Как уменьшить скорость двигателя без потери максимального крутящего момента

Вы, кажется, запутались в том, что вы хотите. Если вы хотите уменьшить скорость двигателя, но вам по-прежнему нужен максимальный крутящий момент, вы должны подать на двигатель полную номинальную электрическую мощность и поставить двигатель на механический тормоз, пока он не замедлится до желаемой скорости. Или вы должны каким-то образом сделать свой двигатель менее эффективным. Я не думаю, что это то, чего ты хочешь.

Подумайте об этом так: электрическая мощность есть произведение силы тока.$I$и напряжение$E$:

Механическая мощность есть произведение крутящего момента ($\tau$, в ньютон-метрах) в и угловой скорости ($\omega$, в радианах в секунду):

Двигатель представляет собой преобразователь электрической энергии в механическую. Механическая мощность всегда равна электрической мощности после потерь.

Кроме того, ток пропорционален крутящему моменту, потому что чем больше ток вы подаете, тем сильнее магнитное поле внутри двигателя, и притяжение между полюсами двигателя становится больше.

Если механическая и электрическая мощности коррелированы, как и ток и крутящий момент, то должны быть также коррелированы напряжение и скорость. И это так, потому что чем быстрее ротор вращается в поле статора, тем большую противо-ЭДС он будет генерировать. Это закон индукции Фарадея .

Итак, если вы хотите уменьшить скорость, уменьшите напряжение. Если вы хотите уменьшить крутящий момент, уменьшите ток. Если вы увеличиваете крутящий момент (скажем, затормозив двигатель), вы увеличиваете крутящий момент двигателя. Но если вы не измените подачу электроэнергии, то и механическая мощность не изменится. Если крутящий момент увеличился, единственный способ сохранить постоянную механическую мощность - это уменьшить скорость, поэтому двигатель замедляется.

Здесь есть одна особенность: по мере увеличения крутящего момента увеличивается ток. Резистивные потери в двигателе также увеличиваются, потому что обмотки имеют некоторое сопротивление, и эти резистивные потери пропорциональны квадрату тока:

Таким образом, по мере увеличения тока увеличиваются резистивные потери, что делает двигатель менее эффективным преобразователем электрической энергии в механическую, потому что часть этой электрической энергии теперь создает тепло. Если вы остановите двигатель, то его КПД достигнет 0%: скорость равна нулю, поэтому механическая мощность должна быть равна нулю, но двигатель потребляет тонну тока, и на сопротивлении обмотки возникает падение напряжения, поэтому электрическая мощность уменьшается. очень высоко.

Интересный факт: если вы можете сделать двигатель без сопротивления обмотки (или других потерь) и подключить его к идеальному источнику напряжения, то регулирование скорости (насколько скорость изменяется с крутящим моментом) будет идеальной. То есть двигатель не замедлится, если вы попытаетесь его остановить: он просто будет потреблять ровно столько тока от вашей батареи, чтобы продолжать вращаться с той же скоростью, несмотря ни на что.

ШИМ здесь ни при чем. ШИМ-управление двигателем — это просто способ эффективно подавать на двигатель меньшее, чем полное напряжение батареи. Это работает, потому что двигатель с ШИМ эквивалентен понижающему преобразователю . Изменение рабочего цикла ШИМ эквивалентно изменению напряжения питания:

Максимальный крутящий момент, который вы можете иметь (который вы получите, когда двигатель заглохнет), ограничен током, который может обеспечить ваш источник питания, и потерями в двигателе, как и без ШИМ. Ваш ШИМ-драйвер может добавить немного сопротивления в цепь, немного снизив ток и крутящий момент, но обычно это незначительно по сравнению с сопротивлением обмоток двигателя.

Моторы хотят работать там, где они хотят работать. Лучший способ снизить скорость при сохранении (фактически увеличении) крутящего момента — это понизить передачу. Это означает создание или покупку трансмиссии. Попробуйте выполнить поиск по словам «коробка передач» или «коробка передач для хобби».

Похоже, вы хотите уменьшить скорость, с которой двигатель будет работать в отсутствие приложенного крутящего момента, не уменьшая величину крутящего момента, который может быть приложен без остановки двигателя. Это может быть весьма эффективно, если вы можете изменять свой цикл ШИМ в ответ на изменения фактической скорости двигателя. Это, в свою очередь, может быть достигнуто либо путем измерения среднего во времени тока и среднего во времени напряжения в двигателе (убедившись, что средние значения должным образом включают время, когда ток и/или напряжение отрицательны!) и оценки скорости как пропорциональной напряжению. минус некоторое число, кратное текущему. По мере увеличения крутящего момента среднее напряжение и, следовательно, коэффициент ШИМ должны быть увеличены для компенсации.

Этот подход к управлению двигателем называется «компенсация IR», поскольку вы настраиваете привод двигателя для компенсации потери напряжения из-за сопротивления двигателя (величина потерь пропорциональна произведению тока «I» и сопротивления «R» ). При правильном применении он может работать очень хорошо. Единственное, на что следует обратить внимание, это то, что производительность системы управления с ИК-компенсацией улучшается по мере того, как коэффициент компенсации приближается к «идеальному» значению, но система управления часто становится опасно нестабильной, если коэффициент компенсации превышает это значение даже на немного.

В идеале скорость двигателя должна быть пропорциональна напряжению, поэтому она должна оставаться постоянной независимо от крутящего момента. Однако в действительности увеличение крутящего момента увеличивает ток, что, в свою очередь, приводит к увеличению резистивных потерь в двигателе. В результате остается меньшее напряжение для противодействия противо-ЭДС, и скорость двигателя падает.

Поддержание постоянной скорости может быть выполнено в программном обеспечении с помощью ПИД- регулятора. В простейшем случае вы передаете ПИ-регулятору ошибку между фактической и желаемой скоростью. В более сложном случае вы получаете ускорение двигателя из скорости и передаете его на ПИД-регулятор в дополнение к ошибке скорости.

Если у вас нет датчика скорости, вы можете оценить скорость по напряжению и току двигателя: скорость пропорциональна напряжению двигателя за вычетом резистивных потерь, которые, в свою очередь, пропорциональны току:$\phi'=K_1V-K_2I$.$K_1$можно найти, запустив двигатель без нагрузки, и$K_2$можно найти путем измерения напряжения и тока в стойле.