Regulación de corriente de lado alto para válvula proporcional

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Estoy trabajando con un circuito que regula la corriente a través de una válvula solenoide proporcional genérica (L1 en el esquema a continuación). Las características de la bobina de la válvula son desconocidas / variarán y la tarea de la aplicación es compensar las variaciones de resistencia / inductancia en la bobina causadas por los cambios de temperatura, etc., por medio de un regulador PID. Las corrientes están aproximadamente entre 200 mA y 1A.

Estamos utilizando el sentido de corriente de lado alto y un controlador de lado alto para lograr esto. La corriente se obtiene a partir de una señal PWM de 5V 500Hz, que controla un lado alto controlador MOSFET. La resistencia no debería importar mucho, ya que la tarea del circuito es compensar la resistencia.

El conductor utiliza un 24VDC en bruto no regulado de un vehículo para controlar la válvula. El diodo de rueda libre utilizado es éste .

La corriente del lado alto se mide sobre R1 con un amplificador de sentido de la corriente del lado alto que da su salida como una corriente entre 0 y 1 mA. Esta corriente se mide a su vez sobre la resistencia R4 por el microcontrolador, de modo que 1 mA es igual al valor máximo de ADC. (Por varias razones, la referencia del ADC debe ser inferior a 5 V; en este caso, se obtiene de una referencia de voltaje precisa).

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

El regulador PID se implementa en el software y funciona como debería, compensando los cambios en la resistencia. Sin embargo, asume que las entradas y salidas son lineales, por lo que la corriente solo se mide una vez por período, en un punto fijo. Hemos probado que esto funciona mediante la conexión de resistencias en serie con la válvula. Todo funciona bien siempre que el suministro de la válvula se mantenga constante.

Sin embargo, cuando cambiamos la tensión de alimentación, el regulador intentará compensar, pero todavía notamos un patrón no lineal en la corriente de salida, mucho más alto que el < 1% que se puede esperar del LT6106. Puede variar entre un 10 y un 20% entre 20 V y 30 V.

Después de mucha investigación, llegamos a la conclusión de que esto se debe a algún fenómeno no lineal en la bobina. En el lado alto, el PWM siempre se parece mucho a una onda cuadrada digital, por lo que no hay mucho que decir de eso.

Pero en el lado bajo, la curva se ve muy diferente dependiendo de la tensión de alimentación. Logramos medir esto agregando una resistencia de derivación en el lado bajo, se ve algo como esto:

Suministro 22VDC

suministrode30VCC

Las imágenes anteriores son para la misma salida, pero con el regulador tratando de compensar el cambio de corriente causado por el cambio de la tensión de alimentación, por lo tanto, los diferentes ciclos de trabajo.

Soy un tipo de software, así que de ninguna manera soy un experto en electrónica, y mucho menos en campos magnéticos en bobinas, por favor, tenga paciencia conmigo.

  • P1: ¿Se trata de un fenómeno conocido y existe una fórmula que puedo usar en el software para compensar la no linealidad? Es posible que la MCU mida la tensión de alimentación si es necesario.

    Dado que la corriente se mide en el lado alto, todo se ve bien allí. Puedo calcular el pico o la corriente promedio, pero es de poca utilidad, ya que aparentemente la onda cuadrada no se parece en nada a la corriente real que fluye a través de la bobina.

  • Q2: ¿Cuánto impacto tiene el diodo de rueda libre, si es que lo tiene, en la salida? ¿Puedo cambiar la curva seleccionando otro diodo con un voltaje directo diferente, agregando resistencias en serie, etc.?

Los comentarios generales sobre el diseño también son bienvenidos. Sé que el controlador IC está obsoleto.

    
pregunta Lundin

2 respuestas

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  1. La corriente de retorno debe estar dentro del bucle de detección actual. Esta es una parte legítima de la corriente de solenoide. No medirlo da mala entrada al controlador.
  2. Otra fuente de no linealidad con respecto a la tensión de alimentación se debe a la caída de tensión D1. Esta tensión fija introduce un elemento no lineal ya que no se escala con la tensión de alimentación. A una tensión de alimentación más alta, el tiempo de apagado de PWM será menor, por lo que el diodo se activará más, lo que hará una diferencia aún mayor.


    D1 debe ser un diodo Schottky. Estos tienen aproximadamente la mitad de la caída de voltaje de un diodo de silicio normal. La no linealidad seguirá allí, pero menos prominente.

  3. El interruptor FET no tiene sentido como se muestra. No desea conducir la bobina de un seguidor fuente, como lo está haciendo ahora. El voltaje del modo común de la bobina puede flotar arbitrariamente, por lo que tiene más sentido utilizar un interruptor de lado bajo entre la bobina y la tierra. Esto le da un PWM real, con el voltaje de suministro completo a través de la bobina cuando el interruptor está encendido.
  4. Un poco de feed-forward probablemente ayudaría. Haga que el circuito de control calcule un PWM normalizado a una tensión de alimentación fija. Luego haga la división utilizando la tensión de suministro medida real para determinar el ciclo de trabajo real de PWM para cargar en el hardware. Esto elimina la compensación de voltaje de suministro del circuito de control, que luego ve una respuesta de la planta más consistente. El bucle de control solo maneja la poca no linealidad que el ciclo de trabajo es inversamente proporcional a la tensión de alimentación y no se ocupa de ello.


    Hice esto con una válvula proporcional una vez que tenía que funcionar con un suministro de 8 a 20 V y funcionó muy bien.

  5. 500 Hz parece muy bajo para la frecuencia PWM. Desea que la corriente del solenoide no disminuya mucho durante el tiempo de apagado de PWM. Piense en la corriente del solenoide como el promedio de CC con ondulación de CA PWM en él. Solo el primero mueve el solenoide. Este último solo causa un desperdicio de energía y calefacción, y agrega ruido a su medición actual.
  6. Los filtros R3 y C1 no tienen sentido teniendo en cuenta la frecuencia PWM de 500 Hz que está utilizando. Desea medir la corriente de solenoide promedio, por lo que la frecuencia PWM debe estar fuertemente atenuada. Su filtro se despega a 4,1 kHz, por lo que no hará nada para reducir la ondulación de PWM de 500 Hz. Una mayor frecuencia de PWM también ayuda con esto.


    La única forma en que lo que tendría sería aceptable si está muestreando la corriente a una velocidad superior a 1 kHz y luego realiza un filtrado significativo en el firmware. 1 kHz es el mínimo absoluto solo para mantener la frecuencia fundamental de PWM del aliasing. Sin embargo, la señal PWM tendrá armónicos significativos, por lo que necesitaría muestrear significativamente más alto que 1 kHz para obtener una imagen razonable de la corriente.

    Nuevamente, use un PWM mucho más rápido y una reducción del filtro mucho menor. El cambio a un diodo Schottky como ya se señaló reduce la magnitud de la frecuencia PWM en la señal actual. Incluso con todo eso, es posible que aún deba muestrear a alta velocidad, luego filtrar y diezmar digitalmente.

respondido por el Olin Lathrop
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No espere que una bobina de relé actúe como un inductor lineal. La bobina del relé tendrá un núcleo de hierro y, cuando se diseñe adecuadamente, debe saturarse. Los detalles de la curva de saturación dependerán de la temperatura. Esta saturación de efecto se denomina curva B-H del hierro. Un desafío adicional es que el hierro se magnetiza, y esto causa histéresis. Para controlar la corriente no lineal con histéresis en el software, un filtro de Kalman debería funcionar mejor que un PID.

Una forma de pensar esto es que el relé es un motor lineal, y el circuito necesita detectar la posición del motor sin medir directamente la posición. El documento " histéresis de hierro y filtrado de Kalman mejorado para la detección de posición sin sensor de motores síncronos " es un ejemplo de alguien más utilizando el enfoque de filtro de Kalman.

Los filtros de Kalman solían ser más difíciles de entender, pero ahora hay excelentes tutoriales como " Cómo funciona un filtro de Kalman, en imágenes "

Estoy de acuerdo con Olin en que un conmutador de canal N en el lado bajo sería mejor. Solucionaría esto antes de preocuparme por los otros detalles.

    
respondido por el Tom Anderson