ponte H motore DC controllo PWM e frenata

[AndreaBad]

buongiorno a tutti
sto facendo alcuni esperimenti con dei motorini in continua pilotati con dei moduli ponte ad H.
Ho disponibili dei moduletti L298N, L9110S già disponibili su circuito stampato e collegabili direttamente ai pin PWM di microcontrollori e Arduino. Il ponte ad H può essere pilotato in PWM sia per marcia avanti che per marcia indietro.

Spiego prima il mio dubbio - se possibile conferma e suggerimenti - sul funzionamento del ponte H con segnali PWM, specialmente nella fase di frenata inversione velocità.
VEDERE ALLEGATO ponte_H_PWM_frenata.pdf per le fasi 1-2-3-4-5-6 e commenti qui seguenti.

Pensando di pilotare un motore DC in PWM con duty 50% ci si troverebbe alternativamente le seguenti fasi 1-2. : nella fase 1 il motore viene pilotato e la corrente fluisce nel motore attraverso i transistor, nella fase 2 la corrente circola nei diodi volano e si richiude verso l'alimentazione in frenata di "recupero" -- per questo penso di inserire un elettrolitico e un diodo di blocco sull'alimentazione per protezione --
Ora stavo pensando cosa succede se comincio a pilotare in PWM in marcia indietro: le prime fasi di frenata sarebbero le 3-4. In queste fasi la corrente non cambia verso subito per l'induttanza del motore, la corrente circola sui diodi volano o sui transistor corrispondenti (poco cambia nelle due fasi 3-4) durante la frenata.
Successivamente fasi 5-6 la corrente cambia verso e il motore cambia verso di rotazione.

Domande:

1. Sono giuste queste le considerazioni sulle fasi 1-2-3-4-5-6?

2. per la protezione dell'alimentazione per il controllo in PWM e fasi di frenata basta un elettrolitico da 10-100uF ? I motorini che sto valutando sono da 6VDC, corrente nominale 800mA, corrente max 2.5A

3. Mio scopo è realizzare un semplice controllore pid per controllo posizione avendo come feedback l'encoder incrementale del motore (ho trovato già alcuni progetti per Arduino): il pid compara il riferimento di posizione imposto con la posizione letta dall'encoder e come uscita regola il duty cycle dell'onda quadra PWM del comando motore DC (Arduino AnalogWrite), in base al segno della correzione sul segnale PWM marcia avanti o indietro.
Volevo fare una esercitazione portando il controllore in oscillazione in risposta al gradino, quindi mi aspetto che durante l'assestamento alla posizione finale il motore oscilli avanti e indietro un po' prima di assestarsi a regime (e quindi cambi spesso direzione come sopra specificato). Prima di bruciare componenti o volevo un parere.

Grazie in anticipo
Andrea

[EcoTan]

Bisogna distinguere fra il recupero dell'energia magnetica nell'induttanza di dispersione o esterna, e la frenata in corto circuito o in controtensione che non recupera energia. La frenata a recupero è un'altra cosa e non si fa con un ponte H.
EDIT si fa anche con un ponte H, nella prima delle modalità citate al post [7].
Ma alla fine il tuo schema è corretto e queste mie precisazioni influiscono soltanto nel senso di abbassare facoltativamente il dimensionamento del condensatore di recupero sull'alimentazione, ed aumentare invece il dimensionamento del ponte come corrente massima.
L'encoder dovrà essere del tipo in quadratura, visto che prevedi movimenti in ambo i sensi.
Buon divertimento e noterai un sacco di cose.

[AndreaBad]

Bisogna distinguere fra il recupero dell'energia magnetica nell'induttanza di dispersione o esterna, e la frenata in corto circuito o in controtensione che non recupera energia. La frenata a recupero è un'altra cosa e non si fa con un ponte H.
Ma alla fine il tuo schema è corretto e queste mie precisazioni influiscono soltanto nel senso di abbassare facoltativamente il dimensionamento del condensatore di recupero sull'alimentazione, ed aumentare invece il dimensionamento del ponte come corrente massima.
L'encoder dovrà essere del tipo in quadratura, visto che prevedi movimenti in ambo i sensi.
Buon divertimento e noterai un sacco di cose.

grazie EcoTan,
aggiungo solo un nota riguardo frenata in corto / controsenso / "recupero". Ragionando sulle fasi in cui lavora il ponte H in PWM in marcia o freno, stavo verificando che in diverse fasi - più di quelle che inizialmente pensavo - la corrente si richiude verso l'alimentazione (2, 3, 4, 6). Per questo come dicevo metterò un condesatore + diodo di blocco, per proteggere l'alimentazione in modo da attutire eventuali sbalzi di tensione (non vado in "recupero" di energia ma voglio solo proteggere l'alimentazione).

invece per le configurazioni di "recupero" energia: vedevo su altri link come questo, viene spiegato sinteticamente, con le classiche configurazioni mezzo ponte o ponte H
https://electronics.stackexchange.com/q ... a-dc-motor

[EcoTan]

Non ho ancora guardato bene il tuo link ma non è che mi convinca troppo, spero di avere qualche altro parere. Se davvero vuoi sperimentare, potresti mettere due motori gemelli, uno alimentato direttamente dalla stessa batteria che trascina l'altro usato come generatore. Vedi un po' se ti riesce di erogare potenza da quest'ultimo verso la stessa batteria tramite un mezzo ponte frenandolo giocando col duty cycle.
P.S. Può darsi che si riesca, magari aumentando artificialmente l'induttanza in serie al motore e usando una frequenza di PWM abbastanza alta, cose che poi nuocciono al rendimento nella marcia normale ma con un controllo abbastanza sofisticato si potrebbe ovviare.
Tornando al tuo problema del dimensionamento della capacità, visto che dipende da tanti parametri ancora indefiniti, direi di cominciare da un valore alto e poi controllare cosa fa la tensione durante le pendolazioni del sistema.

[AndreaBad]

Non ho ancora guardato bene il tuo link ma non è che mi convinca troppo, spero di avere qualche altro parere. Se davvero vuoi sperimentare, potresti mettere due motori gemelli, uno alimentato direttamente dalla stessa batteria che trascina l'altro usato come generatore. Vedi un po' se ti riesce di erogare potenza da quest'ultimo verso la stessa batteria tramite un mezzo ponte frenandolo giocando col duty cycle.
P.S. Può darsi che si riesca, magari aumentando artificialmente l'induttanza in serie al motore e usando una frequenza di PWM abbastanza alta, cose che poi nuocciono al rendimento nella marcia normale ma con un controllo abbastanza sofisticato si potrebbe ovviare.
Tornando al tuo problema del dimensionamento della capacità, visto che dipende da tanti parametri ancora indefiniti, direi di cominciare da un valore alto e poi controllare cosa fa la tensione durante le pendolazioni del sistema.

grazie mille Eco Tan,
aggiungo i modelli del ponte H e del motorino simile che sto per utilizzare.
perché avrei un altro quesito o necessità di confronto durante la frenata del motore agendo sull'alimentazione in PWM:
motore : https://www.amazon.com/Encoder-Metal-Ge ... B07GNGGCVP
regolatore ponte H-bridge (+ datasheet): https://www.twinschip.com/L298N_Dual_H_ ... tor_Module

in base a quanto indicato precedentemente io posso andare a pilotare il motore avanti e indietro agendo in PWM sul ponte H: pilotando in un verso la tensione di alimentazione o nell'altro parzializzandola in PWM.
Dal circuito del ponte H dell' L298N ho i diodi volano di free-wheel (bene) e un condensatore da 220uF in parallelo all'alimentazione (bene).
Se ora penso al motore come una maglia R L E in marcia e applico un comando PWM all'armatura tensione media (U). la legge di maglia del motore:
U - E = R * I
dove I è la corrente di alimentazione (indotto)
U tensione di alimentazione che applicao
E è la tensione controelettromotrice f.e.m. proporzianale al flusso di eccitazione e alla velocità del motore (U - E < U)
(L risulta carica a regime scompare dall'equazione)
Ora se spengo i mosfet del ponte o applico una tensione PMW nell'altro verso vado in frenata nel senso che al motore viene applicata una tensione opposta (l'induttanza L si scarica verso l'alimentazione nel primo caso attraverso i diodi volano, nel secondo o attraverso i mosfet che piloto nell'opportuno condensatore da 220uF in parallelo all'alimentazione)
il motore prima di invertire il moto va in frenata applicando una tensione media inversa (-U*), quindi la legge di maglia diventa:
- U* - E = R * I + L dI/dt
supponendo che la rotazione non cambi istantaneamente (-E rimane inalterata inizialmente) e che I non cambi istantaneamente per azione dell'induttore, comunque la tensione applicata ora alla maglia sarà molto maggiore rispetto a prima (perché U ed E hanno ora lo stesso verso, almeno al tempo zero) e la corrente è limitata solo dalla R degli avvoglimenti (oltre all'azione dell'induttore L che si oppone al moto).

Durante il transitorio si rischia che I salga troppo e si può bruciare il motore in questo caso?
E meglio aggiungere un resistore o limitatore di corrente assorbita?

grazie mille per chi vuole condividere il proprio parere sempre ben accetto.

Andrea

[EcoTan]

Durante il transitorio si rischia che I salga troppo e si può bruciare il motore in questo caso?
E meglio aggiungere un resistore o limitatore di corrente assorbita?

Certo, invertendo la polarità la corrente può superare la corrente di stallo. Questo potrebbe avvenire in occasione di una brusca frenata in discesa. Una sonda di corrente, che sia capace di inviare un segnale al sistema di regolazione, servirebbe a controllare questa situazione. Per quel motore non trovo indicata la corrente di stallo, ma guardando i modesti dati di velocità e coppia (2,8 kg.cm) mi pare che non dovrebbero esserci problemi, almeno per il ponte.

[EcoTan]

Adesso ti metto una "pulce all'orecchio": il PWM può essere LockedAntiPhase (col ponte perennemente ON da una parte o dall'altra, a parte il dead time) oppure PulseMagnitudo o ancora a 3 livelli. Il primo tipo è pienamente valido ma solitamente comporta maggiori perdite.

[luxinterior]

Non so se può essere utile
TI allego una appnote della MPS

AN132_r1.1.pdf

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