Comment puis-je mesurer le retour EMF pour déduire la vitesse d'un moteur à courant continu?

Je suis intéressé par la mesure de l'EMF arrière d'un moteur pour déterminer la vitesse d'un moteur car il est bon marché et ne nécessite aucune pièce mécanique supplémentaire. Comment puis-je mesurer l'EMF arrière lorsque je conduis le moteur?

motor speed back-emf

— Phil Frost
source

+1. Juste pour empiler plus d'informations: acroname.com/robotics/info/articles/back-emf/back-emf.html

— Nick Alexeev

Une façon de le faire consiste à arrêter brièvement de conduire le moteur, suffisamment longtemps pour laisser tout courant résiduel de la tension de conduite s'éteindre, puis à mesurer simplement la tension. Le temps qu'il faudra au courant pour se stabiliser dépendra de l'inductance des enroulements. C'est simple à comprendre et l'intervalle non piloté peut être assez court, mais cela présente des inconvénients évidents.

Une autre méthode implique une utilisation intelligente de la loi d'Ohm. Un moteur peut être modélisé comme un circuit série d'une inductance, d'une résistance et d'une source de tension. L'inductance représente l'inductance des enroulements du moteur. La résistance est la résistance de ce fil. La source de tension représente le back-EMF, et elle est directement proportionnelle à la vitesse du moteur.

schéma du modèle de moteur

Si nous pouvons connaître la résistance du moteur et que nous pouvons mesurer le courant dans le moteur, nous pouvons déduire ce que doit être le back-EMF pendant que le moteur est en marche ! Voici comment:

On peut ignorer $L_m$ tant que le courant traversant le moteur ne change pas beaucoup, car la tension aux bornes d'une inductance est proportionnelle au taux de variation du courant. Aucun changement de courant signifie aucune tension aux bornes de l'inductance.

Si nous pilotons le moteur avec PWM, l'inductance sert à maintenir le courant dans le moteur relativement constant. Tout ce qui nous importe alors, c'est vraiment la tension moyenne de $V_{drv}$ , qui est juste la tension d'alimentation multipliée par le rapport cyclique.

Nous avons donc une tension efficace que nous appliquons au moteur, que nous modélisons comme une résistance et une source de tension en série. Nous connaissons également le courant dans le moteur, et le courant dans la résistance de notre modèle doit être le même car il s'agit d'un circuit série. Nous pouvons utiliser la loi d'Ohm pour calculer ce que la tension aux bornes de cette résistance doit être, et la différence entre la chute de tension sur la résistance et notre tension appliquée doit être le back-EMF.

Exemple:

résistance d'enroulement du moteur $= R_m = 1.5\:\Omega$
courant moteur mesuré $= I = 2\:\mathrm A$
tension d'alimentation $= V_{cc} = 24\:\mathrm V$
$= d = 80\%$

Calcul:

24 V à un rapport cyclique de 80% applique efficacement 19,2 V au moteur:

\bar{V_{d r v}} = d V_{c c} = 80 % \cdot 24 V = 19.2 V

$\overline{V_{drv}} = dV_{cc} = 80\% \cdot 24\:\mathrm V = 19.2\:\mathrm V$

La chute de tension sur la résistance d'enroulement est trouvée par la loi d'Ohm, le produit de la résistance de courant et d'enroulement:

V_{R_{m}} = I R_{m} = 2 A \cdot 1.5 Ω = 3 V

$V_{R_m} = IR_m = 2\:\mathrm A \cdot 1.5\:\Omega = 3\:\mathrm V$

Le back-EMF est la tension de commande efficace, moins de tension aux bornes de la résistance d'enroulement:

V_{m} = \bar{V_{d r v}} - V_{R_{m}} = 19.2 V - 3 V = 16.2 V

$V_m = \overline{V_{drv}} - V_{R_m} = 19.2\:\mathrm V - 3\:\mathrm V = 16.2\:\mathrm V$

Mettre tout cela ensemble dans une équation:

V_{m} = d V_{c c} - R_{m} I

$V_m = dV_{cc} - R_m I$

— Phil Frost
source

Un point qui mérite d'être noté est que, sauf dans la mesure où une inductance présente une résistance parallèle ou une autre fuite, la tension moyenne aux bornes d'une inductance sur un intervalle de temps donné doit être proportionnelle à la différence de courant entre le début et la fin de cet intervalle. Si une inductance a la même quantité de courant qui la traverse au début et à la fin d'un certain intervalle de temps, la tension moyenne aux bornes de l'inductance doit être nulle. Cette règle s'applique à la fois aux inductances discrètes et également à l'inductance que l'on modélise comme étant en série avec un moteur idéal.

— supercat

Notez également que si l'on utilise un moteur PWM à une fréquence décente, l'efficacité sera meilleure si le courant dans son inductance ne s'éteint pas entre les cycles. Plutôt que de mettre le moteur en circuit ouvert, court-circuitez-le à moins que ou jusqu'à ce que le courant tombe à rien (avec un peu de chance, le taux PWM sera assez rapide pour ne pas le faire). Si l'on court-circuite le moteur suffisamment longtemps, le courant tombe à néant puis s'inverse. Le courant inverse tuera l'efficacité, alors ouvrez le circuit à ce point (ou court-circuitez à travers un transistor qui ne permet qu'une seule direction du courant). Notez que ...

— supercat

... si le courant de décrochage dépasse la quantité que l'on peut produire sans s'affaisser, le PWM du moteur peut en fait augmenter le couple de démarrage ou à faible vitesse disponible. Notez également que si le moteur tourne plus vite que la vitesse "demandée" par le PWM, une partie de l'énergie excédentaire sera renvoyée dans l'alimentation (bon pour l'efficacité, si l'on peut le maîtriser en toute sécurité).

— supercat

Je ne suis pas un spécialiste, mais je ne pense pas que vous puissiez simplement supposer que votre courant ne changera pas, et vous pouvez simplement ignorer votre inductance aussi facilement. Les charges externes produiront un couple et ce couple produira un changement de courant. De plus, le PWM itsef fera un changement de courant dans le moteur ... oui l'inductance le gardera "moyen" mais ce ne sera pas une ligne plate, aussi il le rend moyen en créant des tensions. Quel impact cela aura-t-il sur votre projet? Eh bien, je ne peux pas dire que cela dépend totalement du moteur lui-même et de la charge, cela variera donc considérablement d'un projet à l'autre.

— mFeinstein

Cette méthode est discutée plus en détail dans un article de l'IEEE: ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4314629

— Amir Samakar