Существует ли идеальная частота ШИМ для щеточных двигателей постоянного тока?

26

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

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

Если это имеет значение, я включу настройку. Я подаю 24 В прямо на Н-мост, который управляет двигателем. Очевидно, у меня есть два контакта ШИМ, идущие от MCU к воротам двух MOSFETS.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Извините, ссылка не работает. Я думаю, что брандмауэр на работе не любит imgur. На рисунке изображен график зависимости оборотов от напряжения. Это линейно от 50 об / мин при 8 В до 150 об / мин при 24 В.

— Нейт Сан
источник

34

Короче:

У вас есть линейное управление «скоростью» путем подачи сигнала ШИМ, теперь частота этого сигнала должна быть достаточно высокой, чтобы ваш двигатель постоянного тока пропускал только компонент постоянного тока сигнала ШИМ, который является только средним значением. Думайте о моторе как о фильтре нижних частот. Если вы посмотрите передаточную функцию или отношение угловой скорости к напряжению, это то, что у вас есть:

\frac{ω (s)}{В (s)} знак равно \frac{К}{τ s + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$ Это модель двигателя постоянного тока первого порядка или просто фильтр нижних частот с частотой среза

е_{с} знак равно \frac{1}{2 π τ}

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

Где - постоянная времени двигателя. Таким образом, до тех пор, пока ваша частота превышает предельное значение, ваш двигатель будет видеть только часть постоянного тока или среднее значение сигнала ШИМ, и вы будете иметь скорость в соответствии с рабочим циклом ШИМ. Конечно, есть некоторые компромиссы, которые вы должны учитывать, если вы идете с высокой частотой ... $\tau$

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%, его окончательное значение составляет

T_{е я N a L} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

Ваша частота ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы двигатель (по существу, фильтр нижних частот) усреднял ваше входное напряжение, которое является прямоугольной волной. Например, допустим, у вас есть двигатель с постоянной времени . Я собираюсь использовать модель первого порядка, чтобы смоделировать ее реакцию на несколько периодов ШИМ. Это модель двигателя постоянного тока: $\tau=10ms$

\frac{ω (s)}{В (s)} знак равно \frac{К}{10^{- 3} s + 1}

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

Давайте для простоты . $k=1$

Но что более важно, вот ответы, на которые мы смотрим. Для этого первого примера период ШИМ равен а рабочий цикл равен 50%. Вот ответ от мотора: $3\tau$

Желтый график - это сигнал ШИМ (рабочий цикл 50% и период ), а фиолетовый - скорость двигателя. Как видите, скорость двигателя сильно колеблется, потому что частота ШИМ недостаточно высока. $3\tau=30ms$

Теперь давайте увеличим частоту ШИМ. Период ШИМ теперь составляет а рабочий цикл все еще составляет 50%. $0.1\tau=1ms$

Как вы можете видеть, теперь скорость практически постоянна, поскольку высокочастотные составляющие сигнала ШИМ отфильтровываются. В заключение я бы выбрал частоту, по крайней мере, . $f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

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

— Big6
источник

2

Хороший ответ. Вы можете пояснить, что, говоря « время, которое требуется двигателю для достижения почти 100% его окончательного значения », вы подразумеваете окончательное или полное значение тока . Читатели могут спутать его со скоростью 100% или кто-что знает?

— Транзистор

Это было очень информативно! Я не EE, поэтому я не очень образован в этом. Скорее всего, я просто попробую разные частоты, пока не получу отклик, который мне нравится по всему спектру, в котором мне нужно работать. Однако я буду помнить об этом при выполнении этой настройки! , У меня есть один вопрос, хотя. Вы сказали, что все эти цифры были очень теоретическими, но не могли бы вы указать парк ожидаемой постоянной времени? Это двигатель 24 В постоянного тока, который потребляет максимум 300 мА.

— Нейт Сан

1

@NateSan Спасибо! В качестве одного из ответов, которые действительно хороши, лучшее, что вы можете сделать, это начать с частот в диапазоне кГц, например, 2 кГц. Нет никакого способа оценить постоянную времени на основе данной информации или, по крайней мере, я не знаю. Вы можете найти это экспериментально, но вам лучше просто пробовать разные частоты, пока вы не приблизитесь к тому, что вы хотите.

— Big6

Представленные факты не подтверждают вывод: оба графика имеют в среднем 0,5. Я думаю, что это отражает реальность, линейность не зависит от частоты ШИМ. Единственный компромисс, который необходимо сделать, - это пульсации тока / крутящего момента и шум на нижней стороне, а также вихревые токи и потери на переключении на верхней стороне.

— Алена

1

@PageDavid Это был момент с тех пор, как я это сделал, но вы можете измерить это экспериментально, подав на двигатель входное напряжение и посмотрев, сколько времени потребуется, чтобы угловая скорость достигла 63,2% от окончательного значения. Возможно, вам придется повторить это пару раз и найти среднее значение (хотя оно должно быть достаточно близко от измерения к измерению). Для этого вам понадобится подходящее оборудование, такое как тахометры / другие инструменты. Может быть, эта ссылка поможет: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf или Google «найти постоянную времени двигателя постоянного тока» - это один из самых распространенных экспериментов в курсе управления вводной информацией.

— Big6

9

Ваш двигатель, скорее всего, отключен, потому что 150 оборотов в минуту - это всего лишь 2,5 оборота в секунду. При 50 оборотах в минуту вашему двигателю потребуется более секунды, чтобы совершить один оборот.

При этом, коммутаторы в вашем h-мосте не рассеивают большую мощность, когда они включены (по существу, ноль вольт) или когда они выключены (нулевой ток). Они имеют только напряжение и ток, присутствующие при переключении, 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 пойдете слишком низко, 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 за пределы слышимого диапазона.

— Джон Биркхед
источник

Это двигатель для перистальтического насоса, я не уверен насчет передачи. Итак, вы говорите, что если бы я запустил ШИМ на частоте 20 кГц, я мог бы изменить рабочий цикл от 0 до 100, чтобы получить почти линейное изменение оборотов (что для меня означает скорость потока насоса).

— Нейт Сан

Если переключатели нагреваются, это не из-за рабочей частоты (в любом случае, не ниже 1 МГц). Как вы указали, большинство потерь при переключении происходит, когда FET не полностью включен или выключен. Хитрость в том, чтобы сохранять их крутыми, - это вбить их ворота достаточно сильно, чтобы минимизировать Тон и Тофф Выбирайте полевые транзисторы с низким зарядом затвора и низким Ton Toff и низким RDSon.

— Пьяный код Обезьяна

7

Практичный двигатель ведет себя примерно как резистор и индуктор последовательно с реальным двигателем. Для эффективной работы необходимо переключиться между подключением двигателя к источнику питания и его замыканием. Пока двигатель подключен к источнику питания, ток станет более положительным. При коротком замыкании оно станет более негативным. Эффективность будет заметно снижаться, если ток меняет 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 наилучшей, когда частота ШИМ будет максимально высокой. Однако два фактора ограничивают оптимальную частоту ШИМ:

Многие двигатели имеют конденсатор параллельно с ними, чтобы минимизировать электромагнитные помехи. Каждый цикл ШИМ должен заряжать и разряжать эту крышку, тратя впустую полную энергию. Потери здесь будут пропорциональны частоте.
Многим переключателям H-моста требуется определенное время для переключения; пока они переключаются, большая часть энергии, поступающей в них, будет потрачена впустую. По мере сокращения длительности включения и выключения ШИМ до точки, в которой мост тратит большую часть своего активного или неактивного времени на переключение, потери на переключение будут увеличиваться.

Что наиболее важно, так это то, что частота ШИМ будет достаточно высокой, чтобы двигатель не боролся сам с собой. Движение быстрее этого приведет к некоторому улучшению эффективности двигателя, но за счет увеличения других вышеупомянутых потерь. При условии, что параллельная емкость не слишком велика, как правило, будет довольно большой диапазон частот, где потери ШИМ минимальны, а полярность тока двигателя остается постоянной; частота где-то около середины этого диапазона, вероятно, будет лучшей, но все, что находится в этом диапазоне, должно быть адекватным.

— Supercat
источник

На самом деле я не буду заземлять его во время выключения, трение остановит двигатель очень быстро. Таким образом, я не видел причины не оставлять это плавающим между рабочими периодами.

— Нейт Сан

@NateSan: Поскольку двигатель имеет индуктивность, ток будет продолжать течь, даже если вы попытаетесь его отключить. Короткое замыкание двигателя позволит энергии продолжать выполнять полезную работу во время периода отключения, а также уменьшит количество энергии, которое необходимо рассеивать за пределами двигателя

— суперкат

В качестве альтернативы используйте обратный диод. Для индуктивной нагрузки (например, двигателя) важно иметь путь для тока, когда питание отключено, чтобы избежать скачка напряжения, который мог бы повредить ваш переключающий транзистор.

— Крейг МакКуин

@CraigMcQueen: обратный диод будет эффективно закорачивать двигатель при продолжающемся прямом токе, за исключением падения на 0,7 вольт. При 24 В пост. Тока падение 0,7 В может не быть проблемой, но производительность была бы лучше без него.

— суперкат

@supercat: Какая ваша рекомендуемая альтернатива для короткого замыкания двигателя в выключенном состоянии? Второй FET? Не могли бы вы показать или сослаться на пример схемы?

— Крейг МакКуин

3

Я разработал и работал над ШИМ-системой контроля скорости / положения, которая несколько лет назад привела в действие 16 щеточных двигателей постоянного тока. Мы покупали у Мабучи, который в то время продавал 350 миллионов двигателей в год. Они рекомендовали частоту ШИМ 2 кГц, которая соответствовала рекомендациям других источников, включая самолеты R / C того времени. У нас были хорошие результаты, и я использовал их с тех пор.

Существует 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, воспринял это как субгармонику (правильная фраза?) Частоты, поскольку катушки или компоненты пытаются очень медленно перемещаться на высокой частоте, но не могут идти в ногу. Дома у меня есть зарядные устройства для мобильных телефонов, которые я отчетливо слышу, как свист, и я знаю, что их ШИМ-генераторы работают на частоте выше 100 кГц. (На самом деле, я часто выключаю устройство на кухне, проходя мимо него, потому что слышу высокочастотный свисток «без нагрузки», когда телефон не подключен. Я также слышу, как при первом подключении телефона тональный сигнал снижается до более тихого и пониженного. .)

— TonyM
источник

2

Иногда желательно оставаться выше звуковой частоты (20 кГц), если это поддерживается двигателем и водителем. Если человек слышит это, постоянная высокая частота может раздражать. Молодые люди могут услышать это, после 40 лет, это сужается.

— BrianK
источник