Критерии выбора частоты ШИМ для управления скоростью двигателя постоянного тока?

Я работаю над схемой управления скоростью для двигателя с щеткой постоянного тока (24 В, 500 об / мин, 2 А, 4 кгсм).

Основными компонентами, которые я планирую использовать, являются PIC16f873, оптопара 4n25, МОП-транзистор IRFZ44N, диод BY 500 - 800 (для свободного хода).

• Каковы критерии выбора частоты ШИМ?
• Каково влияние очень высоких и очень низких частот ШИМ на систему?
• Какие недостатки и улучшения необходимо внести в оборудование, представленное здесь?

Существует несколько проблем, связанных с частотой ШИМ при движении двигателя:

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

2. В некоторых случаях важно, чтобы нытье не было слышно на частоте ШИМ. Даже если механическая система в целом не реагирует на отдельные импульсы, отдельные обмотки катушки могут. Электродвигатель работает на магнитных силах, причем каждая петля провода в катушке устроена так, чтобы создавать эти силы. Это означает, что каждый кусок провода в обмотке имеет боковое усилие, пропорциональное току, по крайней мере, часть времени. Провод в обмотках не может двигаться далеко, но он все еще может вибрировать достаточно, чтобы результат был слышен. Частота ШИМ 1 кГц может быть хорошей во всех других отношениях, но если это происходит в устройстве конечного пользователя, то 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 слышит большинство людей.

3. Средний ток катушки. Это может быть сложной проблемой. Отдельные катушки двигателя будут выглядеть в основном индуктивными для цепи управления. Вы хотите, чтобы ток через катушки был в основном таким, какой вы ожидаете от среднего значения, применяемого ШИМ, а не повышался или понижался практически каждый импульс.

   Каждая катушка будет иметь некоторое конечное сопротивление, которое вызывает потерю мощности, пропорциональную квадрату тока, проходящего через нее. Потери будут выше при том же среднем токе, когда в течение импульса происходит значительное изменение тока. Рассмотрим крайний пример того, как катушка реагирует на импульсное напряжение почти мгновенно, и вы управляете ей с 50% -ной прямоугольной волной. Сопротивление рассеяния будет составлять 1/2 от полного включения катушки, при этом средний ток (следовательно, крутящий момент двигателя) также будет составлять 1/2 от полного включения. Однако, если катушка была возбуждена с постоянным током 1/2 вместо импульсов, резистивное рассеивание было бы на 1/4 от полного включения, но с той же 1/2 тока полной шкалы и, следовательно, крутящего момента.

   Еще один способ думать об этом заключается в том, что вы не хотите, чтобы значительный переменный ток превышал средний уровень постоянного тока. Переменный ток не влияет на работу двигателя, это делает только среднее значение. Компонент переменного тока, следовательно, вызывает только резистивные потери в катушках и других местах.

4. Переключение потерь. Идеальный выключатель 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 минимизировать это время перехода. Тем не менее, независимо от того, что вы делаете, на каждом фронте будет некоторое время, когда переключатель не идеален. Это время обычно фиксировано для каждого фронта, поэтому его доля в общем периоде ШИМ увеличивается с частотой. Например, если коммутатор тратит всего 1 мкс при переходе каждого импульса, то при частоте ШИМ 25 кГц, то есть периоде 40 мкс, время перехода составляет 1/40 от общего количества. Это может быть приемлемым. Однако, если частота переключения была увеличена до 100 кГц, что означает период 10 мкс, тогда время перехода будет 10%. Это может вызвать проблемы.

Что касается вашей трассы, меня больше всего беспокоит то, как медленно Q1 будет двигаться. Известно, что оптоизоляторы 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), потянувший на ворота FET, чтобы отключить его. Это будет медленно. Это может быть хорошо, если вы можете терпеть медленную частоту ШИМ, учитывая все другие компромиссы, которые я упомянул выше.

Вы могли бы рассмотреть возможность размещения PIC на стороне двигателя опто. Вы можете общаться в цифровом режиме с этим PIC через интерфейс UART или что-то, что не должно работать на частоте ШИМ. Затем этот PIC генерирует соответствующий PWM локально и жестко включает и выключает Q1 с помощью дополнительных схем для этой цели. Таким образом, высокоскоростные сигналы и быстрые фронты не проходят через оптоизолятор.

Я бы порекомендовал драйвер с оптоизолированным затвором, например, такой: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Я использовал что-то подобное в усилителе класса D на частоте переключения ~ 200 кГц.

Кроме того, чтобы прокомментировать сопротивление обмотки, ток в двигателе будет продолжать проходить через диод, и он будет экспоненциально расти при включении, и exp. гаснет при выключении, поэтому тепло в обмотках будет не таким плохим.