Drone's DIYer

Phase advance (other terms: timing adjustment, field weakening)

To compensate for the current lagging behind the voltage at high speeds because of inductance or to get a bit higher top speed at the expense of some efficiency and torque, phase advance can be used. It is implemented in a speed-dependent way so that the motor gets more phase advance the faster it spins. It is implemented this way because having phase advance at low speeds does not give any improvements at all as far as I know, so the best way is to increase the effect as the motor increases its speed. BR ERPM is the electrical RPM of the motor at which the set phase advance is used, and Integrator limit scale at BR ERPM (will rename this option soon…) is the amount of phase advance to use. Setting it to 1.0 gives no phase advance and setting it to 0.0 gives 30 degrees (maximum) phase advance. The set phase advance will be mapped linearly between 0 ERPM and BR ERPM. If you don’t know what this is, you can leave the default options since it is not that important.

인덕턴스로 인해서 고속에서 전압 뒤로 전류의 지연을 보상하기 위해서 혹은 다소 효율과 토크의 희생으로 최고 속도 이상으로 동작시키기 위해서 phase advance가 사용됩니다. 이는 속도에 의존적인 방식으로 구현됩니다. 그 결과 모터를 phase advance를 더 주어 더 빠르게 회전할 시킬 수 있습니다. 낮은 속도에서 phase advance를 시키는 것은 제가 아는 한 전혀 어떤 개선을 주지 못하기 때문에 이런 방식으로 구현됩니다. 그래서 가장 좋은 방법은 모터가 속도가 증가할수록 이 효과를 증대시키는 것입니다. BR ERPM은 설정된 phase advance가 사용되는 지점에서 모터의 전기적 RPM이고, BR ERPM(이 옵션의 이름이 곧 변경될 것입니다...)에서 Integrator limit scale은 사용하는 phase advance의 양입니다. 이것을 1.0으로 설정하는 것은 어떠한 phase advance를 주지 않습니다 그리고 이를 0.0으로 설정하는 것은 30 degree (최대) phase advance를 주는 것입니다. 설정된 phase advance는 선형적으로 0 ERPM과 BR ERPM 사이에 매핑될 것입니다. 만일 여러분이 이것이 무엇인지 모른다면 여러분은 이것이 그렇게 중요하지 않기 때문에 디폴트 옵션으로 남겨둘 수 있습니다.

MOTOR

Current, temperature, RPM and voltage-limits can be configured depending on your application.

전류, 온도, RPM 그리고 voltage-limits은 여러분의 애플리케이션에 따라 설정될 수 있습니다.

Note: These limits are not foolproof. If you set them too high, you can damage the ESC and/or the motor.

Note: 이들 제한들은 fool proof가 아닙니다. 여러분이 이들은 너무 높게 설정하면 여러분은 ESC 그리고/혹은 모터를 손상시킬 수 있습니다.

• Current

• Separate limits for acceleration and braking current.

• Separate limits for motor and battery currents.

• "Absolute max" is checked in every PWM switching cycle and used in case the soft back-off strategy for the other limits doesn’t work. I usually set it way higher than the other limits because soft back-off is preferred rather than switching off the motor with a fault code, but it should never be higher than 150A.

• "Absolute max"는 매 PWM 스위칭에서 체크하며 경우에 따라서 다른 제한들에 대해서 soft back-off 전략이 동작하지 않을 때 사용됩니다. 저는 보통 다른 제한들보다 높은 방식으로 설정합니다. 왜냐하면 soft back-off은 디폴트 코드로 모터의 스위칭을 끄는 것보다 오히려 선호하기 때문입니다. 그러나 이는 절대 150A 보다 높지 않아야만 합니다. 

• The "Slow absolute max" box will make sure that a filtered version of the maximum current limit is used. This is useful if there is much noise and that fault code kicks in all the time. I usually have it ticked.

• "Slow absolute max" 박스는 최대 전류 제한의 필터된 버젼이 사용되는지 확실하게 합니다. 이것은 만약 너무 많은 잡음이 있거나 그 디폴트 코드가 항상 kick in 될때 유용합니다. 저는 보통 이것을 체크합니다.

• Temperature

• At the "Start" temperature, the current will become more and more limited linearly until the “End” temperature, where the output is switched off completely. Setting them about 20 degrees apart will make the ESC slowly decrease the maximum output current as it gets too warm instead of abruptly switching everything off.

• "Start" 온도에서 전류는 "End" 온도까지 선형적으로 더욱더 제한될 것입니다. 여기서 출력은 완전히 스위치가 off됩니다. 이를 약 20도 정도 차이를 두어 설정하는 것이 ESC가 너무 상승할 때 온도가 갑자기 모든 것을 스위치 off 시키는 것 대신에 최대 출력 전류를 서서히 감소시키게 만들 것입니다.

• MOSFET temps (on the ESC) are implemented and working, but motor temps are not implemented yet. They will require an external temperature sensor in the motor. The software implementation is rather simple since I can just copy most of the MOSFET temperature limit code.

• MOSFET 온도(ESC 상에)는 구현되었고 동작합니다. 그러나 모터 온도는 아직 구현되지 않았습니다. 이들은 모터에 외부 온도 센서를 필요로 할 것입니다. 소프트웨어 구현은 오히려 간단한데 왜냐하면 저는 단지 MOSFET 온도 제한 코드의 대부분을 복사하기 때문입니다.

• RPM

• Max and Min ERPM are hard RPM limits. It is preferable to use the soft application RPM limits instead if possible.

• Max와 Min ERPM는 엄격한 RPM 제한입니다. 만일 가능하다면 부드러운 애플리케이션 RPM 제한을 사용하는 것을 선호합니다.

• "Max ERPM at full brake" (should change the name…) is the highest opposing RPM at which a direction change is allowed. Setting this too high will cause cogging when moving in one direction and giving high throttle in the other direction. On my longboard I have it at 300 and my RC car has it a bit higher.

• "Max ERPM at full brake"(이름을 변경해야 하는...)는 방향 전환이 허용되어진 곳에서 가장 큰 반대되는 RPM입니다. 이를 너무 높게 설정하는 것은 한 방향으로 움직일때 그리고 다른 방향으로 높은 스로틀을 줄 때 코깅을 야기시킬 것입니다. 제 longboard에서는 저는 300이고 제 RC 카에서는 조금 높습니다. 여기서 코깅(Cogging)이란 모터의 회전자와 고정자가 덜거덕 거리면서 움직이는 것을 말합니다. 즉, 토크의 변동을 의미합니다. 이를 줄이기 위해서 철심의 슬롯 수를 늘리면 됩니다. 또 슬롯 수가 작은 경우에는 슬롯에 비틀림을 주어 자속분포를 균등하게 만드는 등의 방법이 있지만 이 경우에는 출력토크가 저하됩니다. 이를 완전히 개선한 것이 코어리스 모터이지만 기계적으로 약하여 불안정하므로 대형으로 만들 수 없기 때문에 고정밀도기계, 에너지 절약 장치 등에 활용하게 됩니다.

• "Max ERPM at full brake in CC mode" is the highest RPM at which applying full brake by shorting all the motor windings is allowed. Setting this value too high can cause much mechanical stress in some circumstances. I have it at 1500 for all my applications.

• "Max ERPM at full brake in CC mode"은 모터의 모든 코일을 단락시키는 full brake를 적용하는 것이 허용된 시점에서 최대 RPM입니다. 이 값을 너무 높게 설정하는 것은 어떠한 환경에서 많은 기계적 스트레스를 야기시킬 수 있습니다. 저는 이를 모든 제 애플리케이션에서 약 1500 정도를 설정합니다.

• Voltage

• The minimum and maximum input voltage.

• NOTE: I changed the voltage dividers in hardware 2015-01-22. If you have built the PCB before that, the maximum voltage can’t be more than 52V. The difference is whether the PCB has 33k or 39k resistors. 33k means that maximum 52V can be measured. The latest PCBs (with 39k resistors) can measure 60V, but you should have some margin on your supply voltage to be safe. You can of course replace all 33k resistors with 39k and measure up to 60V.

• NOTE: 저는 2015-01-22 하드웨어에서 전압 분배회로를 변경했습니다. 만일 여러분이 그 전에 PCB를 제작하였다면 최대 전압은 52V 이상이 될 수 없습니다. 차이는 PCB가 33k를 가졌는지 39k 저항을 가졌는지 입니다. 33k는 최대 52V가 측정될 수 있슴을 의미합니다. 가장 최근 PCB(39k 저항을 갖는)는 60V를 측정할 수 있습니다. 그러나 여러분은 안전을 위해서 여러분의 전원 공급 전압에 약간을 여유를 가져야만 합니다. 여러분은 물론 33k 저항을 39k 저항으로 교체할 수 있고 60V까지 측정할 수 있습니다.

Once the ESC is configured for your motor, you can use the up and down arrow keys to run the motor forwards or reverse in current control mode, or the right and left arrow keys to run the motor forwards and reverse in duty cycle mode. The buttons in the right-hand side of the GUI can also be used.

일단 ESC가 여러분의 모터를 설정하고 나면, 여러분은 current control mode에서 모터를 정방향 혹은 역방향으로 동작시키기 위해서 up, down 화살표 키를 사용할 수 있고, duty cycle mode에서 모터를 정방향 그리고 역방향으로 동작시키기 위해서 right, left 화살표 키를 사용할 수 있습니다. GUI의 우측편에 버튼들을 또한 사용할 수 있습니다.

MISC

Here are the rest of the motor configuration parameters. You probably want to experiment with Startup boost if you are using current control. The rest of the parameters can be left as their default values unless you have some specific reason to change them.

여기는 모터 설정 파라미터의 나머지입니다. 여러분은 아마도 여러분이 전류 제어를 사용한다면 Startup boost와 함께 실험을 원할 수도 있습니다. 나머지 파라미터들은 여러분이 변경할 특별한 이유가 없는 한 디폴트 값으로 남겨둘 수 있습니다.

• PWM mode

• Synchronous is recommended and the best choice for a majority of all motors. If you have some weird motor, Bipolar could work better, but it probably won’t. Nonsynchronous is only for experimentation and can kill the ESC if you are unlucky.

• 동기화가 추천되며 모든 모터들의 대다수를 위한 가장 좋은 선택입니다. 만일 여러분이 weird 모터를 갖고 있다면 Bipolar가 잘 동작할 수 있습니다. 그러나 이것은 아마도 아닐 것입니다. 비동기화는 단지 실험용이고 여러분이 불행하다면 ESC를 손상시킬 수 있습니다.

• Current control

• Startup boost is the minimum duty cycle to use when using current control. If the motor is to weak when you are just starting, you can increase this parameter a bit until it feels right. The range is 0.0 to 1.0, where 1.0 is full throttle (which you shouldn’t use.). A sane range is up to 0.15 or so.

• Startup boost는 전류 제어를 사용할 때 사용을 위한 최소 듀티 싸이클입니다. 여러분이 단지 start할때 만약 모터가 약하다면 여러분은 이 파라미터를 약간 좋다고 느낄 때까지 증가시킬 수 있습니다. 범위는 0.0 ~ 1.0입니다. 여기서 1.0은 full 스로틀입니다(여러분은 사용하지 말아야 합니다). 정상적인 범위는 0.15 정도입니다.

• Min current is the minimum allowed current. There should be no reason to change this, so leave it at the default value.

• Min current는 최소 허용된 전류입니다. 이를 변경하기 위한 어떤 이유도 존재하지 않습니다. 그러므로 디폴트 값으로 남겨 두세요.

• Control gain is the gain used by the current controller. Increasing it makes the current response faster, but also increases the risk of getting an unstable system where the ESC can get damaged. Only change this if you know what you are doing.

• Control gain은 전류 제어기에서 사용된 이득입니다. 이를 올리는 것은 전류 응답을 빠르게 합니다. 그러나 또한 불완정한 시스템을 갖는 위험도가 늘어나고 ESC가 손상될 수도 있습니다. 만일 여러분이 무엇을 하는지 알 때만 오직 변경하세요. 

• Speed control

• The PID parameters for the speed controller. Only change them if you know what you are doing.

• 속도 제어기를 위한 PID 파라미터입니다. 여러분이 무엇을 하는지 알 때에 오직 변경하세요.

• Timeouts

• Fault stop time is the amount of milliseconds that the ESC should be completely switched of when a fault code arises. After that time, it will switch on and try to listen for commands again.

• Fault stop time는 결함있는 코드가 발생했을 때 ESC가 완전하게 스위칭 off 해야만 하는 ms의 양입니다. 그 후에 이것은 스위칭 on 할 것이고 명령어를 다시 듣기 시도할 것입니다.

출처 : By Benjamin Vedder

http://vedder.se/2015/01/vesc-open-source-esc/

http://vesc-project.com/

https://github.com/vedderb/bldc(bldc 펌웨어 설계) : 모든 하드웨어 버젼에 사용

https://github.com/vedderb/bldc-hardware(bldc 하드웨어 설계) : v4.12까지

http://vesc-project.com/node/311(bldc 하드웨어 설계) : v6.4부터

https://github.com/vedderb/bldc-tool(bldc-tool 설계) : v2.18까지

https://github.com/vedderb/vesc_tool(vesc-tool 설계, bldc-tool의 새로운 버젼)

https://github.com/vedderb/bldc-logger(bldc-logger 설계)

https://github.com/vedderb(기타 프로젝터 설계)

VESC – Open Source ESC

Posted on January 7, 2015 and Post updated 2016-01-22

About this project

I have made many updates to my custom motor controller recently and the old post is getting confusing with notes and updates, I decided to write a new post about it that hopefully is more clear, more complete and easier to follow. This might sound a bit ambitions, but my goal is to make the best ESC available. I really enjoy sharing knowledge, so I want to keep all the hardware and software open.

저는 최근에 제 모터 제어기에 많은 개선을 해왔습니다 그리고 이전에 게시된 내용은 설명과 업데이트에서 혼선을 일의키고 있고, 저는 좀더 분명하고 좀더 완전하며 좀더 이해하기 쉽게 하기 위해서 새로운 게시글을 작성하기로 하였습니다. 이는 약간 애매할 수도 있지만 저의 분명한 목표는 가장 좋은 ESC를 만드는 것입니다. 저는 사실 지식을 공유하는 것을 즐깁니다. 따라서 저는 모든 하드웨어와 소프트웨어를 공개하기를 원합니다.

This is an overview of the schematic (download a complete PDF here):

This is the front of the PCB:

The back:

3D render from KiCad:

Some screenshots of the configuration GUI (BLDC Tool):

Resources

All files are on github to keep them up to date, so check these links on a regular basis:

• Hardware design

• Bill of materials

• Firmware

• Configuration GUI

• Video logger

• osx and windows builds of BLDC Tool, Video logger etc. by Jacob Bloy

Related posts

• Old post motor controller (just for reference)

• Video overlay logging

• Electric skateboard motor tutorial (KV, cells, etc.)

• Startup torque

• Hardware debugging

• Making a programmer

• Writing custom applications

• UART Communication

Forums

Because information about the VESC is scattered all over the internet and a lot of information is in email conversations with me, I have created a forum dedicated to the VESC here.

VESC에 대한 정보는 인터넷 상에서 퍼져있기 때문에 많은 정보는 저와 이메일로 대화합니다. 저는 여기에 VESC에 대한 포럼을 만들었습니다.

Live Chat

I have created an IRC channel on freenode where you can live chat with me and other users about VESC and my other projects. Feel free to join: http://webchat.freenode.net/?channels=vedder

Features

• 하드웨어와 소프트웨어는 오픈소스입니다. 다양한 CPU 리소스가 남았기 때문에 사용자 최적화는 무한합니다.

• STM32F4 microcontroller.

• DRV8302 MOSFET driver / buck converter / current shunt amplifier.

• IRFS7530 MOEFETs (other FETs in the same package also fit).

• DRV8302에 집적화된 buck converter로부터 외부 전자장치를 위한 5V 1A 출력.

• Voltage: 8V – 60V (Safe for 3S to 12S LiPo).

• Current: 수 초동안 250A까지 혹은 온도와 PCB 주변에 공기 순환에 의존하여 연속적인 약 50A.

• Sensored and sensorless FOC wich auto-detection of all motor parameters is implemented since FW 2.3.

• Firmware based on ChibiOS/RT.

• PCB size: slightly less than 40mm x 60mm.

• Current and voltage measurement on all phases.

• Regenerative braking.

• DC motors are also supported.

• Sensored or sensorless operation.

• A GUI with lots of configuration parameters.

• Adaptive PWM frequency to get as good ADC measurements as possible.

• RPM-based phase advance (or timing/field weakening).

• Good start-up torque in the sensorless mode (and obviously in the sensored mode as well).

• The motor is used as a tachometer, which is good for odometry on modified RC cars.

• Duty-cycle control(voltage control), speed control or current control.

• Seamless 4-quadrant operation.

• Interface to control the motor: PPM signal (RC servo), analog, UART, I2C, USB  or CAN-bus.

• Wireless wii nunchuk (Nyko Kama) control through the I2C port. This is convenient for electric skateboards.

• Consumed and regenerated amp-hour and watt-hour counting.

• Optional PPM signal output. Useful when e.g. controlling an RC car from a raspberry pi or an android device.

• USB포트는 모뎀 프로파일을 사용합니다. 그래서 안드로이드 디바이스는 루팅 없이 모터 제어기에 연결할 수 있습니다. 서보 출력, 주행거리계(odometry) 그리고 여분의 ADC 입력(센서를 위하여 사용될 수 있슴) 때문에 이것은 안드로이드( 혹은 raspberry pi)로 제어되는 RC 카를 개조하기에 완벽합니다.

• Adjustable protection against

• Low input voltage

• High input voltage

• High motor current

• High input current

• High regenerative braking current (separate limits for the motor and the input)

• Rapid duty cycle changes (ramping)

• High RPM (separate limits for each direction).

• 전류 한계에 도달했을 때 모터가 동작을 유지하면서 soft back-off 전략이 사용됩니다. 만일 전류가 너무 높다면, 모터는 완전하게 OFF 됩니다.

• RPM limit은 또한 soft back-off 전략을 갖습니다.

• Commutation은 모터 속도가 급격하게 변동할 때 조차도 완벽하게 동작합니다. 이는 이전 속도에 근거하여 지연을 추가하는 것 대신에 zero crossing 후에 자속을 적분한다는 사실 때문입니다. 

• 제어기가 커진 동안에 모터가 회전할 때 commutation과 회전방향은 추적됩니다. 같은 속도를 얻기 위해서 듀티 싸이클이 또한 계산됩니다. 이는 모터가 이미 회전중일 때 부드러운 출발을 얻게 합니다. 

• 모든 하드웨어는 센서 없는 자속 기준 제어(field-oriented control; FOC)를 위해서 준비되었습니다. 소프트웨어를 작성하는 것이 남아있습니다. 그러나 저는 FOC가 조금 정숙하게 동작한다는 것 외에 저 인덕턱스 고속 모터에 대하여 많은 이득을 갖는 것인지 아닌지 확신하지 못합니다. 센서 그리고 센서 없는 FOC는 FW 2.3 이후에 완전하게 구현되었습니다.

IPM 모터에서는 아래의 토크식에서와 같이 앞에서 설명한 것처럼 전류 ia와 q축과의 위상차 β를 제어함으로서 각종 모드의 운전이 가능합니다.

1)  제어

d축 전류를 0으로 유지하는 제어로 전류벡터 ia는 부하상태에 따라서 q축상에서만 이동하게 되고 이 때 발생하는 토크는 β＝０을 대입함으로서 다음과 같이 됩니다.

그러므로 토크가 q축 전류에만 비례하는 선형제어로 마그네틱 토크(magnetic torque)만 사용하게 되며, 돌극비가 1인 즉, Lq=Ld인 SPM 모터에서는 일반적인 제어법이며 토크 발생에 기여하지 않는 d축 전류를 흘리지 않기 때문에 동일한 토크 조건에서는 최소 전류로 운전가능하다는 것입니다.

하지만 IPM 모터에서는 일 때는 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 이용할 수 없기 때문에 반드시 적절한 제어라고는 말할 수는 없습니다.

2) 최대 토크 전류제어

IPM 모터에서 동일한 전류에 대해서 발생 토크를 최대로 제어하는 방법으로 전기자 전류에 대해서 가장 효율적으로 토크를 발생시키는 조건이 됩니다. 다음 식은 위의 토크식을 β로 미분하여 토크가 최대가 되는 β 값을 찾기 위한 식입니다.

여기에 삼각함수 공식 를 대입하여 의 2차 방정식을 풀면 β와 d축 전류 id는 다음과 같습니다.

이는 최대 토크를 부여하는 전류위상각으로 이와 같이 β를 제어하여 최대토크 운전을 할 수 있습니다.

3) 약자계 혹은 약계자 제어(field weakening; flux weakening)

IPM 모터에서 β를 제어하면 d축의 총자속은 이며 d축 전류는 영구 자석의 자속을 감자(減磁)하게 됩니다. 이것은 약계자 작용으로 되어 총합자속 λ0(여기서는 φ0)를 감소시킵니다. 

즉, q축으로부터 미소 β만큼 반시계 방향으로 변하면 전류의 d축 성분 id가 존재하므로 영구 자석의 자속 φm을 감자하게 됩니다. 이를 시간 관점(time domain)에서 생각해보면 IPM 모터가 일정한 각속도로 회전하는 정상상태에서 현재의 회전자의 각 정보를 얻은 후 β를 합하여 다음 sampling 순간에 d-q축 상에 전류 성분을 제어해야 하는데, 이는 d-q축 상에서 반시계 방향으로 회전하는 회전자계를 동일 sampling 시간 간격에 더 많이 회전시키는 효과가 되므로 진각(advanced angle)을 주는 것과 같습니다. 따라서 아래 그림의 β축은 angle advance와 같습니다.

이러한 진각 제어를 하는 데에는 다음과 같이 3가지 장점이 있습니다.

(1) 제어기(혹은 인버터)의 모든 제어 루프에서 생긴 위상 지연(phase lag)을 보상할 수 있습니다. 제어 루프는 위상 지연과 감쇄(attenuation)를 피할 수 없고 특히 제어 루프 대역폭에 비해서 높은 주파수(혹은 고속 회전)에서 지배적이어서 보상하지 않으면 아래 그림에서와 같이 토크의 감소를 가져온다는 것입니다.

(2) 영구 자석의 자속을 감자시킬 수 있습니다.

(3) IPM 모터에서는 앞당기고자 하는 각을 최적화하여 릴럭턴스 토크를 생성할 수 있습니다. 

예를 들어 세탁기용 모터는 매우 넓은 범위의 운전 영역을 필요로 합니다. 세탁을 위해서 낮은 속도에서 큰 토크가 요구되고 따라서 회전자의 자속을 최대화 해야 합니다. 그러나 고속 회전시에는 매우 낮은 회전자 자속을 요구하게 됩니다. 왜냐하면 모터의 역기전력(BEMF)은 각속도에 비례하여 증가하기 때문에 영구 자석의 자속을 줄여야 한다(field weakening)는 것입니다. 사실상 모터의 최고 속도 한계는 단자 전압의 역기전력이기 때문입니다.

여기서 l의 고정자 권선이 길이이며 r은 회전자의 회전축과의 거리입니다. 그러므로 자속 기준 제어는 모터의 역기전력(BEMF)이 제어기(혹은 인버터) 전압 한계에 도달한 후에 회전자의 자속을 줄이기 위해서 (달리 말해 자기포화 한계를 높게 하여) 전류 성분을 제어할 수 있습니다. 이는 토그 성분의 전류 iq가 아닌 회전자 자속의 방향과 같은 자속 성분의 전류 id로 제어함을 의미합니다.

결국 고속 회전 영역에서 역기전압이 단자전압(전원전압)보다 커지면 전류제어가 불가능하기 때문에 전류위상을 진각시켜 역기전압을 낮추고 제어기(인버터)의 내압조건을 완화시키는 것입니다. 또한 약자계 제어시 전류 진각을 크게 하는 경우에 있어서도 인덕턴스는 감소하므로 역기전압  상승을 억제시켜 고전류 밀도를 실현한다는 것입니다.