Настройка частоты ШИМ двигателя постоянного тока 15 В 3 А

Есть три основных проблемы с частотой ШИМ для управления двигателем:

1. Он должен быть достаточно быстрым, чтобы двигатель «видел» среднее значение, а не отдельные импульсы. У двигателей есть физические роторы, которые вращаются, инерция которых будет фильтровать низкие частоты ШИМ. Обычно достаточно 100 Гц или, самое большее, нескольких 100 Гц. Учтите, что многие двигатели нормально работают при питании от однофазной сети с частотой 50 или 60 Гц.

2. Он должен быть достаточно медленным, чтобы потери при переключении составляли небольшую часть общей мощности. Транзисторы не переключаются мгновенно между включенным и выключенным состоянием, когда рассеиваемая мощность равна нулю (для идеального переключателя). В промежутках рассеяние на транзисторе будет значительным. Это может быть проблемой из-за лишней мощности, но обычно перед этим возникает проблема избавления от лишнего тепла. Например, при мощности 500 мВт корпус ТО-220 можно охладить на открытом воздухе. При 2 Вт вы должны посчитать и тщательно продумать охлаждение.

3. В зависимости от приложения и окружающей среды, в которой будет установлен этот двигатель, вам может потребоваться подумать о гуле. Несмотря на то, что 500 Гц может быть достаточно быстро, чтобы двигатель усреднился, а 2 мс — приятное и медленное время переключения по сравнению со временем переходной области, это может вызвать слышимый свист. Это может сильно раздражать людей, и его трудно предсказать для какого-либо одного двигателя. Магнитные поля, создаваемые катушками, будут изменяться в зависимости от тока, который изменяется с частотой переключения. Сила на отдельных проводах обмотки пропорциональна этому магнитному полю. Отдельные провода могут вибрировать намного быстрее, чем может реагировать ротор в целом. Эти обмотки и, возможно, другие части двигателя вызывают слышимый звук при вибрации. Звук также является доказательством движения, которое со временем может изнашивать изоляцию и тому подобное.

   Невозможно узнать, насколько слышимым будет двигатель на определенной частоте, не попробовав его. По этой причине многие водители переключаются чуть выше предела человеческого слуха. Например, 24 кГц является обычной частотой переключения, особенно для стандартных контроллеров двигателей, которые не подходят для конкретного двигателя и приложения.

Выбор частоты зависит от требований применения и точных характеристик двигателя. Если вы ищете только кого-то, кто даст вам номер, то выбор частоты чуть выше слышимого диапазона, вероятно, сработает. Тем не менее, давайте попробуем понять некоторые аспекты теории.

Как и любой другой повторяющийся сигнал, мы можем рассматривать ШИМ как сумму синусоид с разными частотами/фазами. В этой статье представлен спектральный анализ ШИМ-сигнала. Интуитивно понятная версия этого заключается в том, что есть компонент постоянного тока (который линейно изменяется между вашим максимальным и минимальным напряжением при рабочем цикле 100% или 0% соответственно), следующий компонент находится на частоте ШИМ (она же основная) (и является наибольшим), и тогда у вас есть компоненты на гармониках (кратных) этой частоты ШИМ с постоянно уменьшающейся амплитудой.

Если мы посмотрим на двигатель как на устройство, которое преобразует ток в крутящий момент и имеет фиксированное сопротивление (т. Частоты ШИМ. Это приближение первого порядка того, что происходит, и оно будет применяться при очень низких скоростях/частотах/крутящем моменте.

Давайте немного поговорим о размере этих пульсаций скорости и их отношении к частоте. Поскольку вы применяете voltage==current==torque==angular acceleration*mздесь нашу маленькую модель, скорость является интегралом вашего сигнала (площадь под кривой). Мы постараемся вспомнить некоторые из наших математических расчетов и интеграла sin(ax)от - 1/a * cos(ax). Важным выводом здесь является то, что амплитуда скорости будет уменьшаться по мере увеличения частоты (a) (a равно 1 означает 1 рад/с). Если вы смотрите на положение, вам нужно снова интегрировать, и оно станет еще меньше ( 1/a^2) по мере увеличения частот.

Таким образом, более высокая частота приведет к уменьшению пульсаций скорости и положения нагрузки по чисто механическим причинам. Увеличение массы (момент инерции) также уменьшит пульсации (линейно). Когда ваш двигатель работает в воздухе, эта механическая рябь может привести к звуковой волне, как в динамике.

Есть две большие области, которые эта модель не учитывает. Одним из них является обратная ЭДС, поэтому по мере того, как двигатель работает быстрее, ваш крутящий момент будет эффективно уменьшаться. Это основная причина, по которой ваша нагрузка не разгоняется до бесконечной скорости.

Вторая область — электрические характеристики двигателя. (К сожалению, это обмен стеками EE). Мы можем говорить о драйверах и поведении транзисторов при переключении, но основным фактором (учитывая достаточно низкие частоты) обычно являются индуктивность и сопротивление катушки двигателя. Из-за этого двигатель выглядит как фильтр нижних частот с точной частотной характеристикой, зависящей от параметров двигателя. Полученная здесь постоянная времени (время, за которое ток достигает максимального значения) представляет собой индуктивность катушки двигателя, деленную на ее сопротивление (L/R). Это означает, что более высокие частоты ослабляются больше, чем более низкие частоты, что довольно удобно, поскольку нас больше всего интересует постоянная составляющая ШИМ. Высокопроизводительные двигатели будут иметь очень широкую частотную характеристику (и могут управляться с помощью ШИМ в 100 кГц), в то время как двигатели с более низкими характеристиками будут иметь гораздо более низкую частоту среза. Когда вы стремитесь к очень высокой полосе пропускания управления (например, в приложениях с замкнутым контуром/сервоприводом), вам нужна максимально возможная частота ШИМ, так как это повлияет на вашу текущую полосу пропускания контура.

Еще одно замечание заключается в том, что сами различные электрические компоненты часто будут вибрировать на частоте привода по разным причинам (например, на катушки также действует сила), поэтому часто слышимый гул исходит от них, а не от нагрузки (которая часто слишком демпфирована). /massive, чтобы создавать много шума - если только вы не управляете динамиком!!!).

Вы всегда можете погрузиться глубже и смоделировать физику более точно, но я думаю, что приведенное выше дает разумное первое приближение, которое можно использовать для принятия обоснованного решения. В некоторых системах вам обязательно нужно лучше понимать физику двигателя, передаточную функцию привода, переключение транзисторов, трение, жесткость нагрузки/частотную характеристику, обратную связь и т. д.