Критерии выбора частоты ШИМ для управления скоростью двигателя постоянного тока?

Есть несколько проблем, на которые влияет частота ШИМ при управлении двигателем:

1. Импульсы должны поступать достаточно быстро, чтобы механическая система двигателя усредняла их. Обычно для этого достаточно от нескольких десятков Гц до нескольких 100 Гц. Это редко является ограничивающим фактором.

2. В некоторых случаях важно, чтобы на частоте ШИМ не было слышно нытья. Даже если механическая система в целом не реагирует на одиночные импульсы, отдельные обмотки катушки могут. Электродвигатель работает за счет магнитных сил, и каждый виток провода в катушке устроен таким образом, чтобы создавать эти силы. Это означает, что на каждый отрезок провода в обмотке действует боковая сила, пропорциональная току, по крайней мере, часть времени. Провод в обмотках не может двигаться далеко, но все же может достаточно вибрировать, чтобы результат был слышен. Частота ШИМ 1 кГц может быть хорошей во всех других отношениях, но если она входит в устройство конечного пользователя, нытье на этой частоте может быть неприемлемым. По этой причине ШИМ для управления двигателем конечного потребителя часто выполняется на частоте 25 кГц, что немного превышает то, что может услышать большинство людей.

3. Средний ток катушки. Это может быть сложной проблемой. Отдельные катушки двигателя будут в основном индуктивными по отношению к цепи возбуждения. Вы хотите, чтобы ток через катушки был в основном таким, как вы ожидаете от среднего значения, применяемого ШИМ, и не увеличивался и не уменьшался существенно каждый импульс.

   Каждая катушка будет иметь некоторое конечное сопротивление, что приводит к потере мощности, пропорциональной квадрату тока через нее. Потери будут выше при том же среднем токе, когда есть большое изменение тока в течение импульса. Рассмотрим экстремальный пример катушки, реагирующей на импульсное напряжение почти мгновенно, и вы управляете ею с прямоугольной волной 50%. Резистивное рассеяние будет составлять 1/2 полного включения катушки, при этом средний ток (следовательно, результирующий крутящий момент двигателя) также будет составлять 1/2 полного включения. Однако, если бы катушка управлялась постоянным током 1/2 вместо импульсов, резистивная диссипация составила бы 1/4 от полной шкалы, но с той же 1/2 от полной шкалы тока и, следовательно, крутящего момента.

   Другой способ думать об этом состоит в том, что вы не хотите, чтобы значительный переменный ток превышал средний уровень постоянного тока. Переменный ток никак не влияет на движение двигателя, это делает только среднее значение. Таким образом, переменная составляющая вызывает резистивные потери только в катушках и других местах.

4. Коммутационные потери. Идеальный переключатель либо полностью включен, либо полностью выключен, что означает, что он никогда не рассеивает мощность. Реальные переключатели не переключаются мгновенно и поэтому проводят некоторое конечное время в переходной области, где они рассеивают значительную мощность. Часть работы электроники привода состоит в том, чтобы свести к минимуму это время перехода. Однако независимо от того, что вы делаете, на каждом фронте будет некоторое время, когда переключатель не идеален. Это время обычно фиксируется для каждого фронта, поэтому его доля от общего периода ШИМ увеличивается с частотой. Например, если переключатель тратит в общей сложности 1 мкс на переход каждого импульса, то при частоте ШИМ 25 кГц, что составляет период 40 мкс, время перехода составляет 1/40 от общего времени. Это может быть приемлемо. Однако если бы частота коммутации была увеличена до 100 кГц, что означает период 10 мкс, то время перехода составило бы 10 %.

Что касается вашей схемы, меня больше всего беспокоит то, насколько медленно будет двигаться Q1. Оптоизоляторы, как известно, работают медленно (по сравнению с большинством других компонентов, таких как отдельные транзисторы), особенно при выключении. У вас есть только R2 (хотя я могу прочитать его значение), потянув затвор полевого транзистора, чтобы выключить его. Это будет медленно. Это может быть нормально, если вы можете терпеть медленную частоту ШИМ, учитывая все другие компромиссы, о которых я упоминал выше.

Вы можете подумать о том, чтобы поставить PIC на стороне двигателя опто. Вы можете общаться в цифровом виде с этим PIC через интерфейс UART или что-то, что не должно работать на частоте PWM. Затем этот PIC генерирует соответствующий PWM локально и жестко включает и выключает Q1 с помощью дополнительной схемы для этой цели. Таким образом, высокоскоростные сигналы и быстрые фронты не проходят через оптоизолятор.

Я бы порекомендовал такой оптоизолированный драйвер затвора: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Я использовал что-то подобное в усилителе класса D с частотой переключения ~ 200 кГц.

Кроме того, чтобы прокомментировать сопротивление обмотки, ток в двигателе будет продолжать течь через диод, и он будет экспоненциально возрастать при включении, и exp. распадаются при выключении, поэтому тепло в обмотках не будет таким сильным.