Как известно, крутящий момент двигателя прямо пропорционален потребляемому им току. Таким образом, когда двигатель находится под большой нагрузкой, требуемый крутящий момент будет больше, следовательно, он будет потреблять больше тока.
Для двигателя BLDC ток подается по трем фазам, которые переключаются драйвером двигателя. Но этот драйвер двигателя поставляется с одним источником постоянного тока.
Могу ли я надежно измерить крутящий момент, обеспечиваемый моим двигателем, путем измерения тока, потребляемого драйвером?
Мой двигатель в настоящее время установлен как часть робота-манипулятора, и для управления положением имеется контур ПИД-регулирования.
Мне нужно только получить представление о текущей нагрузке и обнаружить аномалии нагрузки (такие как воздействие, т.е. более высокая нагрузка или потеря полезной нагрузки, т.е. более низкая нагрузка и т. д.).
Учитывая, что я могу рассчитать номинальную нагрузку в любом положении и, следовательно, рассчитать номинальный потребляемый ток, целесообразно ли использовать измерение тока для такого измерения нагрузки?
Есть ли какое-либо исследование по этому поводу, в котором анализируется этот метод контроля крутящего момента / измерения нагрузки, на который я могу сослаться?
Это зависит от драйвера двигателя, но в общем случае нельзя ожидать, что входной ток драйвера будет равен току двигателя. Это связано с тем, что хорошие драйверы двигателей, по сути, переключают источники питания, используя индуктивность двигателя как неотъемлемую часть источника питания. Ток через обмотку может быть выше, чем ток питания, точно так же, как выходной ток понижающего переключателя может быть выше, чем входной ток.
Он не дает вам ток двигателя напрямую, но он говорит вам, сколько энергии потребляет двигатель. Если вы знаете, какое (среднее) напряжение контроллер подает на двигатель, вы можете легко рассчитать ток (поскольку ток = мощность / напряжение). Проблема в том, чтобы получить это напряжение.
Если драйвер BLDC управляется 0-100% ШИМ и напрямую применяет тот же коэффициент ШИМ к двигателю, то (при условии незначительного падения напряжения в драйвере) напряжение двигателя представляет собой просто отношение напряжения питания / ШИМ. Однако, если водитель контролируется, например. сигнал сервопривода, то, вероятно, не будет прямой зависимости 1: 1 между входным управляющим сигналом и напряжением двигателя, поэтому ваше расчетное напряжение будет менее точным. На низкой скорости (низкий коэффициент ШИМ) возможны значительные пульсации тока и дополнительные потери мощности в драйвере и двигателе.
Кроме того, ток двигателя не говорит вам точно, какой крутящий момент производит двигатель, поскольку он включает в себя ток, используемый для преодоления внутренних потерь, а когда двигатель ускоряется, ему требуется дополнительный крутящий момент, чтобы справиться с собственной инерцией. Если вы можете учесть эти эффекты, вы сможете получить разумную оценку выходного крутящего момента.
На что вы можете абсолютно положиться, так это на то, что механическая мощность, выдаваемая двигателем (крутящий момент X скорость), равна входной мощности (напряжение X ток) за вычетом потерь. Нужно уметь точно оценивать потери. Для системы, производящей менее 100 Вт, потери могут составлять от 50 до 100 Вт. Будут некоторые фиксированные потери, некоторые из которых зависят от скорости, а некоторые зависят от нагрузки. Вам также потребуется рассчитать среднее или среднеквадратичное значение тока за соответствующий период времени.
Оценка крутящего момента таким образом не является тривиальной задачей, но может быть выполнена достаточно эффективно. Однако это не обязательно намного проще, чем измерение тока двигателя. Существует множество исследований, посвященных подобным вещам.
Вы можете использовать бесконтактный датчик тока на эффекте Холла (например, от LEM, Allegro или Amploc) вокруг одного из фазных проводов двигателя. Фильтр нижних частот с полюсом где-то между электрической частотой двигателя и частотой ШИМ контроллера, затем либо сэмплируйте его с помощью АЦП, либо используйте одну из этих микросхем преобразователя «истинных среднеквадратичных значений». Это должно дать вам измерение среднеквадратичного тока двигателя, которое идеально пропорционально крутящему моменту.
Вы можете использовать эквивалентность мощности, как указано выше (крутящий момент X скорость) = (напряжение X ток) - Потери, как указано, но остерегайтесь большой емкости вашего звена постоянного тока. Это будет сильно фильтровать сигнал постоянного тока и поэтому не может использоваться для каких-либо измерений крутящего момента переходного характера, только для устойчивого состояния.
Дмитрий Григорьев