Dalam motor DC, apakah ada satu titik pergantian yang optimal dalam semua hal?

Pertanyaan baru-baru ini membuat saya berpikir tentang waktu pergantian, dan mengapa memajukannya dapat diinginkan. Namun, saya ingin mempertimbangkan lebih dalam fenomena yang mendasarinya, dan saya cukup yakin pemahaman saya tidak lengkap, jadi saya pikir saya akan mencoba pertanyaan baru.

Bidang stator dan rotor bergabung untuk membuat bidang keseluruhan yang dirotasi, dan beberapa motor memajukan waktu pergantian untuk mengurangi lengkungan komutator. Inilah ilustrasi, dari artikel ini tentang sistem kelistrikan bawah laut :

distorsi lapangan

Bagian di mana ini muncul adalah membahas generator, sehingga panah berlabel "rotasi" mundur jika kita berpikir ini sebagai motor. Jika ini adalah motor, dengan arus dan medan yang ditarik, kita akan mengharapkannya untuk berbelok ke arah yang berlawanan, berlawanan arah jarum jam.

Karena pada label titik "bidang netral baru" rotor tidak melewati garis gaya magnet, tidak ada tegangan induksi, jadi jika pergantian dilakukan di sini akan ada lengkungan minimal.

Tetapi, dengan memindahkan titik komutasi, apakah kita telah mengorbankan beberapa parameter lainnya? Sudahkah kita mengurangi torsi? Efisiensi? Atau apakah ini titik pergantian optimal dalam semua hal?

motor electromagnetism

— Phil Frost
sumber

Mengapa orang memilih untuk menutup ini? Sepertinya pertanyaan yang ditanyakan dengan baik dan sesuai topik untuk saya.

— Olin Lathrop

Hanya memikirkan pernyataan energi potensial. Saya akan mengatakan motor berputar karena ada torsi. Torsi adalah bagian integral dari gaya yang bekerja pada apa pun yang terpasang pada poros yang berputar. Anda mencoba untuk memaksimalkan kekuatan ini pada waktu tertentu dengan mengendalikan arus ke fase yang berbeda. Pikirkan tentang kasus statis di motor brushless (motor memegang posisi tetap), yang menunjukkan kepada Anda bagaimana medan magnet diorientasikan. Ketika semuanya bergerak Anda akan mendapatkan kembali EMF tapi saya pikir orientasi relatif tidak berubah.

— Guy Sirton

Dari pencarian Google cepat tampaknya ada dua faktor dalam bermain mengenai fisika penundaan vs kecepatan: induktansi dan saturasi magnetik.

— Guy Sirton

@GuySirton dalam kasus motor brushless memegang posisi tetap (lebih mungkin motor stepper), bidang disejajarkan dan terlihat seperti gambar A, jika tidak ada torsi yang signifikan pada rotor.

— Phil Frost

@ PhilFrost Yang ingin saya katakan adalah berpikir tentang mengisolasi bagian statis dari dinamika. Ambil motor pegang Anda dan mulai putar dalam kecepatan konstan melalui motor lain. Satu-satunya hal yang akan Anda lihat adalah kembali EMF (AFAIK) yang akan menyebabkan penurunan torsi di seluruh papan tetapi Anda tidak akan melihat perubahan fase jika Anda membuat grafik torsi vs posisi. Saya cukup yakin fase ini maju ketika mengemudi sistem karena faktor-faktor dalam komentar saya di atas, induktansi (butuh waktu untuk arus untuk berubah melalui induktor) dan non-linearitas terkait dengan magnet (saturasi dll)

— Guy Sirton

Jawaban:

Pemahaman saya adalah bahwa motor ingin berbelok berlawanan arah jarum jam karena ini mewakili energi potensial yang lebih rendah dengan melepaskan medan dan menyelaraskan bidang stator dan rotor. Apakah ini benar?

Itu berubah karena gaya yang bekerja di sekitar sumbu rotasi itu. Kekuatan-kekuatan tersebut menciptakan torsi yang pada gilirannya menciptakan percepatan sudut rotor.

Tetapi jika kita memindahkan titik pergantian ke sana, bukankah kita memutar bidang stator, mengarah ke bidang netral baru yang baru? Jika kita mengulangi penyesuaian ini, apakah ia bertemu pada titik pergantian yang optimal atau apakah kita terus berputar di semua tempat? Apakah titik pergantian ini optimal dalam semua hal, atau adakah beberapa kompromi yang harus dilakukan?

Menurut definisi setiap kali Anda memutar salah satu bidang Anda memiliki bidang netral baru. Seluruh titik pergantian dalam motor adalah untuk menjaga bidang netral pada sudut di mana torsi dimaksimalkan.

Saya selalu mendengar bahwa waktunya harus lebih maju dengan kecepatan lebih tinggi. Tetapi apakah ini benar-benar benar, atau apakah ini merupakan fungsi dari kekuatan arus / medan belitan, yang kebetulan berkorelasi dengan kecepatan dalam kasus beban mekanik konstan?

Saya pikir Anda mencampur dua efek di sini. Mari kita pertimbangkan motor tanpa sikat. Mengingat arus yang mengalir melalui belitan, ia akan mengendap di bidang netralnya. Pada titik ini torsi adalah nol (mengabaikan gesekan). Sekarang mulailah memutarnya perlahan dengan tangan dan buat grafik torsi vs posisi. Maksimum grafik itu adalah titik pergantian "kecepatan lambat optimal" Anda. Anda bisa memperoleh perkiraan yang sangat dekat dari grafik itu menggunakan model matematika. Saya tidak akan menyebut ini sebelum waktunya. Tergantung pada jumlah fase dan kutub itu akan berada pada beberapa sudut tetap dari bidang netral. Dalam sistem brush-loop tertutup dengan encoder posisi dan tidak ada sensor efek hall Anda biasanya akan melalui urutan di mana Anda meletakkan beberapa arus melalui belitan untuk menemukan posisi bidang netral.

Dalam situasi dinamis Anda ingin terus memutar bidang di bawah kendali Anda untuk menjaga fase yang sama vs magnet tetap. Karena induktansi dan berbagai efek non-linear seperti saturasi magnetikdan suhu, waktu kontrol perlu berubah sebagai fungsi kecepatan untuk mencoba dan mempertahankan fase yang sama antara bidang. Pada dasarnya ada penundaan antara waktu perintah diberikan dan perubahan aktual di lapangan sehingga perintah diberikan sebelumnya, "lanjutan", untuk mengimbangi itu. Dalam motor yang disikat, Anda hanya dapat memiliki satu gerak maju fase tetap sehingga Anda perlu membuat semacam kompromi jika Anda berencana untuk beroperasi dalam kecepatan yang berbeda. Ada juga kompromi statis dalam motor yang disikat, misalnya ukuran sikat dan sifat on / off dari kontrol. Dalam beberapa situasi, keterlambatan ini dapat diabaikan.

Apakah driver BLDC tanpa sensor yang mendeteksi back-EMF zero crossing untuk menemukan titik pergantian sebagai contoh motor tersebut?

Saya akan berpikir penyeberangan kembali EMF-belakang tidak cukup. Mereka hanya mencerminkan posisi "statis" yang dijelaskan di atas. Jadi Anda perlu mengetahui parameter motor juga sebelum Anda dapat mengoptimalkan kontrol Anda (misalnya menggunakan sesuatu seperti kontrol berorientasi lapangan )

— Guy Sirton
sumber

Ketika Anda berkata, "Anda bisa memperoleh perkiraan yang sangat dekat dari grafik itu menggunakan model matematika," itulah pertanyaan sebenarnya. Saya tahu ada beberapa titik di mana torsi dimaksimalkan. Di mana itu, dan mengapa? Induktansi tidak diragukan lagi akan memainkan bagian, tetapi saya tidak berpikir itu segalanya. Dan dalam kondisi apa dalam kondisi pengoperasian normal, saturasi magnetik akan ikut berperan? Dengan asumsi saya menjaga arus berliku dalam spesifikasi, bukankah inti dirancang untuk tidak jenuh?

— Phil Frost

Catatan saya berbicara tentang sistem statis di sana. Untuk alasan simetri, saya mengharapkan maksimum berada tepat di antara dua titik torsi nol (jumlah titik torsi nol adalah jumlah kutub kali jumlah fase dibagi dengan 2 IIRC). Anda dapat Google untuk model tetapi di sini adalah satu: robot2.disp.uniroma2.it/~zack/LabRob/DCmotors.pdf

— Guy Sirton

@ PhilFrost: Makalah ini membahas pemodelan saturasi magnetik: personal-homepages.mis.mpg.de/fatay/preprints/Atay-AMM00.pdf . Secara intuitif saya pikir penundaan induktansi dan switching adalah alasan urutan pertama untuk mengubah fase dengan kecepatan. Jika Anda mencari model matematika sederhana untuk menjelaskan semua yang terjadi pada motor, saya rasa Anda tidak akan menemukannya. Bahkan model yang sangat rumit masih merupakan perkiraan. Namun sebagian besar itu tidak masalah.

— Guy Sirton

Makalah itu menyajikan model untuk saturasi magnetik di motor universal, tetapi apakah itu berlaku ketika kita tidak berbicara tentang motor universal, dan, apa hubungannya dengan penyesuaian waktu pergantian?

— Phil Frost

@PhilFrost: Menurut scholarsmine.mst.edu/post_prints/pdf/... "Model matematika dari BLDCM harus mencakup dampak variasi keengganan dan yang paling penting, saturasi magnetik yang keberadaannya tidak bisa dihindari ketika torsi besar yang dihasilkan." Kejenuhan mengubah perilaku dinamis sehingga akan mempengaruhi fase antara arus dan torsi pada motor yang berputar. Setidaknya, begitulah cara saya memahaminya.

— Guy Sirton

Anda benar bahwa titik netral adalah tempat set point kuas akan ditempatkan secara nominal. Ketika rotor berputar, medan tidak bergerak secara efektif (banyak), karena gerakan rotor akan menyebabkan rangkaian lilitan angker berikutnya diberi energi. Dengan demikian gambar bidang dalam "C" hanya akan "bergoyang" ketika gulungan angker yang berbeda lewat.

Untuk produksi torsi maksimum, Anda ingin agar fluks armature dan fluks medan disejajarkan dengan benar dan pada "kekuatan penuh". (Mengabaikan torsi itu benar-benar interaksi arus dan fluks ...)

Perhatikan bahwa ada konstanta waktu untuk peningkatan arus pada lilitan jangkar karena hambatan lilitan dan induktansi. Ini menyebabkan penundaan fluks / arus jangkar. Jika keterlambatan ini tidak dikompensasi, maka produksi torsi optimal tidak akan tercapai. Meningkatkan sudut pergantian adalah salah satu cara untuk mengatasi hal ini.

Sudut gerak maju yang "benar" tergantung pada kecepatan rotor, konstanta waktu dari rangkaian angker dan jumlah kutub angker. Karena konstanta waktu jangkar adalah waktu yang tetap, untuk kecepatan rotor yang lebih cepat, sudut gerak maju perlu ditingkatkan.

— madrivererik
sumber

Pada titik mana jangkar dan bidang "selaras dengan benar"? Lihat, saya sebelumnya berasumsi bahwa alasan untuk memajukan titik komutasi adalah karena arus yang tertinggal di belakang tegangan seperti yang Anda gambarkan, tetapi jika Anda membaca beberapa jawaban untuk pertanyaan yang saya tautkan, Anda mungkin melihat bagaimana saya pikir mungkin itu tidak terjadi. yang ada hanyalah itu.

— Phil Frost

Inilah titik lain dari kebingungan: katakanlah kita dapat mengkompensasi kelambatan saat ini dengan sempurna, sehingga medan magnet armature selalu persis seperti pada gambar B, di atas. Bukankah keseluruhan bidang masih terdistorsi seperti pada Gambar C, yang mengarah ke kebutuhan untuk menyesuaikan waktu lebih?

— Phil Frost

Pesawat netral tidak tergantung pada kecepatan, hanya arus. Medan magnet stator (horisontal dalam gambar Anda di atas) dan medan magnet dinamo (vertikal dalam gambar Anda di atas) tidak benar-benar "ditambahkan" bersama kecuali jika Anda menganggap masing-masing bidang sebagai vektor. Jika demikian, maka Anda harus dapat melihat bahwa bidang netral dapat bergerak ketika dua bidang berubah terhadap satu sama lain (misalnya, jika medan magnet stator tetap sama dan medan magnet dinamo bertambah atau berkurang, bidang netral akan pindah). Karena itu, Anda dapat melihat mengapa bidang netral bergantung pada arus, bukan kecepatan. Arus melalui stator dan / atau dinamo (yang tergantung pada beban) menentukan kekuatan medan magnet, yang pada gilirannya menentukan lokasi bidang netral.

Sikat dapat digeser untuk menyelaraskannya dengan bidang netral. Tetapi mengingat fakta bahwa lokasi bidang netral tergantung pada beban, mungkin tidak ada posisi yang ideal ("diselaraskan dengan benar") untuk menggeser kuas Anda karena sebagian besar aplikasi tidak memiliki titik muatan tunggal. Ini juga penting untuk diingat jika aplikasi Anda membutuhkan rotasi di kedua arah. Dalam pengalaman saya, sebagian besar perancang motor mengandalkan kombinasi pengalaman masa lalu dan eksperimen untuk menentukan penyelarasan kuas yang tepat untuk aplikasi yang diberikan.

— Eric
sumber

Saya kira itu kurang lebih apa yang saya duga akan terjadi. Saya sedang mempertimbangkan bahwa bidang menambahkan seolah-olah mereka adalah array vektor - saya bukan benar-benar ahli matematika jadi saya tidak yakin dengan istilah yang benar. Tapi, saya masih bertanya-tanya, jika kita memutar titik pergantian untuk memenuhi titik netral, bukankah itu juga memutar medan magnet dinamo, yang mengarah ke titik netral baru?

— Phil Frost

Apakah menggeser titik komutasi ke bidang netral (di mana pun itu) juga memaksimalkan torsi, atau apakah meminimalkan komutator yang timbul dengan mengorbankan torsi?

— Phil Frost