Двигатель постоянного тока - ШИМ против напряжения

При управлении двигателем постоянного тока с номинальным напряжением 5 В теоретически я могу управлять двигателем следующими способами:

5 В со 100% рабочим циклом ШИМ.
10 В с 50% рабочим циклом ШИМ.
20 В с рабочим циклом 25%.

Есть ли разница между ними? Сократит ли использование опции 2/3 срок службы двигателя? Повлияет ли изменение частоты ШИМ на срок службы двигателя? Причиной этого является то, что при более высоком напряжении двигатель может работать намного медленнее.

motor pwm

— Гилад
источник

Я не уверен, что следую последнему утверждению о том, почему вы думаете, что можете управлять двигателем медленнее при более высоком напряжении?

— PeterJ

25% времени вы будете подавать в 4 раза больше номинального напряжения. У вас будут более высокие пики тока вместе с более высоким напряжением, и оба могут повредить ваш двигатель, даже если они применяются только в 25% случаев.

— EwokNightmares

Возможно, вы захотите подумать о том, что происходит на самом деле - напряжение - это всего лишь средство для проталкивания тока через ваш двигатель, а произведение двух на фактическую мощность. Управление напряжением является очень расплывчатым способом управления серводвигателем постоянного тока.

— Джон U

Я думаю, также возможно, что в результате вы можете получить более сильную пульсацию крутящего момента.

— EwokNightmares

Какова ваша рабочая частота? Там будет больше влияния, если это будет 1 Гц, а не 1 кГ :-)

— shuckc

Ответы:

Да, это очень разные. ШИМ-привод и привод напряжения по отдельности не так уж много значат, но при таком сочетании вы получите существенно различную производительность.

Электрически вы можете смоделировать двигатель как индуктор (обмотки), резистор и источник напряжения (ЭДС, пропорциональная скорости двигателя). Когда вы подаете более низкое напряжение по сравнению с более высоким, вы будете:

получить более медленный через обмотку двигателя, что снижает крутящий момент $dI/dt$
иметь более низкую максимальную скорость из-за обратной ЭДС

С ШИМ и более высоким напряжением вы сможете достичь более высоких пиковых скоростей и часто гораздо более высокого крутящего момента при одинаковых скоростях.

Нет реальной причины, по которой двигатель будет поврежден при подаче более высокого напряжения. Повреждение двигателя вызвано:

Подшипник перегрузки (например, толкая вбок на валу упорного подшипника оси)
Превышение скорости подшипника (зависит в основном от используемого масла)
Искрение щетки (вызвано высокими скоростями и, в гораздо меньшей степени, также большим током)
деформация и расслаивание внутренних структур из-за перегрева

Кроме того, перегрев или работа двигателя при очень высоких токах приведет к (значительному) снижению крутящего момента из-за магнитного насыщения.

Если вы можете гарантировать, что ваш двигатель не выходит за пределы скорости, крутящего момента и силы, а также надлежащим образом охлаждает его, то нет никаких недостатков в работе его при более высоких напряжениях с ШИМ.

— user36129
источник

d I / d t

$dI/dt$

d I / d t

$dI/dt$

Вы уверены, что DCM является нормой для (хорошо разработанного) управления двигателем? Википедия говорит, что частоты управления двигателем ШИМ варьируются от «нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для привода двигателя»; это не то, что я бы назвал «чрезвычайно низким», и с большинством двигателей, с которыми я работал, в области работы CCM.

— Фил Фрост

Это полностью зависит от вашего приложения. Я как бы предполагал типичные небольшие двигатели постоянного тока - хобби, самолеты RC и т. Д. Для этой области DCM является нормой. Обычно они работают с частотой не более пары кГц, с очень низкой индуктивностью двигателя (часто <1 мГн). Поскольку текущие и физические размеры увеличиваются, DCM вообще сложно сделать, а CCM - это все, что делают люди. И под крайне низкой частотой я подразумеваю слышимый регион. Я должен был определить это количественно.

— user36129

Спасибо за подробный ответ. Моя цель - как можно медленнее запустить двигатель, и у меня уже есть передача 1: 1000. Я использую маленький моторчик. Мотор работает круто, но я обеспокоен его продолжительностью жизни.

— Гилад

Двигатель с ШИМ-приводом является понижающим преобразователем . В той степени, в которой ваша схема и двигатель представляют собой хороший понижающий преобразователь, нет разницы между каждым из ваших вариантов.

Некоторые вещи, которые нужно иметь в виду:

$1000V$ $20V$

Если ваша частота ШИМ слишком мала для индуктивности обмотки двигателя, ток в каждом цикле ШИМ будет значительно меняться, у вас будет сильная пульсация крутящего момента, и у вас больше не будет хорошего понижающего преобразователя. Производительность и эффективность пострадают. В крайнем случае вы можете даже не заставить мотор вращаться .

Как и в случае понижающего преобразователя, в ШИМ-приводе используются транзисторы и другие схемы, что неизбежно приводит к дополнительным потерям. Привод ШИМ также более сложен в разработке, труднее в правильной работе, дороже в реализации и т. Д. Некоторые из этих потерь (например, потери гистерезиса) находятся внутри двигателя и приводят к более высокой температуре двигателя, которая обычно это ограничивающий параметр для производительности двигателя, а более высокая температура в целом сокращает срок службы двигателя. Однако вам потребуется очень плохая конструкция, чтобы эти потери приближались к потерям, которые у вас уже есть на постоянном токе, например, к резистивным потерям в обмотках, поэтому разница между КПД ШИМ и КП постоянного тока невелика.

— Фил Фрост
источник

Есть несколько вещей, на которые нужно обратить внимание при использовании ШИМ.

Во-первых, напряжение ШИМ, которое будет видеть ваш двигатель, будет иметь высокочастотные гармоники. Эти гармоники приведут к потерям в вашем двигателе, которых не было бы, если бы вы использовали постоянное напряжение. Это означает, что ваш двигатель будет нагреваться при использовании PWM и DC (при прочих равных условиях). Как это влияет на жизнь вашего мотора, зависит от многих вещей. В мире двигателей существует очень грубое правило, согласно которому при каждом увеличении температуры катушки двигателя на 10 ° C срок службы изоляции двигателя уменьшается вдвое. Вам нужно будет провести тест на номинальные характеристики двигателя с ШИМ-приводом, который вы используете, чтобы либо снизить номинальные характеристики двигателя, либо сказать, насколько горячее он станет при использовании ШИМ с номинальной табличкой. Однако большинство людей действительно готовы для этого теста.

Во-вторых, если вы говорите о низких напряжениях, таких как ваш пример (5–20 В), само повышенное напряжение, вероятно, не окажет большого влияния на срок службы изоляции. Очевидно, что это зависит от двигателя, но, как правило, изоляция в двигателях может выдерживать напряжения не менее 1000 В в течение коротких периодов времени. Учитывая скачки напряжения из-за ШИМ, это означает, что вам не нужно беспокоиться об уменьшении срока службы изоляции, пока вы не говорите о двигателях с номинальным напряжением ~ 400В-600В или выше. Более высокое напряжение с ШИМ может повлиять на срок службы щетки, но это действительно трудно сказать без тестирования.

— Эрик
источник