DCモーターのトルクと速度の制御

私は電子工学に不慣れで、これが私の最初の投稿ですので、しばらくお待ちください。

前書き

座位から立位を支援するために、リハビリの外骨格のような膝装具を設計する必要があります。モーターの動作原理の理解不足により、多くの不確実性に直面しています。この外骨格は、ユーザーが座ることから立ち上がるのを支援するために最小限のトルクを発揮する必要があります

リハビリテーション装置として、このモーターの出力速度は一定であることが必要であり、私が理解していることから、モーターへの電圧入力を一定に保つことはそれを達成します。モーターには制御可能な出力トルクが必要で、電機子電流を制御することでトルクを制御できます。

1. 理論的には、降圧コンバータを使用すると、モーターへの入力電圧を一定に保つことができます。これにより、RPMを一定に保つことができますが、トルクを制御できなくなります。ただし、これにより、1つの出力パラメーターのみが可変になります。

2. 私は降圧コンバータのみ同時に電圧または電流のいずれかを制御しないことを理解し、私はまた、DCモータドライバに降圧コンバータを接続すると考えている、DCモータドライバは、様々な電圧入力でRPMを一定に保つのを助ける必要がありながら、降圧コンバータは、制御可能な電流出力でトルクを変えるのに役立ちます

質問

これが実現可能なアイデアであるか、私の原則が極端に間違っている場合、部品を調達する前にアドバイスを求めたいと思います。アドバイスを求めているだけなので、誰も私にスプーンで餌を与えようとは思っていないことを願っています

私：両方を同時に持つことはできないので、速度を一定にするか、トルクを一定にするかを決める必要があります。電流と電圧の制限を設定して、最大トルク（電流）と最大速度（電圧）を設定する必要があると思います。

あなた：電流制限を設定して、モーターが必要以上のトルクをかけないようにして、リハビリテーションの概念をなくしたいと思います。その場合、電流制限を設定しながら電圧を制御する必要がありますか？

DCモーターとベンチ電源がある場合は、これがどのように機能するかを直感的に理解できます。

図1.調整可能な電圧および電流制限を備えた典型的なラボ/ベンチPSU。

実験1-定電圧：

• 電圧をモーターの定格電圧の1/4に設定し、電流制限を高くします。
• モーターを接続し、手で（慎重に）つかんで回転シャフトに負荷をかけます。電圧と電流の測定値を観察します。モーターがわずかに減速すると、電流が上昇します。これは、まっすぐなDC電源で得られる一定の速度に近い値です。

実験2-定電流：

• 前の実験で観測された最大値の半分に電流を設定します。
• モーターを接続し、全電圧と低電流で動作することに注意してください。
• シャフトを徐々に手で徐々にロードします。ある時点で、電源が電流制限に達し、電流が制限を維持したまま電圧が低下し始めるということではありません。これで、定トルクモードになりました。

電圧で遊んで最大速度を設定し、電流で遊んで最大トルクを設定できます。モーターは、最初にヒットしたいずれかの制限まで動作します。あなたの場合、これはトルク制限である可能性が最も高いです。

これにより、必要な制御の種類に関する本能が得られます。次に、これらの要件を満たす適切なコントローラーを探します。

要件を満たすと思われるものは、カスケード制御と呼ばれます。下の図は、速度制御が強調表示されているより一般的なブロック図を示しています。DCマシンでは、トルクは電機子電流の値に比例します。トルクの設定値は、速度コントローラから取得されます。そのため、速度コントローラは、特定の速度を維持するために必要なトルクを要求します。

このアーキテクチャは、内部フィードバックループを使用して、制御ループ全体に影響が伝播するのを待つのではなく、逸脱に迅速に対応します。エラーは伝播する前に最小化されます。内部電流ループの方が速い場合（そうでなければならない）、負荷のわずかな変化が速度に与える影響は小さくなります。一般的に、内部ループはより高い帯域幅を持つ必要があります外側のループよりも。通常、DCモーターの時定数は小さくなります。このように、速度制御のみが使用された場合、モーター端子の電圧のわずかな変化が、電流の大きな変動を引き起こす可能性があります（制御されない）。したがって、カスケード制御の別の利点は、電流を最大許容値に制限できることです。ここでのポイントは、電流を測定する必要があるということです。モーターの双方向制御を検討していると思われるため、Hブリッジを使用する必要があります。次の図は、4つの象限で動作するそのようなシステムと、含まれている電流測定を示しています。

以下の図は、モーター電流を測定すると同時にその方向を識別する方法を示しています。

より複雑なセンサーレスシステムとは別に、速度を測定するために、デジタルコントローラーではホールセンサーとオプトセンサーが一般的に使用されますが、アナログ回路は多くの場合タコジェネレーターを使用します。主題全体が膨大であるため、制御（モデリング、システムの同定、シミュレーション）の主題について多くのことが必要です。また、モーター制御用の特別な集積回路は、その組み込み機能を大いに助けます。