15V 3A dc motor PWM configuración de frecuencia

Hay tres problemas principales con la frecuencia PWM para conducir un motor:

1. Debe ser lo suficientemente rápido para que el motor "vea" el valor promedio y no los pulsos individuales. Los motores tienen rotores físicos que giran, cuya inercia pasará al filtro PWM. Por lo general, 100 Hz o como mucho unos 100 Hz es suficiente. Tenga en cuenta que muchos motores funcionan bien cuando se accionan desde una sola fase de 50 o 60 Hz de potencia.

2. Debe ser lo suficientemente lento para que las pérdidas por conmutación sean una pequeña fracción de la potencia total. Los transistores no pasan instantáneamente entre el estado encendido y apagado, donde la disipación de energía es cero (para un interruptor ideal). En el medio la disipación en el transistor será significativa. Esto puede ser un problema debido al desperdicio de energía, pero generalmente el problema de deshacerse del calor residual surge antes de eso. Por ejemplo, a 500 mW puede dejar que un paquete TO-220 se enfríe en aire libre. En 2 W tienes que hacer los cálculos y considerar enfriar cuidadosamente.

3. Dependiendo de la aplicación y el entorno en el que se instalará este motor, es posible que deba considerar quejarse. A pesar de que 500 Hz puede ser lo suficientemente rápido como para que el motor se normalice, y 2 ms es un tiempo de conmutación agradable y lento en comparación con el tiempo de la región de transición, puede causar quejas audibles. Esto puede ser bastante irritante para los humanos, y es difícil de predecir para cualquier motor. Los campos magnéticos causados por las bobinas cambiarán con la corriente, que cambia a la frecuencia de conmutación. La fuerza en los cables individuales de un devanado es proporcional a este campo magnético. Los cables individuales pueden vibrar mucho más rápido que el rotor en su totalidad puede reaccionar. Este bobinado y posiblemente otras partes del motor causan un sonido audible al vibrar. El sonido también es una prueba de movimiento, que eventualmente puede desgastar el aislamiento y similares.

   No hay forma de saber qué tan audible será un motor a una frecuencia particular sin intentarlo. Una gran cantidad de controladores de motor se encuentran justo por encima del límite de audición humana por esta razón. Por ejemplo, 24 kHz es una frecuencia de conmutación común, especialmente para los controladores de motores de estantes que no se corresponden con un motor y una aplicación en particular.

La elección de frecuencia depende de los requisitos de la aplicación y los detalles exactos del motor. Si solo está buscando a alguien que le dé un número, entonces es probable que la selección de una frecuencia justo por encima del rango audible funcione. Dicho esto, intentemos comprender algunos aspectos de la teoría.

Como cualquier otra señal repetitiva, podemos ver la PWM como una suma de ondas sinusoidales con diferentes frecuencias / fases. Este documento proporciona el análisis espectral de una señal PWM . La versión intuitiva de tl; dr de esto es que hay un componente de CC (que varía linealmente entre su voltaje máximo y mínimo dado el ciclo de trabajo del 100% o 0% respectivamente), el siguiente componente está en la frecuencia PWM (también conocida como fundamental) (y es el más grande) y luego tiene componentes en armónicos (múltiplos) de esta frecuencia PWM con amplitud cada vez menor.

Si consideramos el motor como un dispositivo que convierte la corriente en un par y tiene una resistencia fija (por lo tanto, un voltaje al par) y tiene una respuesta de frecuencia plana a una frecuencia infinita, veríamos una velocidad cada vez mayor y ondulaciones en esa velocidad. en las diferentes frecuencias PWM. Esta es una aproximación de primer orden de lo que está sucediendo y se aplicará a velocidades / frecuencias / par muy bajas.

Hablemos un poco sobre el tamaño de esas ondas en la velocidad y la relación con la frecuencia. Ya que está aplicando voltage==current==torque==angular acceleration*m en nuestro pequeño modelo aquí, la velocidad es la integral de su señal (el área bajo la curva). Intentaremos y recordaremos algunas de nuestras matemáticas y la integral de sin(ax) es - 1/a * cos(ax) . Lo importante aquí es que la amplitud de la velocidad disminuirá a medida que aumenta la frecuencia (a) (a es 1 significa 1 rad / s). Si está viendo la posición, debe integrarse nuevamente y así se reducirá ( 1/a^2 ) a medida que aumenten las frecuencias.

Para resumir, una frecuencia más alta dará como resultado una velocidad reducida y una ondulación de la posición de la carga por razones puramente mecánicas. Aumentar la masa (momento de inercia) también reducirá la ondulación (linealmente). Cuando el motor está funcionando en el aire, esas ondulaciones mecánicas pueden producir una onda de sonido como un altavoz.

Este modelo no tiene en cuenta dos grandes áreas. Uno está de vuelta en EMF, por lo que, a medida que el motor funciona más rápido, su torque disminuirá efectivamente. Esta es la razón principal por la que su carga no se acelerará a una velocidad infinita.

La segunda área es el comportamiento eléctrico del motor. (Vaya, este es el intercambio de pila de EE). Podemos hablar sobre los controladores y el comportamiento de conmutación del transistor, pero el factor principal (dado que las frecuencias son razonablemente bajas) suele ser la inductancia y la resistencia de la bobina del motor. Esas causas hacen que el motor se vea como un filtro de paso bajo con la respuesta de frecuencia exacta que depende de los parámetros del motor. Como se deriva de aquí la constante de tiempo (tiempo que tarda la corriente en subir hasta la corriente máxima) es la inductancia de la bobina del motor dividida por su resistencia ( L/R ). Lo que esto significa es que las frecuencias más altas se atenúan más que las frecuencias más bajas, lo cual es bastante conveniente ya que en realidad estamos más interesados en el componente DC del PWM. Los motores de alto rendimiento tendrán una respuesta de frecuencia muy amplia (y se pueden manejar con PWM en los 100 KHz), mientras que los motores de menor rendimiento tendrán una frecuencia de corte mucho menor. Cuando apunta a un ancho de banda de control muy alto (por ejemplo, en aplicaciones de circuito cerrado / servo), desea la mayor frecuencia de PWM posible ya que afectará su ancho de banda de bucle actual.

Otra nota es que los distintos componentes eléctricos a menudo vibrarán a la frecuencia del variador por varias razones (por ejemplo, las bobinas también tienen una fuerza que actúa sobre ellos), por lo que a menudo el zumbido audible proviene de aquellos en lugar de la carga (que es a menudo demasiado amortiguado / masivo para hacer mucho ruido, ¡a menos que esté manejando un altavoz!).

Siempre puedes profundizar más y modelar la física con mayor precisión, pero creo que lo anterior captura una primera aproximación razonable que puede usarse para tomar una decisión informada. En algunos sistemas, definitivamente deberá tener un mejor conocimiento de la física del motor, la función de transferencia del variador, la conmutación del transistor, la fricción, la respuesta de rigidez / frecuencia de la carga, la retroalimentación, etc. ...