Должна ли частота ШИМ-сигнала быть постоянной для управления скоростью двигателя постоянного тока/вентилятора?

Частота не обязательно должна быть постоянной, хотя она часто оказывается такой, потому что ее легко реализовать. Одной из причин изменения частоты является распространение электромагнитных помех и звукового шума по всему спектру. Также возможно осуществлять управление двигателем с помощью гистерезиса . Или ширина импульса может оставаться постоянной, но частота может изменяться. Или оба могут быть разнообразными.

Что действительно важно, так это среднее напряжение, прикладываемое к двигателю с течением времени. В случае простого привода постоянного тока среднее напряжение равно напряжению, приложенному в любой момент. Обычно напряжение переключается между 0 и напряжением питания$Vcc$, поэтому среднее напряжение будет где-то между 0 и$V_{cc}$, в зависимости от доли времени, затраченного на$t_{on}$в какой-то период$t_{total}$:

Итак, если$100mS$, вы потратили в общей сложности$40ms$на, и$V_{cc}$является$12V$, затем:

Таким образом, в той мере, в какой индуктивность двигателя способна усреднить ток по$100ms$, вы могли бы также подать заявку$4.8V$постоянного тока к двигателю.

Это то, что устанавливает нижнюю границу частоты привода. Если частота слишком низкая, ток в обмотках двигателя (и, следовательно, крутящий момент и, следовательно, скорость) не будет постоянным. Возьмем крайний случай: вы подаете 12 В на 4 минуты, затем 0 В на 6 минут. Среднее напряжение по-прежнему составляет 4,8 В, но, очевидно, вы не получите того же эффекта.

По мере увеличения частоты максимальный ток (непосредственно перед переключением в выключенное состояние) и минимальный ток (непосредственно перед переключением во включенное состояние) не будут сильно отличаться, а ток двигателя в основном постоянен. Это связано с тем, что скорость изменения тока$I$в индуктивности$L$ограничивается приложенным напряжением$V$:

или эквивалентно:

Ваш источник питания может подавать только конечное напряжение на обмотки двигателя (индуктор), поэтому ток может изменяться очень быстро. Переключение достаточно быстрое, и ток никогда не успевает существенно измениться.

Другой способ думать об этом: ток в двигателе будет иметь некоторую постоянную составляющую, среднее значение, которое вращает двигатель в желаемом направлении. К этому также будут добавлены некоторые пульсации переменного тока, которые просто нагревают обмотки, поскольку он тратит половину своего времени на вращение двигателя в нужном направлении, а другую половину - в неправильном направлении. Ваша цель при проектировании привода двигателя с ШИМ состоит в том, чтобы максимально уменьшить пульсации тока и, как следствие, потери электроэнергии без увеличения других потерь в системе.

Другое требование часто заключается в том, чтобы двигатель не издавал слышимого шума, и для этого часто требуется, чтобы частота коммутации была выше пределов человеческого слуха, примерно$25kHz$.

Верхняя граница частоты коммутации определяется потерями, которые увеличиваются с увеличением частоты, в первую очередь потерями на коммутацию. Транзисторы не могут переключаться мгновенно, и поэтому обязательно какое-то время будут находиться как при значительном токе в них, так и при значительном напряжении на них, превращая тем самым электрическую энергию в тепловую ($P=IE$) каждый раз, когда они переключаются. С повышением частоты количество переключений в секунду увеличивается, но время, затрачиваемое на переход из состояния «включено» в состояние « выключено», говорит о том же, поэтому средняя мощность в транзисторе увеличивается до тех пор, пока тепло не разрушит транзистор или КПД драйвера не станет неприемлемым.

Существует диапазон частот, внутри которого система будет хорошо работать. Этот диапазон довольно велик, но точные частоты зависят от двигателя и того, чего вы пытаетесь достичь. Но в этом диапазоне частот не имеет значения, какова точная частота, и она может перемещаться.

Большинству фанатов нужна достаточно высокая частота, чтобы вы не могли слышать ШИМ своими ушами. Обычно это ставит вашу частоту выше 20 кГц (но не всегда!).

С другой стороны, конденсаторы внутри вентилятора могут/будут ограничивать максимальную частоту. Количество энергии, теряемой в вашем MOSFET или силовом транзисторе, также будет увеличиваться по мере повышения частоты. Это ограничит максимальную разумную частоту, возможно, до 100 кГц, хотя я уверен, что есть некоторые системы, способные работать намного выше.

Но как уже говорили некоторые: почти всегда проще сделать фиксированную частоту ШИМ, чем переменную. Большинство людей используют фиксированную частоту, потому что это проще всего.

Это звучит как вопрос о домашней работе.

Однако добавить к комментарию @JIm к OP. ШИМ (для любого приложения) обычно имеет фиксированный период, потому что его проще всего реализовать аппаратно (его не нужно фиксировать).

Вы устанавливаете значения (в микроконтроллере или проводной схеме) и забываете.

Любая математика связана с внедрением периода, счетчиков, минимального и максимального рабочих циклов, фильтрации выходного сигнала RC-цепью для расчета выходного постоянного тока и его пульсаций, если это необходимо.