¿Criterios detrás de la selección de la frecuencia pwm para el control de velocidad de un motor de CC?

Hay varios problemas afectados por la frecuencia PWM al conducir un motor:

1. Los pulsos deben venir lo suficientemente rápidos para que el sistema mecánico del motor los promueva. Por lo general, unos pocos 10s de Hz a unos 100 Hz son suficientes para esto. Esto rara vez es el factor limitante.

2. En algunos casos, es importante que el gimoteo no se escuche en la frecuencia PWM. Incluso si el sistema mecánico en su conjunto no reacciona a pulsos individuales, los devanados individuales de una bobina pueden hacerlo. Un motor eléctrico funciona con fuerzas magnéticas, con cada bucle de cable en una bobina dispuesta para crear estas fuerzas. Eso significa que cada trozo de cable en un devanado tiene una fuerza lateral proporcional a la corriente, al menos parte del tiempo. El cable en los devanados no puede moverse muy lejos, pero aún puede vibrar lo suficiente para que el resultado sea audible. La frecuencia de PWM de 1 kHz puede estar bien en todos los demás aspectos, pero si se trata de un dispositivo de usuario final, el lloriqueo a esa frecuencia podría ser inaceptable. Por esta razón, la PWM para el control del motor del consumidor final a menudo se realiza a 25 kHz, siendo un poco más allá de lo que la mayoría de la gente puede escuchar.

3. Corriente media de la bobina. Esto puede ser un tema difícil. Las bobinas individuales del motor se verán mayormente inductivas al circuito de conducción. Desea que la corriente a través de las bobinas sea mayormente lo que se esperaría del promedio aplicado por el PWM y no subir y bajar sustancialmente cada pulso.

   Cada bobina tendrá una resistencia finita, lo que provoca una pérdida de potencia proporcional al cuadrado de la corriente a través de ella. Las pérdidas serán mayores a la misma corriente promedio cuando haya un gran cambio en la corriente en un pulso. Considere el ejemplo extremo de que la bobina reacciona a la tensión pulsada casi instantáneamente y la está impulsando con una onda cuadrada del 50%. La disipación resistiva será 1/2 de la conducción de la bobina llena todo el tiempo, y la corriente promedio (por lo tanto, el par motor resultante) también será 1/2 de la máxima. Sin embargo, si la bobina se accionara con una corriente constante de 1/2 en lugar de pulsos, la disipación resistiva sería 1/4 de la totalidad pero con la misma 1/2 de la corriente de escala completa y, por lo tanto, el par.

   Otra forma de pensar sobre esto es que no desea una corriente de CA significativa por encima del nivel promedio de CC. La corriente alterna no hace nada para mover el motor, solo el promedio lo hace. Por lo tanto, el componente de CA solo causa pérdidas por resistencia en las bobinas y otros lugares.

4. Cambio de pérdidas. El interruptor ideal está completamente encendido o apagado, lo que significa que nunca disipa ningún poder. Los conmutadores reales no cambian instantáneamente y, por lo tanto, pasan un tiempo limitado en una región de transición donde disipan un poder sustancial. Parte del trabajo de la electrónica del variador es minimizar este tiempo de transición. Sin embargo, no importa lo que haga, habrá un tiempo por borde donde el cambio no sea ideal. Este tiempo suele ser fijo por borde, por lo que su fracción del período total de PWM aumenta con la frecuencia. Por ejemplo, si el interruptor gasta un total de 1 µs en la transición de cada pulso, entonces a una frecuencia PWM de 25 kHz, que es un período de 40 µs, el tiempo de transición es 1/40 del total. Eso puede ser aceptable. Sin embargo, si la frecuencia de conmutación se incrementara a 100 kHz, lo que significa un período de 10 µs, entonces el tiempo de transición sería del 10%. Eso probablemente causará problemas.

En cuanto a su circuito, mi mayor preocupación es la lentitud con la que se manejará el Q1. Los optoaisladores son notoriamente lentos (en relación con la mayoría de los otros componentes, como los transistores individuales), especialmente cuando se apaga. Solo tienes R2 (aunque puedo leer su valor) presionando la compuerta FET para apagarla. Eso va a ser lento. Eso puede estar bien si puede tolerar una frecuencia de PWM lenta, considerando todas las otras compensaciones que mencioné anteriormente.

Podría considerar poner un PIC en el lado del motor del opto. Puede comunicarse digitalmente con ese PIC a través de una interfaz UART o algo que no tenga que ejecutarse en la frecuencia PWM. Ese PIC genera el PWM apropiado localmente y enciende y apaga el Q1 con circuitos adicionales para ese propósito. De esa manera, las señales de alta velocidad y los bordes rápidos no atraviesan un aislador óptico.

Recomendaría el controlador de puerta opto-aislado como este: enlace He usado algo como esto en un amplificador de clase D a una frecuencia de conmutación de ~ 200 kHz.

También, para comentar sobre la resistencia del devanado, la corriente en el motor continuará rodando a través del diodo, y aumentará exponencialmente cuando se encienda, y exp. decaimiento cuando se apaga, por lo que el calor en los devanados no será tan malo.