Нужна модель изменения сопротивления для коллекторника переменного тока

Обнаружился довольно мутный эффект - у мотора реально меняется активное сопротивление, в зависимости от оборотов и нагрузки. Именно активное, я не ошибся.

Если не ошибся, то вижу два источника только:

1. Из-за нагрузки растет ток и, следовательно, нагрев, что повышает сопротивление обмоток. Но я думаю, что этот эффект не должен себя сильно проявить, так как температуры все же не те, чтобы было заметно.

2. Да, изменение сопротивления коммутатора (сопротивление щетка-сегмент). Модель много факторов должна учитывать, которые часто и определить сложно. Вот навскидку: A General Approach for Brushed DC Machines Simulation Using a Dedicated Field/Circuit Coupled Method.

Как это компенсировать или уменьшить, я не могу сразу сказать. Сам таким не занимался, но пока думаю, что учет в математике сложноват, так как куча физических факторов, которые трудно описать (загрязнились щетки, конструктивные особенности, дугообразование и т. д.).

Может, какая-то постоянная калибровка возможна для исключения этого эффекта. Ведь подключишь другой мотор и модель уже не действует. Да и технологические разбросы от мотора к мотору и изменения качества со временем тоже будут влиять, как я понимаю.

расписать алгоритм калибровки

Для неформализуемых нелинейностей есть стандартный табличный метод: запись измеренных точек в таблицу и ручное сотворение коррекционной таблицы с записью оной в ПЗУ для линеаризации управления.

ну вот зачем с козырей сразу :) еще немножко и он наконец поймет, что его електро-механическая система имеет в неизвестных - мощность. а так в прошлых темах уже пытались плавно подтолкнуть к этой мысли, но не в коня корм

В этом и проблема. Костылять магическими константами под один мотор не интересно. Хотелось бы в аналитическом виде понять, если это вообще возможно.

На калибровке можно померять сопротивление для разных оборотов на холостом ходе, там же где снимается нелинейность характеристики мотора. В принципе если есть какие-то эталонные таблички с графиками, можно было бы попробовать через них подогнать.

Это конечно все здорово, вот только снять характеристику можно только на холостом ходе. А чтобы корректно экстраполировать на остальные режимы, надо понимать что происходит.

можно нейросеть на нодежеес запилить

Угу, и делать калибровку перед началом работы практически каждый раз или время от времени. Там же и щетки изнашиваются, и грязь на ламелях появляется. В общем, так себе занятие.

На калибровке можно померять сопротивление для разных оборотов на холостом ходе, там же где снимается нелинейность характеристики мотора

На холостом... Вот посмотри даже в том документе, что я привел, есть замеры при одном токе I₀ и при токе 3*I₀. В три раза ток увеличили. Как бы наивно ожидаем возрастания напряжения щетки-сегменты в три раза, а по их измерениям это напряжение от тока нелинейно зависит (см. fig. 5), увеличилось не в три раза. А ток увеличится, когда нагрузка увеличится. Это значит, что даже если ты упрешься в своем желании сделать так, то надо провести измерения хотя бы на нескольких нагрузках, а потом интерполировать. Можно потом по результатам получить приближенную кривульку (в кусочно-линейном или аналитическом виде) и загнать ее в ROM или все время считать по формуле, что может быть медленно.

Матмодель, очевидно, будет зависеть от геометрии и конструктивных особенностей. Тебе лучше провести измерения заранее и получить эмпирические зависимости для твоего мотора, которые вогнать в контроллер. Ведь наверняка твое изделие не будет иметь возможности проводить такие эксперименты непосредственно на месте эксплуатации. Вот и получишь заодно понимание, как кривые от нагрузки изменяются.

А можно ли утверждать, что сопротивление зависит в основном от тока (не от оборотов и т.п.)?

При таком раскладе есть шансы выехать малыми силами. Прогон на холостых даст начальный участок кривой, которого скорее всего будет достаточно.

мотор это еще и реактивное сопротивление, под нагрузкой на ротор не стоит им пренебрегать, не забываем, что медь проводов с температурой имеет разное активное сопротивление и помня все это говорить о том, что зависит только от тока как-то странно

Вопрос конкретно про активное сопротивление, которое плывет при постоянной температуре на разных оборотах и нагрузках. Не надо скатываться в банальности из учебника физики.

не бывает в работе двигателя только активного, есть полное. и пока это выглядит как я хочу мэйджикнабер, не выйдет

давай я подброшу тебе идею, чтоб больше не читать ахинею про зависимость активного сопротивления от тока. берем щетки, и ротор и вдруг видим, что это и есть датчик оборотов с числом импульсов на 1 оборот, просто правда? берем шунт, гоним через него ток с щетки, небольшой фильтр и вот уже можно считать и регулировать. просто устал читать потуги погромиста, который называет учебник по электротехнике банальным, даже не заглянув в него

Ну, ты сделай измерения хотя бы. Вот ты утверждаешь, что от оборотов у тебя зависит. Покажи как. А то не ясен характер зависимости и насколько она сильная. И способ измерения тоже.

Это да — один из часто используемых способов, который у них там называется основанным на ripple component. Но и метод управления по динамической модели используется ничуть не не меньше.

можно нейросеть на нодежеес запилить

Шутки шутками, но и такое бездатчиковое управление ДПТ предлагалось и было описано в литературе. Разве что не на node.js. :)

Farkas, F.; Halász, S.; Kádár, I. Speed Sensorless Neuro-Fuzzy Controller for Brush type DC Machines.

Weerasooriya, S.; El-Sharkawi, M.A. Identification and control of a DC motor using back-propagation neural networks.

берем шунт, гоним через него ток с щетки, небольшой фильтр и вот уже можно считать и регулировать

Вот только я предвижу некоторые сложности:

1) сильный шум щеток, за которым трудно будет различить небольшие всплески;

2) у него универсальный мотор, который питается AC и управляется симистором (правильно я понял?), поэтому форма токового сигнала не такая уж приятная, как в случае с DC. И ток можно будет измерять только в течение фазы, когда он будет течь через ЭД.

https://github.com/speedcontrols/ac_sc_grinder/tree/master/doc#motors-resista...

у мотора реально меняется активное сопротивление, в зависимости от оборотов и нагрузки.

Глянул я твою ссылку и увидел, что ты не принимаешь во внимание механическую характеристику универсального ЭД на переменном токе (torque-speed). Она отличается от характеристики работы на постоянном токе, поэтому нужна компенсация. См. IR-компенсацию (IR-compensation, speed droop compensation). Она предполагает измерение тока на шунте (интегральное, разумеется, так как у тебя AC) дополнительно к back EMF. Далее вычисляется добавочка в несколько процентов. У тебя будет две петли обратной связи.

Я полагаю, ты на это и нарвался, а не на изменение активного сопротивления.

ну если пропадание напряжения на зазоре небольшой всплеск :)

Не надо подбрасывать идеи. Просто перестать писать банальности и уводить тему в сторону.

Сенькс. Надо подумать. А там обычно именно несколько процентов, не 10-20?

https://github.com/speedcontrols/ac_sc_grinder/blob/master/doc/data/rpms_vs_v...

Может есть идеи, откуда там в середине (около 0.4) провал? Красная линия - с тахометра, синяя - то что алгоритм «намерил». Сейчас этот провал тупо забили сплайном (померили начало, конец, а середину достроили, чтобы была ближе к логарифму). Возможно так делать не стоило.

И не очень понятно откуда на мелких оборотах начинается такой ад. Я сначала грешил на смещение токового усилителя, но программная компенсация не помогла.

ну если пропадание напряжения на зазоре небольшой всплеск :)

Оно не будет пропадать. Щетка шире зазора. Есть момент, когда щетка перешагивает на следующую площадку, но контакт с предыдущей не пропадает, просто противоположные обмотки закорачиваются. Щетка касается двух соседних площадок коммутатора и цепь не обрывается.

https://e2e.ti.com/blogs_/b/behind_the_wheel/archive/2017/08/16/the-seat-reme...

https://www.ece.utah.edu/eceCTools/Motors/BrushDC/MotorBrushDCCommutation.pdf

Сенькс. Надо подумать. А там обычно именно несколько процентов, не 10-20?

Не думаю. До 10%. Сразу говорю, что от проблемы не избавишься так, а только уменьшишь влияние, так как механическая характеристика такая для универсального ЭД на переменном токе (картинки с характеристиками). У некоторых универсальных двигателей делают компенсацию дополнительной катушкой.

Вот примерно очень в общих чертах блок-схема, чтобы не пересказывать. Описание первой картинки:

http://what-when-how.com/motors-and-drives/drive-control-methods-dc-motors-an...

речь и шла об обмотке, не суть, продолжаем посмотреть за опытами

Вот еще документик ABB об этом же. https://library.e.abb.com/public/8492cb383e941d57852571c3006b0194/Speedtorq.pdf

https://github.com/speedcontrols/ac_sc_grinder/blob/master/doc/data/rpms_vs_v...

Для полноты картины хорошо бы схему цепи измерения.

Может есть идеи, откуда там в середине (около 0.4) провал?

И в этом месте маловато точек по тахометру. У тебя на этом диапазоне в районе 0.2-0.4 для тахометра всего две точки и линейная интерполяция между ними. А надо бы измерить промежуточные значения.

Если есть осциллограф и он позволяет рассмотреть, то измерьте напряжение напрямую и сравните с тем, что должно быть. Имеется ли такой провал в реальности?

Математику исключили? Эти значения - это какие-то усредненные данные на участке измерения back EMF? Как он сэмплируется? Time gap выдержан для ожидания окончания переходного процесса?

Для полноты картины хорошо бы схему цепи измерения.

https://easyeda.com/speed/AC-speed-control-for-grinder

Напряжение просто через делитель на АЦП, ток с шунта через усилитель. Каждые 8 отсчетов - в медианный фильтр. Ничего особенного.

Все достаточно честно, чтобы не козлило таким странным образом.

И в этом месте маловато точек по тахометру. У тебя на этом диапазоне в районе 0.2-0.4 для тахометра всего две точки и линейная интерполяция между ними. А надо бы измерить промежуточные значения.

Не хочется тахометр перемерять. А виртуальную скорость перепроверяли, провал есть, результат повторябельный. Второй аргумент - если коррекцию выхода ПИ-регулятора делать по синему графику, то фигово работает. А если его похакать сплайном, чтобы на красный походил - то сносно.

Если есть осциллограф и он позволяет рассмотреть, то измерьте напряжение напрямую и сравните с тем, что должно быть. Имеется ли такой провал в реальности?

Дык по осцилографу не видно ж ни фига. На синем графике уже скорость после вычислений. Визуально с осциллограммой провести параллели не реально.

Математику исключили? Эти значения - это какие-то усредненные данные на участке измерения back EMF? Как он сэмплируется? Time gap выдержан для ожидания окончания переходного процесса?

Скорость считается на за положительный полупериод сетевого напряжения. Потом это все через медианный фильтр прогоняется, чтобы не колбасило. Синий график - достаточно стабилен, ему можно верить (кроме начального участка). Про Time Gap не понял.

https://easyeda.com/speed/AC-speed-control-for-grinder

Все достаточно честно, чтобы не козлило таким странным образом.

Пришлось и в код твой залезть (кусочками).

p_sum_div_16 += fix16_mul(virtual_voltage, current) >> 4;
i2_sum += fix16_mul(current, current);

// Calculate speed at end of negative half-wave
// In this case active power is equivalent to
// Joule power, P = R * I^2
// R = P / I^2
// r_ekv is equivalent resistance created by back-EMF
// r_ekv = R - R_motor

if (zero_cross_up)
    {
      fix16_t r_ekv = fix16_div(p_sum_div_16, i2_sum >> 4) - cfg_motor_resistance;
      speed = fix16_div(r_ekv, cfg_rekv_to_speed_factor);
...
    }

Я так понимаю, что ты измеряешь с ноги PRB.PWR? Я не понял, ты измеряешь напряжение ПИТАНИЯ (положительную полуволну, отрицательную из положительной получаешь)? Вычисляешь R_emf и далее скорость? Я до сих пор думал и писал ответы, думая, что ты back EMF измеряешь. Но если ты измеряешь напряжение питания, то модель V_пит=V_bemf+I*R_armature здесь не учитывает индуктивность. Даже в статье, которую раньше приводили, об этом упомянуто:

(Иллюстрация) https://www.precisionmicrodrives.com/wp-content/uploads/2018/05/brushed-dc-mo...

We can represent the motor as series connection of resistance, inductance and the back EMF voltage source. It is this voltage source that we want to measure.

When the motor is powered from constant DC voltage and not running (i.e. rotor is stalled, or motor is starting) the only resistance to current flow is coil resistance. The inductance impedes the current when voltage is not constant DC, for example when powered from a PWM source.

Здесь как раз рассмотрен вариант измерения back EMF напрямую после отключения мотора от источника PWM. (в момент, когда он off).

Я пока не могу сразу сказать, объясняет ли индуктивность провал в точке 0.4. Это надо подумать. Твой мотор — одна сплошная индуктивность, потому что он не на постоянных магнитах. https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_motor

Про Time Gap не понял.

А поэтому и не понял, потому что я тебя не понял. Я все время думал, что ты back EMF измеряешь, а там методика такая, что ты отключаешь мотор (это естественным образом происходит, когда PWM управляешь), мотор по-прежнему крутится и генерирует, но нужно не сразу после выключения измерять, а чуть подождать.

Может есть идеи, откуда там в середине (около 0.4) провал?

А поинтересуйся, на какой фазе полуволны симистор отключается в этом районе? И какая фаза в это время у тока (он же сдвинут относительно напряжения).

https://github.com/speedcontrols/ac_sc_grinder/tree/master/doc#speed-calculat...

Насчет моделей и формул лучше curufinwe спрашивать. Я больше по общей архитектурной части. Если правильно понимаю, индуктивности там нет, потому что есть интегралы.

Здесь как раз рассмотрен вариант измерения back EMF напрямую после отключения мотора от источника PWM. (в момент, когда он off).

Это ты говоришь про DC-моторы, потому что у АС нет магнитов и в выключеном состоянии померять ничего не получится.

Что касается DC, то там действительно есть 2 способа измерения backEMF - при открытом ключе и при закрытом. В основном зависит от скважности, юзают то что удобнее. Технически конечно проще на паузе померить, но на максимальных оборотах с этим проблемы.

Я все время думал, что ты back EMF измеряешь, а там методика такая, что ты отключаешь мотор (это естественным образом происходит, когда PWM управляешь), мотор по-прежнему крутится и генерирует, но нужно не сразу после выключения измерять, а чуть подождать.

Понятно. Тут немного иначе. Поскольку симистор, то привязаны к низкой частоте сети. Дальше 2 варианта:

1) Вычисляем индуктивность, и считаем скорость через производную тока, по 2 соседним отсчетам.

2) Считаем интеграл за период (пока течет ток)

В общем, через производную точность была заметно хуже, что не удивительно при таких шумах. А с интегралом на входе остается только ток и напряжение, где выбросы благополучно пришибаются медианным фильтром.

В коде есть еще дополнительные защиты от всяких детских болезней. Типа зануление входов пока симистор закрыт. Чтобы смешение операционника не гадило. Но это чисто алгоритмические штуки (не математика), которые проще по коду смотреть.

Вроде там был опенофисовский файл с графиками напряжения и тока. Сдвиг тока максимум 10%, на максимальной скорости. Симистор, естественно, всегда отключается на противоположной фазе полуволны. Именно потому что ток запаздывает.

Конкретно для 0.4 отставание тока не мерили. Вангую, что в пределах 5%.

Если что, по оси Х уже «виртуальные вольты». Блок контроллера симистора уже сам пересчитывает фазу включения под синусоиду (тупо по табличке).

Это ты говоришь про DC-моторы, потому что у АС нет магнитов и в выключеном состоянии померять ничего не получится.

Хотел как раз потом дописать в текст, но не успел для редактирования. Хотел написать, что в вашем случае напряжение будет, но очень-очень малое. Из-за остаточной намагниченности. Но рассчитывать на этот метод нельзя.

Конкретно для 0.4 отставание тока не мерили. Вангую, что в пределах 5%.

Нет, я не сдвиг тока имел в виду. У тебя фазовый метод управления. Симистор. Чтобы регулировать скорость он работает на разной фазе полуволны (от 0 до 180). Вот в точке 0.4 (на самом деле в районе вот этой просадки в точке 0.4) на какой фазе происходит переключение? Ну и да, интересно, что с током в это же время.

Но рассчитывать на этот метод нельзя.

Да, все именно так. Остаточная намагниченность создает напряжение, но оно очень маленькое, ненадежной непредсказуемой величины и крайне зашумлено.

модель V_пит=V_bemf+I*R_armature

Там не такая модель, а та, которая описана в комментариях в процитированном тобой куске. Сопротивление якоря вычисляется из баланса мощностей. Потребленная от сети мощность равна (потерям мощности на активном сопротивлении в якорной цепи + мощность «ушедшая» на backEMF). Вычитая измеренное при калибровке сопротивление якоря * ток^2, получаем мощность на backEMF и затем скорость.

Скорость у этого двигателя пропорциональна не backEMF, а backEMF/(ток якоря), потому что двигатель с последовательным возбуждением. А отношение backEMF/(ток якоря) мы обозвали R_ekv, потому что по размерности это сопротивление, создаваемое backEMF.

Проще говоря, скорость пропорциональна эквивалентному сопротивлению, создаваемому backEMF, и замерить его довольно просто посчитав баланс мощностей.

берем щетки, и ротор и вдруг видим, что это и есть датчик оборотов с числом импульсов на 1 оборот, просто правда?

Просто только в уме, на практике таким способом ничего померить не получится конкретно у этого двигателя. Форма тока крайне зашумлена, там устойчиво не выделить пульсации от ламелей.

Но весь затык о котором сабж вот в чем.

Допустим, двигатель не вращается, вал зафиксирован. Мы подаем на него напряжение через симистор. Считаем баланс мощностей, в этом случае у нас P = I^2*R, где R - это активное сопротивление всей якорной цепи. И вот это сопротивление получается довольно разное при разных углах открытия симистора! Двигатель не крутится при этом повторюсь.

Вот природу этого явления и хотелось бы понять.

То есть при разном напряжении, подаваемом с триака, сопротивление якоря - разное. Особенно сильно проявляется эффект на низких напряжениях, когда синусоида сильно обрезана под самый конец.

Пока в измерителе скорости это никак не учитывается, и в целом все работает, но есть ряд проблем.

Сопротивление имеет пределы 85 - 110 Ом. Такой порядок, и сопротивление щеток вряд ли имеет соизмеримую величину, так что я думаю причина не в нем, хотя может я и не прав.

Вот в точке 0.4 (на самом деле в районе вот этой просадки в точке 0.4) на какой фазе происходит переключение?

Где-то посередине полуволны.

Пока у меня гипотеза такая - потери на перемагничивание вносят большой вклад в это активное сопротивление. То есть вычисленное по нашей методике R это сопротивление обмотки + «эквивалентное» сопротивление, возникающее от потерь на перемагничивание сердечника. А потери на перемагничивание в теории зависят от величины, частоты и формы тока.

Получается, что при разном угле открытия симистора мы пропускаем ток разной величины и формы, соответственно изменяются потери в сердечнике, причем нелинейно.

Насчет моделей и формул лучше curufinwe спрашивать. Я больше по общей архитектурной части. Если правильно понимаю,

Начали мощности считать. А коэффициент мощности («косинус фи») где? А он у вас при фиксированной нагрузке на валу будет зависеть еще и от формы питания (она у вас несинусоидальная, обрезанная синусоида), то есть от фазы, на которой происходит переключение симистора. То есть когда вы регулируете скорость семистором, то power factor меняется, так как высшие гармоники появились и картина меняется, когда вы крутите ручку регулятора.

power factor не имеет значения, мы считаем баланс именно активной мощности. От сети потреблено P, на обмотке выделилось I^2*R, все что осталось - преобразовано в механическую мощность, по закону сохранения энергии. Вот такой у нас алгоритм. Какая при этом реактивная мощность - тут по барабану.

Баланс же отдельно для активной и реактивной мощностей составляется. Нас интересует активная только.

Просто только в уме, на практике таким способом ничего померить не получится конкретно у этого двигателя. Форма тока крайне зашумлена, там устойчиво не выделить пульсации от ламелей.

Надо сигнал выделить, усилить и автокорелляцию считать. Может, увидите. Метод сам хороший и его используют. Вот документик, где еще спектральный метод применен.

http://www.mdpi.com/2076-3417/7/1/14/pdf

А на странице 1-2 краткий обзор других методов, в которых второй группой как раз перечислен метод определения скорости по ripple component, о которых Morin говорит.

Только у вас осложняется тем, что не DC, поэтому ripple будет находиться на участке обрезанной синусоиды, откуда его надо будет вытаскивать. Но это вариант на подумать. По сути - прямой метод измерения.

Это очень интересно, но такой estimator на порядок сложнее того что у нас сейчас, и по реализации и по объему вычислений на микроконтроллере тоже. А мы уже практически уперлись в предел ресурсов контроллера.

А это все равно, я считаю, связано с формой питания. Появились высшие гармоники. Поэтому я и спросил в самом начале этой ветки про то, на какой фазе провал обнаружился, чтобы проверить гипотезу, что это как-то связано с фазой переключения симистора.

power factor не имеет значения, мы считаем баланс именно активной мощности. От сети потреблено P, на обмотке выделилось I^2*R, все что осталось - преобразовано в механическую мощность, по закону сохранения энергии. Вот такой у нас алгоритм. Какая при этом реактивная мощность - тут по барабану.

Я походу пополню квотезы. вы может как-то не так двигатель рассматриваете? и я не могу понять какие физ процессы вы чем обзываете? пока выглядит очень плохо

Да, это точно связано с фазой симистора, вот только как, какой формулой и можно ли ее вывести из теории?

Но дело не в том, что реактивная мощность не учтена. Она и должна учитываться.

Допустим, что мы таким же методом сопротивление идеального резистора мерим, подавая резаную синусоиду с триака. По формуле P=I^2*R мы всегда получим одно и то же сопротивление резистора, если P и I посчитать как интегралы за период.

Это нетрудно увидеть даже в любой программе моделирования.

То есть для определения сопротивления такого метода достаточно, и никакой power factor тут вычислять не надо.

Но если само сопротивление начинает зависеть от формы тока, или величины тока - то начнутся проблемы, на каждом угле открытия будут разные значения сопротивления получаться, что мы и видим на практике.

Ну укажи на ошибку наконец, товарищ профессор )))

Напиши правильные формулы и конкретно скажи что не так. А то пока создается впечатление, что это ты как-то не так понимаешь основы электротехники.

Действительно, давайте выкинем индуктивность рассеяния из двигателя, его же там нет, как и вообще индуктивности и магнитных полей, будем рассматривать движок исключительно как резистор

У тебя есть переменное U сети, I через двигатель, сдвиг между напряжением и током тоже померили, допустим. Надо вычислить мощность, преобразованную двигателем в механическую. Считаем, что потерь кроме как в меди обмотки якоря нет. Напиши формулу, как.

Магнитные поля - это реактивная мощность, внезапно. А в механическую преобразовывается активная. Вот же ж.

Ну так маленько напрягись еще, вы мерите полную электрическую мощность, а вот преобразовано в механическую будет далеко не все.

Мы мерим АКТИВНУЮ мощность, понимаешь блин? Нафиг мне твою полную мерить. Я мерю АКТИВНУЮ!

P = U*I*cos(phi) - вот это.

Оно же - интеграл(u*i*dt) где u и i - мгновенные значения напряжения и тока на каждом отстчете.

Из этой АКТИВНОЙ мощности в механическую будет преобразовано все за вычетом потерь АКТИВНОЙ ЖЕ мощности (I^2*R). Поля рассеивания тут абсолютно похеру.

Да, все именно так. Остаточная намагниченность создает напряжение, но оно очень маленькое, ненадежной непредсказуемой величины и крайне зашумлено.

Я где-то натыкался на документ, но не могу его найти, а искать сейчас не могу, где рассматривается метод измерения обратного выброса (spike) после отключения ЭД от питания. И по нему вроде как скорость оценивали.

UPD. Ага, нашел. Sensorless speed measurement for brushed DC motors

Пишут, что точность 10% на всем рабочем диапазоне получили. Просто в копилочку.