DC fırça motorları için ideal bir PWM frekansı var mı?

26

Motor kontrolü için bir PWM sinyali oluşturmak için bir mikrodenetleyici kullanacağım. PWM ve görev döngüsünün nasıl çalıştığını anlıyorum, ancak ideal bir frekanstan emin değilim. Henüz motorum yok, bu yüzden sadece test edip bulamıyorum.

Değişen voltaj olmayacağım, sadece belirli bir voltaj aldığı zaman. Öyleyse doğrusal bir yanıt alabilir miyim? % 10 görev ve 24 V'luk bir tedavide 15 devir / dakika hızında çalışır mı?

Bir fark yaratırsa, kurulumu ekleyeceğim. 24 V'u doğrudan motoru kontrol eden bir H köprüsüne sürüyorum. Açıkçası, MCU’dan iki MOSFETS etkinliğinin kapısına giden iki PWM pimi var.

EDIT: Üzgünüm, link çalışmıyor gibi görünüyor. Sanırım iş yerindeki güvenlik duvarı imgurdan hoşlanmıyor. Resimde, Voltage vs RPM'nin bir grafiği gösterilmektedir. 50 RPM @ 8 V ila 150 RPM @ 24 V arasında doğrusaldır.

— Nate San
kaynak

34

Kısacası:

Bir pwm sinyali uygulayarak 'hızın doğrusal kontrolüne sahipsiniz , şimdi bu sinyalin frekansı yeterince yüksek olmalıdır, böylece DC Motorunuz yalnızca ortalama olan PWM sinyalinin DC bileşenini geçebilir. Motoru düşük geçiş filtresi olarak düşünün. Aktarım işlevine veya açısal hız ile voltaja bir ilişki bakarsanız, sahip olduğunuz budur:

Bu bir DC motorun birinci dereceden bir modelidir veya kesme frekansıile düşük geçişli bir filtredir

\frac{ω (s)}{V (s)} = \frac{K}{τ s + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$

f_{c} = \frac{1}{2 π τ}

$f_c=\frac{1}{2\pi\tau}$

Nerede motorun zaman sabittir. Frekansınız kesimin ötesinde olduğu sürece, motorunuz yalnızca DC kısmını veya PWM sinyalinin ortalamasını görecek ve PWM görev silindirine uygun bir hıza sahip olacaksınız. Elbette, yüksek frekansla giderseniz düşünmeniz gereken bazı değişimler var ... $\tau$

Uzun Hikaye:

Teorik olarak, 'doğru' PWM frekansını seçmek için motorun zaman sabitini bilmeniz gerekir. Muhtemelen bildiğiniz gibi, motoru geçen süre nihai değerdir neredeyse% 100'e ulaşması

t_{f ben n bir l} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

PWM frekansınızın, motorun (temel olarak düşük geçiş filtresi) bir kare dalga olan giriş voltajınızın ortalamasını alması için yeterince yüksek olması gerekir. Örneğin, zaman sabitli bir motora sahip olduğunuzu . Birkaç PWM dönemine yanıtını simüle etmek için birinci dereceden bir model kullanacağım. Bu DC motor modelidir: $\tau=10ms$

\frac{ω (s)}{V (s)} = \frac{K}{10^{- 3} s + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{10^{-3} s+1}$

Hadi let basitlik için. $k=1$

Fakat daha önemlisi, burada baktığımız cevaplar. Bu ilk örnek için PWM süresi ve görev döngüsü% 50'dir. İşte motordan gelen cevap: $3\tau$

Sarı grafik PWM sinyalidir (% 50 iş çevrimi ve periyot ) ve mor renk motorun hızıdır. Gördüğünüz gibi, PWM'nin frekansı yeterince yüksek olmadığı için motorun hızı geniş bir şekilde sallanıyor. $3\tau=30ms$

$0.1\tau=1ms$

$f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

Bu sadece PWM frekansının nasıl seçileceğine dair teorik bir açıklamadır. Umarım yardımcı olur!

— Big6
kaynak

2

İyi cevap. “ Motorun nihai değerinin neredeyse% 100'üne ulaşması için geçen zaman ” derken , nihai veya tam akım değerini kastettiğinizi netleştirebilirsiniz . Okuyucular% 100 hızda veya kim-bilir-ne ile karıştırmak?

— Transistör

Bu çok bilgilendirici oldu! Ben bir EE değilim, bu yüzden bu konuda son derece eğitimli değilim. Çalıştırmam gereken spektrumda sevdiğim bir yanıt alıncaya kadar farklı frekansları deneyeceğim. Ancak, bu ayarları yaparken bunu aklımda tutacağım! . Fakat bir sorum var. Bu sayıların hepsinin teorik olduğunu söylediniz, ancak beklenen sürenin sabit olduğu bir park yeri verebilir misiniz? En fazla 300 mA çeken 24 V dc motor.

— Nate San

1

@NateSan Teşekkürler! Gerçekten iyi olan cevaplardan biri olarak, yapabileceğiniz en iyi şey, örneğin 2KHz gibi KHz aralığındaki frekanslarla başlamaktır. Verilen bilgilere dayanarak zaman sabitini tahmin etmenin bir yolu yoktur veya en azından bilmiyorum. Bunu deneysel olarak bulabilirsiniz, ancak istediğinize yaklaşana kadar sadece farklı frekansları denemekten daha iyisiniz.

— Büyük6

Sunulan gerçekler sonucu desteklemiyor: Her iki grafik de ortalama 0,5 değerine sahip. Bunun gerçeği yansıttığını düşünüyorum, doğrusallık PWM frekansına bağlı değildir. Yapılacak tek şey, alt kısımdaki akım / tork dalgalanması ve gürültüsü, üst kısımdaki girdap akımı ve anahtarlama kayıplarıdır.

— alain

1

@PageDavid Bunu yaptığımdan beri bir an oldu, ancak bunu motora bir giriş gerilimi uygulayarak deneysel olarak ölçebilir ve açısal hızın nihai değerinin% 63.2'sine ulaşmasının ne kadar sürdüğünü görebilirsiniz. Bunu birkaç kez yinelemeniz ve ortalama değeri bulmanız gerekebilir (yine de ölçümden ölçüme oldukça yakın olmalıdır). Bunun için takometre / diğer aletler gibi doğru ekipmana ihtiyacınız olacak. Belki bu bağlantı yardımcı olacaktır: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf veya google "dc motor zaman sabitini bul" - bu giriş kontrolleri kursunda en yaygın deneylerden biridir.

— Big6

9

Motorunuz muhtemelen redüktördür, çünkü 150 dev / dak, saniyede sadece 2,5 devirdir. 50 devir / dakika hızında, motorunuz bir devri gerçekleştirmek için bir saniyeden fazla sürecektir.

Söylendiği gibi, h köprünüzdeki anahtarlar açıkken (temelde sıfır volt) veya kapalıyken (sıfır akım) fazla güç harcamaz. Anahtarlama sırasında sadece hem voltaj hem de akım bulunur, bu nedenle yüksek anahtarlama frekansı FET'lerde daha fazla ısı demektir.

5-20 KHz aralığında kalın ve muhtemelen güvende olursunuz. Çok daha aşağı giderseniz, motor akımı dalgalanması (ve tork dalgalanması) fark edilebilir, ancak bunu deneyebilirsiniz. Çok daha yüksek ve anahtarlarınızı ısıtıyor olacaksınız. Ayrıca, duyulabilir menzilden çıkmak için üst seviyeye doğru gitmek isteyebilirsiniz.

— John Birckhead
kaynak

Peristaltik bir pompa için bir motor, vites konusunda emin değilim. Yani, eğer PWM'yi 20KHz'de çalıştırırsam, RPM'de (benim için pompa akış hızına çeviren) doğrusal bir değişiklik elde etmek için görev döngüsünü 0 ile 100 arasında değiştirebileceğimi söylüyorsunuz.

— Nate San

Anahtarlar ısınırsa, çalışma frekansından kaynaklanmaz (yine de 1MHz'in altında değil). Belirttiginiz gibi, anahtarlama kayıplarının çoğu, FET tam olarak AÇIK veya KAPALI olmadığında meydana gelir. Onları serinletmenin püf noktası, Ton ve Toff'u en aza indirmek için kapılarını yeterince sert sürmektir. Düşük kapı şarjı ve düşük Ton Toff ve düşük RDSon ile FET'leri seçin.

— Sarhoş Kod Maymun

7

Pratik bir motor kabaca bir direnç ve indüktör gibi davranarak gerçek bir motorla seri halde çalışır. Verimli çalışma için, motoru beslemeye bağlamak ve kısa devre yapmak arasında geçiş yapmanız gerekir. Motor beslemeye bağlıyken, akım daha pozitif hale gelecektir. Kısaltıldığında, daha olumsuz hale gelecektir. Akım kutupları değiştirdiğinde verimlilik belirgin bir şekilde azalır, çünkü motor her devrin bir bölümünü diğer parçalarda yaptığı mekanik olarak savaşmaya çalışırken harcar.

Motorun kendisinin bakış açısından, PWM oranı mümkün olduğu kadar yüksek olduğunda verimlilik en iyi şekilde olacaktır. Bununla birlikte, iki faktör optimum PWM oranını sınırlar:

Birçok motorun elektromanyetik paraziti en aza indirgeme çabası içinde paralel bir kapasitör vardır. Her PWM döngüsünün, bu yükü tamamen doldurması ve boşa harcaması gerekir. Buradaki kayıplar frekansla orantılı olacaktır.
Birçok H köprüsü şalterinin değişmesi belirli bir zaman alır; Değişirken, onlara giren gücün büyük kısmı boşa gidecektir. PWM açık ve kapalı süreleri, köprünün aktif veya inaktif zaman anahtarlamasının çoğunu harcadığı noktaya doğru küçüldükçe, anahtarlama kayıpları artacaktır.

En kritik olan PWM oranının motorun kendisiyle savaşmayacağı kadar hızlı olması. Bundan daha hızlı gitmek, motor verimliliğini bir miktar artıracak, ancak yukarıda belirtilen diğer kayıpları arttırmak pahasına. Paralel kapasitansın fazla olmaması durumunda, PWM kayıpları minimum ve motor akım polaritesi ileride kalırsa, genellikle oldukça büyük bir frekans aralığı olacaktır; bu aralığın ortasına yakın bir yerde bir frekans muhtemelen en iyisi olacaktır, ancak bu aralıktaki herhangi bir şey yeterli olmalıdır.

— SuperCat
kaynak

Aslında kapalı dönemde onu topraklamayacağım, sürtünme motoru çok hızlı durduracak. Bu yüzden, görev dönemleri arasında yüzer halde bırakmamak için bir sebep görmedim.

— Nate San

@NateSan: Motor indüktans olduğundan, akım olacak bunu kapatmak çalıştığınızda bile akmaya devam ediyor. Motorun

— kısaltılması

Alternatif olarak, bir geri dönüş diyotu kullanın. Endüktif bir yük için (örneğin motor), anahtarlama transistörünüzü öldürebilecek bir voltaj yükselmesinden kaçınmak için, besleme kapatıldığında akım için bir yola sahip olmak önemlidir.

— Craig McQueen

@CraigMcQueen: Bir geri dönüş diyotu, 0.7 voltluk bir düşüşten daha az akım devam ederken motoru etkin bir şekilde kısa devre eder. 24VDC'de 0.7V düşüş bir sorun olmayabilir, ancak performans onsuz daha iyi olurdu.

— supercat

@supercat: "Kapalı" durumdayken motoru kısaltmak için önerilen alternatifiniz nedir? İkinci bir FET? Bir örnek devre şemasını gösterebilir veya gösterebilir misiniz?

— Craig McQueen

3

Birkaç yıl önce 16 fırçalı DC motor süren bir PWM hız / konum kontrol sistemi üzerinde çalıştım. O zaman yılda 350 milyon motor satan Mabuchi'den alıyorduk. Zamanın R / C uçakları da dahil olmak üzere diğer kaynaklardan gelen önerilere göre 2 kHz PWM frekansı önerdiler. İyi sonuçlar aldık ve o zamandan beri kullandım.

20 kHz'in üzerindeki bir frekansın ıslık / gürültü olmadığı anlamına gelir, ancak bunun doğru olmadığını gördük. Bunun gerçek fiziğini bilmiyorum ama duyabileceğiniz mekanik bir hareket var. Ben, doğru ya da yanlış olarak, bobinlerin veya bileşenlerin yüksek frekansta hiç bu kadar hafif hareket etmeye çalıştığı ancak dayanamadıkları için frekansın alt harmonikleri (doğru cümle?) Olarak aldım. Evde ıslık çaldığını açıkça duyabildiğim cep telefonu şarj cihazlarım var ve PWM osilatörlerinin 100 kHz yukarı doğru çalıştığını biliyorum. (Aslında, geçerken mutfakta sık sık birini kapatırım, çünkü telefon bağlı olmadığında daha yüksek açılı 'yüksüz' düdük sesi duyuyorum. .)

— TonyM
kaynak

2

Bazen, eğer motor ve sürücü destekliyorsa, duyulabilir frekansın (20KhZ) üstünde durması istenir. Eğer bir insan duyabiliyorsa, sürekli yüksek frekanslı bir frekans rahatsız edici olabilir. Genç insanlar duyabilir, 40 yaşından sonra, sesini keser.

— BrianK
kaynak