Чи є ідеальна ШІМ частота для щіткових двигунів постійного струму?

26

Я буду використовувати мікроконтролер для створення ШІМ-сигналу для управління двигуном. Я розумію, як працює ШІМ та робочий цикл, проте я не впевнений у ідеальній частоті. У мене ще немає мотора, тому я не можу просто перевірити його і дізнатися.

Я не буду змінювати напругу, просто час, коли воно отримає задану напругу. Тож чи можу я припустити лінійну відповідь? При 10-відсотковому режимі та 24-ти В напрузі він буде працювати зі швидкістю 15 об / хв?

Якщо це має значення, я включу налаштування. Я працюю 24 В прямо на Н-міст, який керує двигуном. Очевидно, що у мене є два шпильки ШІМ, що йдуть від MCU до воріт двох включень MOSFETS.

EDIT: На жаль, посилання, здається, не працює. Я думаю, що брандмауер на роботі не любить imgur. На малюнку зображений графік RPM проти напруги. Він лінійний від 50 об / хв при 8 В до 150 об / хв при 24 В.

— Нейт Сан
джерело

34

Коротко:

Ви маєте лінійний контроль над «швидкістю» , застосовуючи сигнал Pwm, тепер частота цього сигналу повинна бути достатньо високою, щоб ваш двигун постійного струму передав лише компонент постійного струму ШІМ-сигналу, який є лише середнім. Подумайте про мотор як фільтр низьких частот. Якщо ви подивитеся на функцію передачі або відношення кутової швидкості до напруги, це те, що ви маєте:

Це модель першого двигуна постійного струму або просто фільтр низької частоти з частотою відсікання

\frac{ω (с)}{V (с)} = \frac{К}{τ с + 1}

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

f_{c} = \frac{1}{2 π τ}

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

Де - постійна часу двигуна. Тож поки ваша частота перевищує межу, ваш двигун буде бачити лише частину постійного струму або середнє значення ШІМ-сигналу, і ви матимете швидкість у відповідності з робочим циліндром ШІМ. Звичайно, є деякі компроміси, які слід враховувати, якщо ви йдете з високою частотою ... $\tau$

Довга історія:

Теоретично вам потрібно знати константу часу двигуна, щоб вибрати «правильну» частоту ШІМ. Як ви, напевно, знаєте, час, коли мотору потрібно досягти майже 100%, його кінцеве значення становить

t_{f i n a l} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

Ваша ШІМ частота повинна бути достатньо високою, щоб мотор (по суті, фільтр низьких частот) усереднював вашу вхідну напругу, яка є квадратною хвилею. Наприклад, скажімо, у вас є двигун із постійною часом . Я буду використовувати модель першого порядку для імітації його реакції на кілька періодів ШІМ. Це модель двигуна постійного струму: $\tau=10ms$

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

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

Нехай для простоти. $k=1$

Але важливіше тут відповіді, на які ми дивимось. У цьому першому прикладі період ШІМ становить а робочий цикл - 50%. Ось відповідь від двигуна: $3\tau$

Жовтий графік - це сигнал ШІМ (50% робочий цикл та період $3\tau=30ms$ ), а фіолетовий - швидкість двигуна. Як бачите, швидкість двигуна широко коливається, оскільки частота ШІМ недостатньо висока.

Тепер давайте збільшимо частоту ШІМ. Період ШІМ зараз становить а робочий цикл все ще становить 50%. $0.1\tau=1ms$

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

Це лише дуже теоретичне пояснення щодо вибору частоти ШІМ. Сподіваюся, це допомагає!

— Big6
джерело

2

Гарна відповідь. Ви можете пояснити, що, говорячи " час, коли мотору потрібно досягти майже 100% від його кінцевого значення ", ви маєте на увазі остаточне або повне значення струму . Читачі можуть сплутати його зі 100% швидкістю чи хто-що-що знає?

— Транзистор

Це було дуже інформативно! Я не ЕЕ, тому в цьому я не надзвичайно освічений. Я, швидше за все, просто спробую різні частоти, поки не отримаю відповідь, який мені подобається в усьому спектрі, з яким я потребую. Але я пам’ятаю це про те, коли роблю це налаштування! . Але в мене є одне питання. Ви сказали, що всі ці цифри дуже теоретичні, але чи могли б ви дати бальний парк очікуваної постійної часу? Це 24 В постійного струму двигун, який притягує не більше 300 мА.

— Нейт Сан-

1

@NateSan Дякую! Як одна з відповідей, яка насправді хороша, найкраще, що можна зробити, - це почати з частот у діапазоні КГц, наприклад 2 кГц. Немає можливості оцінити постійну часу на основі даної інформації або, принаймні, я не знаю. Ви можете знайти це експериментально, але вам краще просто спробувати різні частоти, поки ви не наблизитесь до того, що хочете.

— Big6

Наведені факти не підтверджують висновок: обидва графіки мають в середньому 0,5. Я думаю, що це відображає реальність, лінійність не залежить від частоти ШІМ. Єдиний компроміс, який слід досягти, - це пульсація струму / крутного моменту та шум з нижньої сторони, а також вихровий струм та втрати комутації на вищій стороні.

— алай

1

@PageDavid Минув момент, коли я це зробив, але ви можете це експериментально виміряти, застосувавши до двигуна вхідну напругу і побачити, скільки часу потрібно, щоб кутова швидкість досягла 63,2% від його кінцевого значення. Можливо, вам доведеться повторити це кілька разів і знайти середній рівень (хоча він повинен бути досить близьким від вимірювання до вимірювання). Для цього вам знадобиться відповідне обладнання, наприклад тахометри / інші інструменти. Можливо, це посилання допоможе: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf або google "знайти постійну постійну час двигуна постійного струму" - це один з найпоширеніших експериментів в курсі управління введенням.

— Big6

9

Ваш мотор, швидше за все, спрямований вниз, тому що 150 об / хв - це лише 2,5 оберта в секунду. При 50 об / хв вашому мотору знадобиться більше секунди, щоб здійснити один оберт.

Як було сказано, перемикачі вашого h-мосту не розсіюють велику потужність, коли вони увімкнено (фактично нульові вольта) або коли вони вимкнені (нульовий струм). У них тільки напруга та струм, коли вони перемикаються, тому більша частота комутації означає більше тепла у ваших БНТ.

Залишайтеся в діапазоні 5-20 КГц і, ймовірно, будете в безпеці. Якщо ви ходите занадто низько, пульсація струму двигуна (і пульсація крутного моменту) може бути помітна, але ви можете експериментувати з цим. Занадто набагато вище, і ви будете нагрівати свої вимикачі. Ви також можете піти до вищого кінця, щоб вийти із чутного діапазону.

— Джон Біркхед
джерело

Це мотор перистальтичного насоса, я не впевнений у передачі. Отже, ви говорите, що якби я запустив ШІМ на частоті 20 кГц, я міг би змінити робочий цикл між 0 і 100, щоб отримати майже лінійну зміну RPM (що означає, що для мене швидкість потоку насоса).

— Нейт Сан-

Якщо комутатори нагріваються, це не через робочу частоту (все одно не нижче 1 МГц). Як ви заявили, більшість втрат при перемиканні виникають, коли FET не є повністю або ВКЛ. Трюк у тому, щоб зберігати їх в прохолоді - це їхати до їхніх воріт досить важко, щоб мінімізувати Тон і Тофф. Вибирайте БНТ із низьким зарядом затвора та низьким тоном Toff та низьким RDSon.

— П’яна коду мавпи

7

Практичний мотор поводиться приблизно як резистор і індуктор послідовно з реальним двигуном. Для ефективної роботи вам потрібно переключитися між підключенням двигуна до джерела живлення та його замиканням. Поки мотор підключений до джерела живлення, струм стане більш позитивним. Якщо короткочасний, він стане більш негативним. ККД помітно піде вниз, якщо струм перемикає полярність, тому що мотор витратить частину кожного циклу, намагаючись механічно боротися з тим, що робить в інших частинах.

З точки зору самого двигуна ефективність буде в найкращих випадках, коли швидкість ШІМ буде максимально високою. Однак два фактори обмежують оптимальну швидкість ШІМ:

Багато двигунів мають конденсатор паралельно з ними, намагаючись мінімізувати електромагнітні перешкоди. Кожен цикл ШІМ повинен заряджати та розряджати цю кришку, витрачаючи повне навантаження енергії. Втрати тут будуть пропорційні частоті.
Багато комутаторів H-мосту потребують певного часу для перемикання; поки вони перемикаються, значна частина енергії, що надходить у них, буде витрачена даремно. Оскільки тривалість ввімкнення та вимкнення ШІМ скорочується до точки, де міст витрачає більшу частину свого активного або неактивного перемикання часу, втрати при перемиканні будуть збільшуватися.

Найважливіше - швидкість ШІМ буде достатньо швидкою, щоб мотор не бився сам. Якщо швидше вийти за межі цього, то дещо покращиться ефективність двигуна, але за рахунок збільшення інших вищезгаданих втрат. За умови, що паралельна ємність не надто велика, зазвичай буде досить великий діапазон частот, якщо втрати ШІМ мінімальні, а полярність струму двигуна залишається вперед; частота десь біля середини цього діапазону, ймовірно, буде найкращою, але все, що знаходиться в межах цього діапазону, повинно бути адекватним.

— суперкат
джерело

Я фактично не буду заземлювати його під час відключення, тертя зупинить двигун дуже швидко. Тому я не бачив причин не залишати його плавати між періодами чергування.

— Нейт Сан-

@NateSan: Оскільки двигун має індуктивність, струм буде продовжувати надходити навіть при спробі його вимкнути. Затримка двигуна дозволить енергії продовжувати виконувати корисну роботу в період відключення, а також зменшить кількість енергії, необхідної для розсіювання поза мотором

— supercat

Як варіант, використовуйте протікаючий діод. Для індуктивного навантаження (наприклад, двигуна) важливо мати шлях струму при відключенні живлення, щоб уникнути сплеску напруги, який може вбити ваш транзистор комутації.

— Крейг МакКуїн

@CraigMcQueen: Зворотний діод ефективно вимкне двигун при продовженні струму вперед, менше падіння 0,7 вольта. При 24 В постійного струму падіння 0,7 В може не бути проблемою, але продуктивність без нього буде кращою.

— supercat

@supercat: Ваша рекомендована альтернатива короткому замиканню мотора, коли він знаходиться у стані "вимкнено"? Другий FET? Не могли б ви показати чи звернутися до прикладної схеми?

— Крейг МакКуїн

3

Я спроектував і працював над системою керування швидкістю / положенням ШІМ, яка кілька років тому водила 16 щіткових двигунів постійного струму. Ми купували у Mabuchi, який продавав 350M моторів на рік у той час. Вони рекомендували частоту ШІМ 2 кГц, що відповідає рекомендаціям інших джерел, включаючи літаки R / C того часу. У нас були хороші результати, і я з цього часу використовую.

Існує теорія, що частота вище 20 кГц означає відсутність свисту / шуму, але ми виявили, що це неправда. Я не знаю справжньої фізики її, але є механічний рух, який ви можете почути. Я, правильно чи неправильно, вважав, що це субгармоніки (правильна фраза?) Частоти, оскільки котушки або компоненти намагаються рухатись так незначно на високій частоті, але не можу йти в ногу. У мене вдома є зарядні пристрої для мобільних телефонів, які добре чують свист, і я знаю, що їх ШІМ-осцилятори працюють досить часто до 100 кГц. (Насправді я часто вимикаю ту кухню, коли йдучи повз неї, тому що чую, як свист високого ступеня "без навантаження", коли не підключений телефон. Я також чую зниження тону, щоб закрити і знизити, коли телефон вперше підключений .)

— TonyM
джерело

2

Іноді бажано залишатися вище звукової частоти (20 кГц), якщо мотор і драйвер підтримують це. Якщо це було людиною, це чує постійну високу частоту. Молодші люди це чують, після 40 років воно звужується.

— БрайанК
джерело