Двигун постійного струму - ШІМ проти напруги

Під час управління двигуном постійного струму, який теоретично оцінюється на 5 В, я можу приводити в рух двигун такими способами:

5В із 100% робочим циклом ШІМ.
10 В з 50% робочим циклом ШІМ.
20 В з 25% робочим циклом ШІМ.

Чи є різниця між ними? Чи скоротить варіант 2/3 скоротити термін служби мотора? Чи зміна частоти ШІМ покращить термін служби мотора? Причиною цього є те, що можна рухати двигун набагато повільніше з підвищеною напругою.

motor pwm

— Гілад
джерело

Я не впевнений, що я дотримуюся останнього твердження, чому ви думаєте, що ви можете рухати двигун повільніше з більшою напругою?

— PeterJ

25% часу ви будете застосовувати в 4 рази більше номінальної напруги. У вас з'являться великі сплески струму разом з більш високою напругою, і обидва можуть пошкодити ваш мотор, навіть якщо вони застосовуються лише 25% часу.

— EwokNightmares

Ви можете розглянути, що насправді відбувається - напруга - це лише засіб для проштовхування струму через двигун, продукт цих двох - фактична потужність. Контроль напруги - це дуже розпливчастий спосіб управління сервоприводом постійного струму.

— Іван У

Я думаю, що це також можливо, у вас може виникнути ще й пульсація крутного моменту.

— EwokNightmares

Яка ваша службова частота? Є більший вплив, якби він був 1 Гц, а не 1 кВт :-)

— shuckc

Відповіді:

Так, це зовсім інакше. ШИМ-привід і привід напруги окремо насправді не так багато, але, поєднуючись таким чином, ви отримаєте значно інші показники.

Електрично можна моделювати двигун як індуктор (обмотки), резистор та джерело напруги (ЕРС, пропорційний швидкості двигуна). При застосуванні меншої напруги порівняно з більш високою напругою ви будете:

отримувати повільніше $dI/dt$ через обмотки двигуна, зменшуючи крутний момент
мають меншу максимальну швидкість через задню ЕРС

Завдяки ШІМ та більш високій напрузі ви зможете досягати більш високих пікових швидкостей та часто набагато більшого крутного моменту на рівних швидкостях.

Немає реальної причини, що мотор може пошкодити при застосуванні більшої напруги. Пошкодження двигуна спричинені:

Перевантаження підшипника (наприклад, натискання боком на вал тяги підшипникової осі)
Підвищення швидкості підшипника (в основному залежить від використовуваного масла)
Щітка (спричинена високими швидкостями та значно меншою мірою також більшим струмом)
деформація та розшарування внутрішніх конструкцій через перегрів

Також перегрів або робота двигуна при дуже великих струмах спричинить (значне) зменшення крутного моменту через магнітне насичення.

Якщо ви можете гарантувати, що ви будете тримати двигун у межах норм швидкості, крутного моменту та сили, а також правильно охолоджувати його, немає жодних недоліків працювати при більш високих напругах із ШІМ.

— користувач36129
джерело

Як саме повільніше

d I / d t

$dI/dt$ зменшити крутний момент?

— Phil Frost

@PhilFrost Я повинен був сказати: нижче

d I / d t

$dI/dt$ поєднується з ШІМ. Уповільнений нахил означає нижнє середнє значення струму протягом тривалості циклу ШІМ. Це найбільш вірно для роботи в DCM (що найчастіше трапляється з керуванням ШІМ двигуном, оскільки ви використовуєте надзвичайно низькі частоти ШІМ), але в деякій мірі справедливо і для CCM, хоча ефект там набагато менший.

— користувач36129

Ви впевнені, що DCM є нормою для (добре розробленого) управління двигуном? Вікіпедія говорить, що частота керування двигунами ШІМ варіюється від "від декількох кілогерц (кГц) до десятків кГц для приводу двигуна"; це не те, що я б назвав "надзвичайно низьким", і з більшістю двигунів, з якими я працював, добре потрапляє в область управління СКМ.

— Філ Мороз

Це повністю залежить від вашої заявки. Я начебто припускав типові невеликі моторні програми постійного струму - речі з хобі, RC-літаки тощо. Для цього домену DCM є нормою. Зазвичай вони працюють принаймні в пару кГц, з дуже низькою індуктивністю двигуна (часто <1мГ). Зі збільшенням поточного та фізичного розміру важко зробити DCM взагалі, і CCM - це все, що роблять люди. І вкрай низькою частотою я маю на увазі чутну область. Я повинен був це кількісно оцінити.

— користувач36129

Дякую за детальну відповідь. Моя мета - запустити він мотор якомога повільніше, і я вже маю передачу 1: 1000. Я використовую невеликий мотор. Мотор працює круто, але я стурбований його тривалістю життя.

— Гілад

Двигун із ШІМ - це перетворювач долара . Наскільки ваша схема і двигун роблять хороший перетворювач долара, різниці між вашими варіантами немає.

Деякі речі, які слід пам’ятати:

При якійсь значно більшій напрузі, можливо, навколо $1000V$ , ізоляція в обмотках вийде з ладу. $20V$ є занадто низьким, щоб це може викликати занепокоєння.

Якщо частота ШІМ занадто низька для індуктивності обмотки двигуна, струм протягом кожного циклу ШІМ істотно зміниться, у вас буде пульсація високого крутного моменту, і у вас більше немає хорошого перетворювача долара. Продуктивність та ефективність постраждають. В крайньому випадку, ви можете навіть не змусити мотор крутитися .

Як і у випадку з перетворювачем долара, привід ШІМ включає транзистори та іншу схему, яка обов'язково вносить додаткові втрати. ШИМ-накопичувач також складніший у проектуванні, складніше працювати належним чином, дорожче його впроваджувати тощо. Деякі з цих втрат (наприклад, втрати гістерезису) знаходяться всередині двигуна і призводять до підвищення температури двигуна, тобто зазвичай обмежуючий параметр для працездатності двигуна, а більш висока температура в цілому скоротить термін служби мотора. Однак вам знадобиться дуже погана конструкція, щоб ці втрати наблизилися до втрат, які ви вже маєте на постійному струмі, таких як резистивні втрати в обмотках, тому різниця між ефективністю ШІМ та постійного струму постійного струму не велика.

— Філ Мороз
джерело

Є кілька речей, на які потрібно стежити, коли ви використовуєте ШІМ.

По-перше, напруга ШІМ, яке побачить ваш мотор, матиме високі частоти гармонік. Ці гармоніки призведуть до втрат у вашому двигуні, яких не було б, якби ви використовували постійну напругу. Це означає, що ваш двигун стане гарячішим, коли з ШІМ проти постійного струму (всі інші речі рівні). Як це впливає на життя вашого мотора залежить від багатьох речей. У світі двигунів існує дуже грубе правило, яке говорить про те, що за кожне підвищення температури на котушці мотора на 10 ° C ви знижуєте наполовину термін служби ізоляції мотора. Вам доведеться зробити перевірку на рейтинг двигуна за допомогою ШІМ-накопичувача, який ви використовуєте, щоб або знецінити двигун, або сказати, наскільки гарячіше він отримає використання ШІМ на табличці з табличкою. Однак більшість людей справді готові зробити цей тест.

По-друге, якщо припустити, що ви говорите про низькі напруги, як ваш приклад (5V-20V), саме підвищена напруга, ймовірно, не матиме великого впливу на термін експлуатації ізоляції. Очевидно, це залежить від двигуна, але в цілому ізоляція в двигунах може витримати напруги до щонайменше 1000 В протягом коротких періодів часу. Зважаючи на сплески напруги через ШІМ, це означає, що вам не потрібно турбуватися про скорочення терміну ізоляції, поки ви не поговорите про двигуни, які мають ~ 400V-600V або вище. Більш високі напруги з ШІМ можуть вплинути на термін експлуатації щітки, але без тестування її важко сказати.

— Ерік
джерело