się następująco (co
bardzo ostrożnie sam przyznałeś): ktoś sobie ogranicza obroty z
maksymalnych do np. 1000 bo tak obrabiany materiał pozwala. Załóżmy, że
do zmniejszenia obrotów potrzebne jest 20% wypełnienie PWM. Przy 20%
wypełnieniu silnik przy zmniejszonych obrotach jest znacznie słabszy bo
mniej mocy dostaje (5x mniej ?). No i żeby zapewnić podobny moment
obrotowy dla takiego wypełnienia to musiałby kupić silnik 5x mocniejszy
- i chyba tak wyłącznie się to odbywa. A ja tymczasem wysuwam nieśmiałą
tezę, że to strata kasy bo lepiej zrobić feedback od istniejącego
słabszego silnika i w zależności od obciążenia regulować automatycznie
wypełnienie PWM. Wtedy nagle nasz silnik na niskich obrotach będzie się
zachowywał jak 5x silniejszy silnik bez takiego sprzężenia i kupa kasy w
kieszeni zostaje. A jednak tak się nie robi bo w domyśle albo to tak nie
zadziała albo zmowa marketingowa obowiązuje.

Chyba tylko pozostaje zbudować takie urządzenie i sprawdzić czy
faktycznie ono coś wniesie lub nie... :(

--
Pozdrawiam,
Marek

Sat May 27, 2017 4:27 pm   

W dniu 2017-05-26 o 23:00, SnCu pisze:


Nie, nie Miałem na myśli małej mocy silnik DC, który dobrze sobie
radzi ale przestaje, gdy zmieniam mu obroty wypełnieniem PWM. Nie
doprecyzowałem więc dyskusja rozrosła się w kierunku AC również...


Zgadza się :)


Tak :)


Ten aspekt w dyskusji też pociągnąłem bo mnie żywo zainteresował, choć
nie ma on nic wspólnego z pierwotnym pytaniem Pewnie dlatego
utrwaliło się nieporozumienie. Sorki :-)

--
Pozdrawiam,
Marek

Sat May 27, 2017 4:49 pm   

On 2017-05-27 18:16, Marek S wrote:

Bez obciążenia napięcie zasilania 5 x mniejsze, silnik zwalnia, back-EMF
też ~5 razy mniejszy. O ile dokładnie zmiejszą się obroty czort raczy
wiedzieć. Stąd nie wiadomo też o ile zmiejszy się prąd. Jednak max.
moment obrotowwy silnika jest jego cechą stałą, zależną od max. prądu,
który to prąd może być chwilowo kilkukrotnie większy od znamionowego -
często decyduje zdolnośc odprowadzania ciepła.
Dołożenie ociążenia (bez zmiany napięcia zasilania) powoduje spadek
obrotów czego skutkiem jest spadek back-EMF i wzrost prądu. Moc
elektryczna rośnie bez zmiany napięcia zasilania. Tym niemniej
zmieniając je uzyskamy wpływ na obroty.



silników DC jest od groma i każdy nieco inną charakterystykę ma. Na byle
AVR można zrealizować regulację PID mając sygnał tacho. W BLDC nawet
tacho niepotrzebne.

Osobiście wyciągam do 50W z przerobionego silnika napędu głowic starego
VCR, gonionego ze sterownika DRV10983.

Sat May 27, 2017 5:14 pm   

W dniu 2017-05-27 o 16:58, Pcimol pisze:



Ok, to wszystko jasne ale z zastrzeżeniem. Regulacja napięcia zawsze
skutkuje regulacją prądu. Tak więc PWM również kluczuje prąd w
konsekwencji. W przeciwnym razie mielibyśmy perpetuum mobile :-)

Drugie zastrzeżenie: moc pobierana przez silnik (czy obciążony, czy też
na biegu jałowym) jest zależna od % wypełnienia PWM.


Punkt 1.
Ok, no to może bardziej obrazowo. Nasz silnik na biegu jałowym ma 12k
obr. Kręcimy potencjometrem sterownika, który zmienia wypełnienie PWM i
tym samym spadają obroty silnika (zgodnie z zastrzeżeniem #2) do 500.
Podkładamy materiał do obróbki. Zgodzisz się ze mną, że opory z tym
związane zmniejszą obroty silnika? Załóżmy, że spadną do tych 490. Ale
my nie chcemy 490, 400, 300, 350, 380, 200, 100, 0 ... i bum, wyleciał
bezpiecznik. My chcemy mieć cały czas 500!

Punkt 2.
Ten sam silnik, ten sam materiał i dla uproszczenia załóżmy, że materiał
nie zmienia swoich właściwości gdy zwiększymy szybkość obrotową
narzędzia. Dajemy PWM 100%, silnik ma jałowe obroty 12k. Podstawiamy
materiał do obróbki. Silnik zwolni, ale... nie zatrzyma się. Ma siłę aby
dalej pracować. Jest wyraźna różnica w zachowaniu się silnika względem p1.

Wniosek: procent wypełnienia PWM rzutuje w bardzo dużym stopniu na
moment obrotowy silnika. Czy wniosek jest prawdziwy, czy nie?

Teza.
Zakładając, że wszystko powyżej to prawda, to hipotetycznie da się
wykonać urządzenie elektroniczne (stabilizator obrotów), które badając
żądane i faktyczne obroty silnika DC będzie tak modyfikowało wypełnienie
PWM aby silnik w warunkach p1 cały czas trzymał żądane przez użytkownika
500 obrotów. Oczywiście do pewnych granic. Tak więc (przypuszczalnie)
jeśli jakiś opór obrabiania materiału był na granicy zablokowania
silnika przy obniżonym % PWM i bez stabilizatora obrotów, to
podwyższenie % PWM przez stabilizator przy wykryciu spadających obrotów
spowoduje, że silnik da sobie radę i to ze sporym naddatkiem.

Prawda czy fałsz?



--
Pozdrawiam,
Marek

Sat May 27, 2017 5:25 pm   

W dniu 2017-05-27 o 18:49, Pcimol pisze:



Zgoda.


Stop w tym miejscu. A co jeśli mamy kluczowanie PWM? W takim przypadku
prąd raz jest raz go nie ma. Zapewne liczy się wartość skuteczna
kluczowanego prądu jako prądu dostarczanego silnikowi. Zablokowany
silnik przy PWM 20% i 100% będzie miał zupełnie inną zdolność do
podniesienia ciężaru na pewnej długości ramieniu = będzie miał zupełnie
inny moment obrotowy.


Oczywiście, to ma być eksperyment jedynie Dopuszczale są wszelkie
jego wyniki z przedziału powodzenie ... niepowodzenie.



--
Pozdrawiam,
Marek

Sun May 28, 2017 11:27 am   

On 2017-05-27 19:25, Marek S wrote:

Silnik widzi zmiane napięcia zasilania (mam na myśli PWM rzędu 20kHz).
Prąd nie spada do zera (damper dioda jest raczek obowiązkowa).
Silnik widzi zmianę napiecia zasilającego.
Oczywiście, że moment bedzie inny, bo prąd będzie inny.


Jak sobie oprogramujesz sterownik, takie będą efekty. AVR pędzony
zegarem 20MHZ jest dostatecznie szybki do silnika, ale trochę matematyki
w tym jest.