Czy istnieje idealna częstotliwość PWM dla silników szczotkowych prądu stałego?

26

Będę używał mikrokontrolera do stworzenia sygnału PWM do sterowania silnikiem. Rozumiem, jak działa PWM i cykl pracy, ale nie jestem pewien, czy częstotliwość jest idealna. Nie mam jeszcze silnika, więc nie mogę go przetestować i się dowiedzieć.

Nie będę zmieniać napięcia, tylko czas, w którym otrzyma dane napięcie. Czy mogę założyć liniową odpowiedź? Przy obciążeniu 10% i napięciu 24 V pracowałby z prędkością 15 obr./min?

Jeśli to robi różnicę, dołączę konfigurację. Pracuję 24 V bezpośrednio na mostku H, który steruje silnikiem. Oczywiście mam dwa piny PWM przechodzące z MCU do bram dwóch włączających MOSFETÓW.

EDYCJA: Przepraszamy, link nie działa. Myślę, że zapora w pracy nie lubi imgur. Zdjęcie przedstawia wykres prędkości obrotowej w funkcji napięcia. Jest liniowy od 50 obr./min przy 8 V do 150 obr./min przy 24 V.

microcontroller mosfet pwm dc-motor h-bridge Nate San
źródło

34

W skrócie:

Masz liniową kontrolę nad „prędkością” poprzez zastosowanie sygnału PWM, teraz częstotliwość tego sygnału musi być wystarczająco wysoka, aby Twój silnik prądu stałego przepuszczał tylko składową DC sygnału PWM, która jest tylko średnią. Pomyśl o silniku jako filtrze dolnoprzepustowym. Jeśli spojrzysz na funkcję przenoszenia lub relację prędkości kątowej do napięcia, masz to:

Jest to model pierwszego rzędu silnika prądu stałego lub po prostu filtr dolnoprzepustowy z częstotliwością odcięcia

\frac{ω (s)}{V (s)} = \frac{K}{τ s + 1}

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

f_{c} = \frac{1}{2 π τ}

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

Gdzie jest stałą czasową silnika. Tak długo, jak twoja częstotliwość wykracza poza granicę odcięcia, twój silnik będzie widział tylko część prądu stałego lub średnią sygnał PWM i będziesz mieć prędkość zgodną z cyklem roboczym PWM. Oczywiście są pewne kompromisy, które należy wziąć pod uwagę, jeśli wybierasz się z wysoką częstotliwością ... $\tau$

Długa historia:

Teoretycznie musisz znać stałą czasową silnika, aby wybrać „właściwą” częstotliwość PWM. Jak zapewne wiecie, czas potrzebny silnik, aby osiągnąć prawie 100% jego wartość końcowa jest

t_{f i n a l} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

Twoja częstotliwość PWM musi być wystarczająco wysoka, aby silnik (zasadniczo filtr dolnoprzepustowy) uśredniał napięcie wejściowe, które jest falą kwadratową. Przykład: załóżmy, że masz silnik o stałej czasowej . Zamierzam użyć modelu pierwszego rzędu, aby zasymulować jego reakcję na kilka okresów PWM. To jest model silnika prądu stałego: $\tau=10ms$

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

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

Dla uproszczenia niech . $k=1$

Ale ważniejsze są odpowiedzi, na które patrzymy. W tym pierwszym przykładzie okres PWM wynosi a cykl pracy wynosi 50%. Oto odpowiedź silnika: $3\tau$

Żółty wykres to sygnał PWM (cykl pracy 50% i okres ), a fioletowy to prędkość silnika. Jak widać, prędkość silnika waha się szeroko, ponieważ częstotliwość PWM nie jest wystarczająco wysoka. $3\tau=30ms$

$0.1\tau=1ms$

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

To tylko bardzo teoretyczne wyjaśnienie, jak wybrać częstotliwość PWM. Mam nadzieję, że to pomoże!

Big6
źródło

2

Dobra odpowiedź. Możesz wyjaśnić, że mówiąc „ czas, w którym silnik osiąga prawie 100% swojej wartości końcowej ”, masz na myśli końcową lub pełną bieżącą wartość. Czytelnicy mogą pomylić to ze 100% szybkością lub kto wie co?

Tranzystor

To było bardzo pouczające! Nie jestem EE, więc nie jestem w tym bardzo wykształcony. Prawdopodobnie będę po prostu wypróbowywał różne częstotliwości, dopóki nie otrzymam odpowiedzi, którą lubię w całym spektrum, w którym muszę działać. Będę o tym pamiętać podczas konfiguracji! . Mam jednak jedno pytanie. Powiedziałeś, że wszystkie te liczby są bardzo teoretyczne, ale czy mógłbyś podać wartość kulki oczekiwanej stałej czasowej? Jest to silnik prądu stałego 24 V, który pobiera co najwyżej 300 mA.

Nate San

1

@NateSan Thanks! Jako jedna z naprawdę dobrych odpowiedzi najlepiej zacząć od częstotliwości w zakresie KHz, na przykład 2 KHz. Nie ma sposobu na oszacowanie stałej czasowej na podstawie podanych informacji, a przynajmniej nie wiem. Możesz to znaleźć eksperymentalnie, ale lepiej wypróbować różne częstotliwości, aż zbliżysz się do tego, co chcesz.

Big6,

Przedstawione fakty nie potwierdzają wniosku: oba wykresy mają średnio 0,5. Myślę, że to odzwierciedla rzeczywistość, liniowość nie zależy od częstotliwości PWM. Jedynym kompromisem, jaki należy poczynić, jest tętnienie prądu / momentu obrotowego i hałas po dolnej stronie oraz prąd wirowy i straty przełączania po stronie wyższej.

alain

1

@PageDavid Minęło sporo czasu, odkąd to zrobiłem, ale możesz to zmierzyć eksperymentalnie, przykładając napięcie wejściowe do silnika i sprawdzając, ile czasu zajmuje osiągnięcie prędkości kątowej 63,2% jego wartości końcowej. Być może będziesz musiał powtórzyć to kilka razy i znaleźć średnią (chociaż powinno być dość blisko od pomiaru do pomiaru). Do tego potrzebujesz odpowiedniego sprzętu, takiego jak tachometry / inne narzędzia. Może ten link pomoże: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf lub google „znajdź stałą czasową silnika prądu stałego” - jest to jeden z najczęstszych eksperymentów na kursie sterowania intro.

Big6

9

Twój silnik jest prawdopodobnie ustawiony na niższą prędkość obrotową, ponieważ 150 obr./min to tylko 2,5 obrotu na sekundę. Przy 50 obr./min silnik potrzebuje więcej niż sekundy, aby wykonać jeden obrót.

To powiedziawszy, przełączniki w mostku h nie rozpraszają dużej mocy, gdy są włączone (zasadniczo zero woltów) lub gdy są wyłączone (zerowy prąd). Mają napięcie i prąd tylko wtedy, gdy się przełączają, więc wyższa częstotliwość przełączania oznacza więcej ciepła w twoich tranzystorach polowych.

Pozostań w zakresie 5-20 KHz i prawdopodobnie będziesz bezpieczny. Jeśli zejdziesz o wiele niżej, tętnienie prądu silnika (i tętnienie momentu obrotowego) może być zauważalne, ale możesz z tym eksperymentować. Zbyt dużo wyżej i będziecie rozgrzewać przełączniki. Możesz także iść w kierunku wyższego poziomu, aby wyjść z słyszalnego zasięgu.

John Birckhead
źródło

To silnik do pompy perystaltycznej, nie jestem pewien co do przekładni. Mówisz więc, że gdybym uruchomił PWM przy 20 KHz, mógłbym zmienić cykl pracy od 0 do 100, aby uzyskać prawie liniową zmianę prędkości obrotowej (co dla mnie przekłada się na szybkość przepływu pompy).

Nate San

Jeśli przełączniki się nagrzewają, nie dzieje się tak z powodu częstotliwości roboczej (w każdym razie nie poniżej 1 MHz). Jak już wspomniano, większość strat przełączania występuje, gdy FET nie jest w pełni WŁĄCZONY ani WYŁĄCZONY. Sztuką, aby utrzymać ich w chłodzie, jest poprowadzenie bramy wystarczająco mocno, aby zminimalizować Ton i Toff. Wybierz FET z niskim ładowaniem bramki i niskim tonem toffa oraz niskim RDSon.

Drunken Code Monkey

7

Praktyczny silnik zachowuje się mniej więcej tak jak rezystor i cewka indukcyjna połączone szeregowo z prawdziwym silnikiem. Aby zapewnić wydajną pracę, należy przełączać między podłączeniem silnika do zasilania a zwarciem. Gdy silnik jest podłączony do zasilania, prąd stanie się bardziej dodatni. Po zwarciu stanie się bardziej negatywny. Wydajność znacznie spadnie, jeśli prąd zmieni biegunowość, ponieważ silnik będzie spędzał część każdego cyklu, próbując mechanicznie walczyć z tym, co robi w innych częściach.

Z punktu widzenia samego silnika sprawność będzie najlepsza, gdy współczynnik PWM będzie możliwie najwyższy. Jednak dwa czynniki ograniczają optymalną szybkość PWM:

Wiele silników ma równolegle z nimi kondensator, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne. Każdy cykl PWM będzie musiał ładować i rozładowywać ten korek, marnując pełny ładunek energii. Straty tutaj będą proporcjonalne do częstotliwości.
Wiele przełączników mostka H potrzebuje pewnej ilości czasu na przełączenie; podczas gdy się zmieniają, znaczna część mocy, która się w nie wpada, zostanie zmarnowana. Ponieważ czasy włączenia i wyłączenia PWM skracają się do punktu, w którym most spędza większość swojego aktywnego lub nieaktywnego przełączania czasu, straty przełączania wzrosną.

Najważniejsze jest to, aby szybkość PWM była wystarczająco szybka, aby silnik sam nie walczył. Szybsze wykraczanie poza to nieco poprawi sprawność silnika, ale kosztem zwiększenia innych wyżej wymienionych strat. Pod warunkiem, że nie ma zbyt dużej pojemności równoległej, generalnie będzie dość duży zakres częstotliwości, w którym straty PWM są minimalne, a biegunowość prądu silnika pozostaje do przodu; częstotliwość gdzieś w pobliżu środka tego zakresu prawdopodobnie będzie najlepsza, ale wszystko w tym zakresie powinno być odpowiednie.

supercat
źródło

Właściwie nie uziemię go w okresie wyłączenia, tarcie bardzo szybko zatrzyma silnik. Więc nie widziałem powodu, aby nie pozostawić go zmiennego między okresami służby.

Nate San

@NateSan: Ponieważ silnik ma indukcyjność, prąd będzie nadal płynął, nawet gdy spróbujesz go wyłączyć. Zwarcie silnika pozwoli energii kontynuować wykonywanie pożytecznej pracy w okresie wyłączenia i zmniejszy ilość energii potrzebnej do rozproszenia poza silnikiem

supercat

Alternatywnie użyj diody flyback. W przypadku obciążenia indukcyjnego (np. Silnika) ważne jest, aby mieć ścieżkę dla prądu przy wyłączonym zasilaniu, aby uniknąć skoków napięcia, które mogłyby zabić tranzystor przełączający.

Craig McQueen

@CraigMcQueen: Dioda flyback skutecznie zwarci silnik, gdy prąd przewodzenia jest kontynuowany, mniejszy spadek o 0,7 wolta. Przy 24 VDC spadek 0,7 V może nie stanowić problemu, ale bez niego wydajność byłaby lepsza.

supercat

@ superupat: Jaka jest zalecana alternatywa dla zwarcia silnika w stanie „wyłączonym”? Drugi FET? Czy możesz pokazać lub odwołać się do przykładowego schematu obwodu?

Craig McQueen

3

Zaprojektowałem i pracowałem nad systemem kontroli prędkości / położenia PWM, który napędzał 16 szczotkowanych silników prądu stałego kilka lat temu. Kupowaliśmy od Mabuchi, który sprzedawał wówczas 350 mln silników rocznie. Zalecili częstotliwość PWM 2 kHz, która była zgodna z zaleceniami z innych źródeł, w tym samolotów R / C z tamtych czasów. Mieliśmy dobre wyniki i od tego czasu go używam.

Istnieje teoria, że częstotliwość powyżej 20 kHz oznacza brak gwizdania / szumu, ale stwierdziliśmy, że to nieprawda. Nie znam jej prawdziwej fizyki, ale można usłyszeć ruch mechaniczny. Ja, słusznie lub niesłusznie, uznałem, że to sub-harmoniczne (właściwe zdanie?) Częstotliwości, ponieważ cewki lub komponenty próbują poruszać się nieznacznie przy wysokiej częstotliwości, ale nie mogą nadążyć. W domu mam ładowarki do telefonów komórkowych, które wyraźnie słyszę gwizdanie i wiem, że ich oscylatory PWM pracują dobrze powyżej 100 kHz. (W rzeczywistości często wyłączam ten w kuchni, gdy przechodzę obok niego, ponieważ słyszę gwizd o wyższym tonie, gdy telefon nie jest podłączony. Słyszę też, jak słychać ton, a potem, gdy telefon jest podłączony po raz pierwszy .)

TonyM
źródło

2

Czasami pożądane jest pozostawanie powyżej częstotliwości słyszalnej (20 Khz), jeśli silnik i sterownik ją obsługują. Gdyby to było, osoba może to usłyszeć, stała wysoka częstotliwość może być denerwująca. Młodsi ludzie mogą to usłyszeć, po 40 roku życia to maleje.

BrianK
źródło

Czy istnieje idealna częstotliwość PWM dla silników szczotkowych prądu stałego?

Odpowiedzi: