Существует ли идеальная частота ШИМ для щеточных двигателей постоянного тока?

Я буду использовать микроконтроллер для создания ШИМ-сигнала для управления двигателем. Я понимаю, как работают ШИМ и рабочий цикл, однако я не уверен в идеальной частоте. У меня еще нет мотора, поэтому я не могу просто проверить его и узнать.

Это конкретный график производительности.

На картинке изображен график зависимости оборотов от напряжения. Он линейный от 50 об/мин при 8 В до 150 об/мин при 24 В.

Я не буду изменять напряжение, просто время, когда оно получает заданное напряжение. Так могу ли я предположить линейный ответ? При нагрузке 10% и напряжении питания 24 В он будет работать со скоростью 15 об/мин?

Если это будет иметь значение, я включу настройку. Я подаю 24 В напрямую на H-мост, который управляет двигателем. Очевидно, у меня есть два контакта PWM, идущих от MCU к затворам двух включенных МОП-транзисторов.

Ответы (5)

Вкратце:

У вас есть линейный контроль «скорости» , применяя сигнал ШИМ, теперь частота этого сигнала должна быть достаточно высокой, чтобы ваш двигатель постоянного тока пропускал только постоянную составляющую сигнала ШИМ, которая является просто средней. Думайте о двигателе как о фильтре нижних частот. Если вы посмотрите на передаточную функцию или отношение угловой скорости к напряжению, это то, что у вас есть:

ю ( с ) В ( с ) знак равно К т с + 1
Это модель двигателя постоянного тока первого порядка или просто фильтр нижних частот с частотой среза.
ф с знак равно 1 2 π т

Где т - постоянная времени двигателя. Поэтому, пока ваша частота находится за пределами отсечки, ваш двигатель будет видеть только часть постоянного тока или среднее значение сигнала ШИМ, и вы будете иметь скорость, соответствующую рабочему циклу ШИМ. Конечно, есть некоторые компромиссы, которые вы должны учитывать, если вы выбираете высокую частоту.

Длинная история:

Теоретически вам нужно знать постоянную времени двигателя, чтобы выбрать «правильную» частоту ШИМ. Как вы, наверное, знаете, время, которое требуется двигателю, чтобы достичь почти 100 % своего конечного значения, равно

т окончательный ≈ 5 т

Ваша частота ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы двигатель (по сути, фильтр нижних частот) усреднял ваше входное напряжение, которое представляет собой прямоугольную волну. Например, допустим, у вас есть двигатель с постоянной времени т знак равно 10  РС . Я собираюсь использовать модель первого порядка, чтобы смоделировать ее реакцию на несколько периодов ШИМ. Это модель двигателя постоянного тока:

ю ( с ) В ( с ) знак равно К 10 − 3 с + 1

давайте к знак равно 1 для простоты.

введите описание изображения здесь

Но что более важно, вот ответы, которые мы рассматриваем. Для этого первого примера период ШИМ равен 3 т и рабочий цикл составляет 50 %. Вот ответ мотора:

введите описание изображения здесь

Желтый график — сигнал ШИМ (50 % рабочего цикла и период 3 т знак равно 30 м с ), а фиолетовый — скорость двигателя. Как видите, скорость двигателя сильно колеблется, потому что частота ШИМ недостаточно высока.

Теперь увеличим частоту ШИМ. Период ШИМ теперь 0,1 т знак равно 1  РС и рабочий цикл по-прежнему составляет 50 %.

введите описание изображения здесь

Как видите, теперь скорость почти постоянна, потому что высокочастотные компоненты ШИМ-сигнала отфильтровываются. В заключение я бы выбрал частоту не менее

ф с ≥ 5 2 π т

Это просто очень теоретическое объяснение того, как выбрать частоту ШИМ. Надеюсь, это поможет!

Хороший ответ. Вы можете уточнить, что, говоря « время, которое требуется двигателю, чтобы достичь почти 100% своего конечного значения », вы имеете в виду окончательное или полное текущее значение. Читатели могут спутать это со 100% скоростью или кто знает что?
Это было очень информативно! Я не EE, поэтому я не очень образован в этом. Скорее всего, я просто буду пробовать разные частоты, пока не получу отклик, который мне нравится во всем спектре, в котором мне нужно работать. Тем не менее, я буду помнить об этом при настройке! . Хотя у меня есть один вопрос. Вы сказали, что все эти числа были чисто теоретическими, но не могли бы вы примерно указать ожидаемую постоянную времени? Это двигатель на 24 В постоянного тока, который потребляет не более 300 мА.
@NateSan Спасибо! Как один из ответов, которые действительно хороши, лучшее, что вы можете сделать, это начать с частот в диапазоне кГц, например, 2 кГц. Невозможно оценить постоянную времени на основе данной информации, или, по крайней мере, я не знаю. Вы можете найти это экспериментально, но вам лучше просто попробовать разные частоты, пока вы не приблизитесь к тому, что хотите.
Представленные факты не подтверждают вывод: оба графика имеют среднее значение 0,5. Я думаю, что это отражает реальность, линейность не зависит от частоты ШИМ. Единственный компромисс, который необходимо сделать, — это пульсации тока/момента и шум в нижней части, а вихревые токи и коммутационные потери — в верхней части.
@alain Спасибо. Ты прав. Это восходит к первому комментарию, сделанному здесь _transistor. Я построил скорость в зависимости от входного напряжения. Вместо этого эти графики должны отображать ток в ответ на сигнал ШИМ. Затем мы должны обеспечить линейность с точки зрения потребляемого тока и рабочего цикла ШИМ.
Почему ток на правом графике затухает быстрее?
@alain Я дам вам пару ссылок на сайты, которые объясняют это. Тут долго объяснять. 1) homepages.what.net/~paul.hills/SpeedControl/… 2) например.bucknell.edu/~wismer/ee491/ note4 /index.html
Это был риторический вопрос. Первые два графика были правильными, новые графики ошибочны. Из v(t) = L*(di/dt) видно, что скорость затухания тока di/dt зависит только от L и v. В любом случае, я сильно опоздал и думаю, не стоит начинать долгую дискуссию. здесь. Давайте просто согласимся не согласиться :-)
Спасибо за ваш информативный ответ. Я хотел бы спросить, где я могу получить постоянную времени двигателя? Например, в таблице данных для GA12-N20 нет записи с именем константа двигателя. Мне мерить на себе? Если да, то как?
@PageDavid Прошло некоторое время с тех пор, как я сделал это, но вы можете измерить это экспериментально, подав входное напряжение на двигатель, и посмотреть, сколько времени потребуется, чтобы угловая скорость достигла 63,2% от конечного значения. Возможно, вам придется повторить это пару раз и найти среднее значение (хотя оно должно быть довольно близким от измерения к измерению). Для этого вам понадобится подходящее оборудование, такое как тахометры/другие инструменты. Возможно, эта ссылка поможет: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf или погуглите «найти постоянную времени двигателя постоянного тока» — это один из самых распространенных экспериментов в курсе вводного управления.
Было бы неплохо увидеть уравнение в этом ответе, отмечающее, что τ=L/R! Я не смог найти объяснение τ выше, но эта статья хорошо справляется со своей задачей: electronics-tutorials.ws/inductor/lr-circuits.html . Таким образом, хорошая частота ШИМ это как минимум 1/τ = R/L, если я правильно понимаю. В этом сообщении говорится, что, возможно, примерно в 10 раз больше, поэтому время импульса ШИМ составляет 10% от L/R: electronics.stackexchange.com/a/555234/256265

Ваш двигатель, скорее всего, имеет пониженную передачу, потому что 150 об/мин — это всего 2,5 оборота в секунду. При 50 об/мин вашему двигателю потребуется больше секунды, чтобы совершить один оборот.

При этом переключатели в вашем h-мосте не рассеивают много энергии, когда они включены (по сути, нулевое напряжение) или когда они выключены (нулевой ток). У них есть только напряжение и ток, когда они переключаются, поэтому более высокая частота переключения означает больше тепла в ваших полевых транзисторах.

Оставайтесь в диапазоне 5-20 кГц, и вы, вероятно, будете в безопасности. Если вы уменьшите значение слишком сильно, пульсации тока двигателя (и пульсации крутящего момента) могут быть заметны, но вы можете поэкспериментировать с этим. Слишком много выше, и вы будете нагревать свои переключатели. Вы также можете перейти к более высокому уровню, чтобы выйти из слышимого диапазона.

Это двигатель для перистальтического насоса, я не уверен в редукторе. Итак, вы говорите, что если бы я запускал ШИМ на частоте 20 кГц, я мог бы изменять рабочий цикл от 0 до 100, чтобы получить почти линейное изменение оборотов в минуту (что для меня означает скорость потока насоса).
Если переключатели греются, то не из-за рабочей частоты (во всяком случае, не ниже 1МГц). Как вы сказали, большинство потерь при переключении происходит, когда полевой транзистор не полностью включен или выключен. Хитрость в том, чтобы держать их хладнокровными, состоит в том, чтобы управлять воротами достаточно сильно, чтобы свести к минимуму Тона и Тоффа. Выбирайте полевые транзисторы с низким зарядом затвора, низким значением Ton Toff и низким значением RDson.

Практический двигатель ведет себя примерно как резистор и индуктор, включенные последовательно с реальным двигателем. Для эффективной работы вам необходимо переключаться между подключением двигателя к источнику питания и его замыканием. Пока двигатель подключен к источнику питания, ток станет более положительным. При коротком замыкании он станет более отрицательным. Эффективность заметно снизится, если ток изменит полярность, потому что двигатель будет проводить часть каждого цикла, пытаясь механически бороться с тем, что он делает в других частях.

С точки зрения самого двигателя эффективность будет максимальной, когда частота ШИМ максимально высока. Однако два фактора ограничивают оптимальную скорость ШИМ:

  1. Многие двигатели имеют параллельный конденсатор, чтобы свести к минимуму электромагнитные помехи. Каждый цикл PWM должен будет заряжать и разряжать эту крышку, тратя впустую полную нагрузку энергии. Потери здесь будут пропорциональны частоте.

  2. Многим коммутаторам H-bridge требуется определенное время для переключения; пока они переключаются, большая часть энергии, поступающей в них, будет потрачена впустую. По мере того, как продолжительность включения и выключения ШИМ уменьшается до точки, в которой мост тратит большую часть своего активного или неактивного времени на переключение, потери при переключении увеличиваются.

Что наиболее важно, так это то, что частота ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы двигатель не боролся сам с собой. Увеличение скорости несколько улучшит КПД двигателя, но за счет увеличения других вышеупомянутых потерь. При условии, что параллельная емкость не слишком велика, как правило, будет довольно большой диапазон частот, в котором потери ШИМ минимальны, а полярность тока двигателя остается прямой; частота где-то около середины этого диапазона, вероятно, будет лучшей, но все в этом диапазоне должно быть адекватным.

На самом деле я не буду заземлять его в период отключения, трение очень быстро остановит двигатель. Поэтому я не видел причин не оставлять его плавающим между дежурствами.
@NateSan: Поскольку двигатель имеет индуктивность, ток будет продолжать течь, даже когда вы пытаетесь его выключить. Короткое замыкание двигателя позволит энергии продолжать выполнять полезную работу в период отключения и уменьшит количество энергии, которое необходимо рассеять вне двигателя.
В качестве альтернативы используйте обратноходовой диод. Для индуктивной нагрузки (например, двигателя) важно иметь путь для тока при отключении питания, чтобы избежать скачка напряжения, который может убить ваш переключающий транзистор.
@CraigMcQueen: диод обратного хода эффективно закорачивает двигатель, пока продолжается прямой ток, за исключением падения на 0,7 В. При 24 В постоянного тока падение на 0,7 В может не быть проблемой, но без него производительность была бы лучше.
@supercat: Какова ваша рекомендуемая альтернатива короткому замыканию двигателя в выключенном состоянии? Второй полевой транзистор? Не могли бы вы показать или сослаться на пример схемы?
Просто используйте барьер Шоттки с падением напряжения около 0,1 В, если вас беспокоит 0,7 В кремниевого диода (на самом деле не должно).

Несколько лет назад я разработал и работал над ШИМ-системой управления скоростью/позиционированием, которая приводила в действие 16 коллекторных двигателей постоянного тока. Мы покупали у Мабучи, который в то время продавал 350 миллионов моторов в год. Они рекомендовали частоту ШИМ 2 кГц, что соответствовало рекомендациям из других источников, включая радиоуправляемые самолеты того времени. У нас были хорошие результаты, и я использовал его с тех пор.

Есть теория, что частота выше 20 кГц означает отсутствие свиста/шума, но мы обнаружили, что это не так. Я не знаю истинной физики этого, но есть механическое движение, которое вы можете услышать. Я, правильно или неправильно, принял это за субгармоники (правильная фраза?) частоты, поскольку катушки или компоненты пытаются немного двигаться на высокой частоте, но не могут угнаться за ними.

Мы обнаружили то же самое при испытании драйвера соленоида с использованием ШИМ. Осциллограф соленоида показал правильные тестовые частоты, сначала 25 кГц, затем все выше и выше. Свистящий звук соленоида был отчетливым и неприятным. Мы отказались от ШИМ-подхода после большого количества тестов и экспериментов.

У меня дома есть зарядные устройства для мобильных телефонов, я отчетливо слышу свист, и я знаю, что их ШИМ-генераторы хорошо работают на частотах выше 100 кГц. (На самом деле, я часто выключаю телефон на кухне, проходя мимо него, потому что слышу пронзительный свист «нет нагрузки», когда телефон не подключен. Я также слышу, как звук становится тише и ниже, когда телефон впервые подключен к сети. .)

С зарядным устройством телефона вы слышите не основную частоту переключения, а режим пропуска импульсов при низкой нагрузке, пакетный режим или другую энергосберегающую схему, которая либо снижает частоту, либо заставляет коммутатор просыпаться и делать пакет с интервалами, которые соответствуют слышимой частоте. Это очень раздражает. Если у проклятой штуки моргает светодиод, то он тоже будет бибикать вместе со светодиодом.
@bobflux, как уже говорилось, свист заряда меняется при всех нагрузках, тогда как пропуск импульсов SMPS происходит только при низкой нагрузке / без нагрузки. Конструкции двигателя и соленоида были чистым ШИМ, и на их изучение в масштабах прототипов для массового производства было потрачено много времени и усилий, чтобы попытаться решить эту проблему. Было бы хорошо сказать, что это было не так... но это было так.

Иногда желательно оставаться выше слышимой частоты (20 кГц), если двигатель и драйвер поддерживают это. Если бы человек мог его слышать, постоянная высокая частота могла бы раздражать. Его могут слышать молодые люди, после 40 лет он стихает.

Существует ли идеальная частота ШИМ для щеточных двигателей постоянного тока?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v