Критерії вибору частоти Pwm для контролю швидкості постійного струму?

Я працюю над ланцюгом регулювання швидкості для щіточного постійного двигуна (24 В, 500 об / хв, 2А, 4 кгс).

Основними компонентами, які я планую використовувати, є оптопар PIC16f873, 4n25, MOSFET IRFZ44N, діод потужністю 500 - 800 (для вільного руху).

• Які критерії вибору частоти ШІМ?
• Які ефекти дуже високих та дуже низьких частот ШІМ на систему?
• Які недоліки та вдосконалення слід забезпечити в апараті, що надається тут?

Існує кілька проблем, що виникають через частоту ШІМ при русі двигуна:

1. Імпульси повинні надходити досить швидко, щоб механічна система мотора усереднювала їх. Зазвичай для цього достатньо декількох від 10 Гц до декількох 100 Гц. Це рідко є обмежуючим фактором.

2. У деяких випадках важливо, щоб чвіріння не було чути на частоті ШІМ. Навіть якщо механічна система в цілому не реагує на поодинокі імпульси, окремі обмотки котушки можуть. Електродвигун працює на магнітних силах, при цьому кожна петля дроту в котушці влаштована для створення цих сил. Це означає, що кожен шматочок дроту в обмотці має бічну силу, пропорційну струму, принаймні, частину часу. Дріт в обмотках не може просунутися далеко, але він все одно може досить вібрувати, щоб результат був чутний. Частота ШІМ частотою 1 кГц може бути чудовою в усіх інших аспектах, але якщо це переходить у пристрій кінцевого користувача, скуголення на цій частоті може бути неприйнятним. З цієї причини ШІМ для управління двигунами кінцевих споживачів часто виконується на частоті 25 кГц, що є лише трохи більше, ніж чує більшість людей.

3. Середній струм котушки Це може бути складним питанням. Окремі котушки двигуна будуть виглядати здебільшого спонукальними до ведучого кола. Ви хочете, щоб струм через котушки був головним чином таким, який ви очікували від середнього значення, що застосовується ШІМ, і не суттєво підніматися кожен імпульс.

   Кожна котушка буде мати деякий кінцевий опір, який викликає втрачену потужність, пропорційну квадрату струму через неї. Втрати будуть більшими при тому ж середньому струмі, коли буде велика зміна струму над імпульсом. Розглянемо крайній приклад котушки, що реагує на імпульсну напругу майже миттєво, і ви керуєте нею на 50% квадратної хвилі. Резистивне розсіювання буде становити 1/2 повного запускання котушки протягом усього часу, при цьому середній струм (відповідно, обертаючий крутний момент двигуна) також буде наповненим 1/2. Однак якби котушку приводили в дію з постійним 1/2 струмом замість імпульсів, резистивне розсіювання було б на 1/4 повним, але з тим же 1/2 током повного масштабу і, отже, крутним моментом.

   Ще один спосіб подумати над цим, це те, що ви не хочете значного струму змінного струму понад середнього рівня постійного струму. Струм змінного струму нічого не робить для переміщення мотора, це робить лише середній показник. Тому компонент змінного струму спричиняє лише резистивні втрати в котушках та інших місцях.

4. Комутаційні втрати. Ідеальний вимикач або повністю увімкнено, або повністю відключений, а це означає, що він ніколи не розсіює енергію. Реальні комутатори не перемикаються миттєво і тому проводять деякий обмежений час у перехідній області, де вони розсіюють значну потужність. Частина завдання електроніки приводу - мінімізувати цей перехідний час. Однак, незалежно від того, що ви робите, буде певний час, коли перемикач не є ідеальним. Цей час зазвичай фіксується на край, тому його частка від загального періоду ШІМ збільшується з частотою. Наприклад, якщо комутатор витрачає загалом 1 мкс на перехід кожного імпульсу, то при частоті ШІМ 25 кГц, що становить 40 мкс, час переходу становить 1/40 від загальної кількості. Це може бути прийнятним. Однак якщо частоту комутації збільшували до 100 кГц, що означає період 10 мкс, тоді час переходу складе 10%. Це, ймовірно, спричинить проблеми.

Що стосується вашої схеми, то моя найбільша стурбованість - це те, як повільно буде рухатися Q1. Опто-ізолятори, як відомо, повільно (відносно більшості інших компонентів, таких як окремі транзистори), особливо при відключенні. У вас є лише R2 (хоча я можу прочитати його значення), тягнучи на ворота FET, щоб вимкнути його. Це буде повільно. Це може бути нормально, якщо ви можете терпіти повільну частоту ШІМ, враховуючи всі інші компроміси, про які я згадував вище.

Ви можете розглянути можливість встановлення PIC на моторній стороні опто. Ви можете спілкуватися цифровим чином з цим PIC через інтерфейс UART або щось, що не повинно працювати на частоті ШІМ. Тоді PIC генерує відповідну ШІМ локально та приводить у відповідність та вимикання Q1 з додатковою схемою для цієї мети. Таким чином, швидкісні сигнали та швидкі кромки не переходять через оптичний ізолятор.

Я б рекомендував оптико-ізольований драйвер воріт, як це: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Я використовував щось подібне в підсилювачі класу D на частоті комутації ~ 200 кГц.

Крім того, щоб коментувати опір обмотки, струм в двигуні буде постійно котитися через діод, і він буде експоненціально підніматися при включенні, і exp. згасають при відключенні, тому тепло в обмотках буде не таким поганим.