¿Existe una frecuencia PWM ideal para los motores de escobillas de CC?

En resumen:

Usted tiene un control lineal de la 'velocidad' aplicando una señal pwm, ahora la frecuencia de esa señal debe ser lo suficientemente alta para que su motor de CC pase solo el componente de CC de la señal de PWM , que es justo el promedio. Piense en el motor como un filtro de paso bajo. Si observa la función de transferencia o la relación de velocidad angular a voltaje, esto es lo que tiene:

$$ \ frac {\ omega (s)} {V (s)} = \ frac {K} {\ tau s + 1} $$ Este es el modelo de primer orden de un motor de CC o simplemente un filtro de paso bajo con frecuencia de corte $$ f_c = \ frac {1} {2 \ pi \ tau} $$

Donde \ $ \ tau \ $ es la constante de tiempo del motor. Por lo tanto, siempre que su frecuencia supere el límite, su motor solo verá la parte de CC o el promedio de la señal PWM y usted tendrá una velocidad en concordancia con el cilindro de servicio de PWM. Por supuesto, hay algunas ventajas y desventajas que debe considerar si va con una alta frecuencia ...

Historia larga:

En teoría, necesitaría conocer la constante de tiempo del motor para elegir la frecuencia PWM "correcta". Como probablemente sepa, el tiempo que tarda el motor en alcanzar casi el 100% de su valor final es $$ t_ {final} \ approx 5 \ tau $$

Su frecuencia PWM debe ser lo suficientemente alta como para que el motor (esencialmente un filtro de paso bajo) promueva su voltaje de entrada, que es una onda cuadrada. Ejemplo, digamos que tiene un motor con una constante de tiempo \ $ \ tau = 10ms \ $. Voy a usar un modelo de primer orden para simular su respuesta a varios períodos de PWM. Este es el modelo de motor DC: $$ \ frac {\ omega (s)} {V (s)} = \ frac {K} {10 ^ {- 3} s + 1} $$

Vamos a dejar que \ $ k = 1 \ $ por simplicidad.

Perolomásimportanteaquísonlasrespuestasqueestamosviendo.Paraesteprimerejemplo,elperíododePWMes\$3\tau\$yelciclodetrabajoesdel50%.Aquíestálarespuestadelmotor:

ElgráficoamarilloeslaseñalPWM(50%deciclodetrabajoyperíodo\$3\tau=30ms\$)yelmoradoeslavelocidaddelmotor.Comopuedever,lavelocidaddelmotoroscilaampliamentedebidoaquelafrecuenciadelPWMnoeslosuficientementealta.

AhoravamosaaumentarlafrecuenciaPWM.ElperíododePWMahoraes\$0.1\tau=1ms\$yelciclodetrabajoaúnesdel50%.

Como puede ver, ahora la velocidad es prácticamente constante porque los componentes de alta frecuencia de la señal pwm se están filtrando. En conclusión, elegiría una frecuencia que sea al menos \ $ f_s \ geq \ frac {5} {2 \ pi \ tau} \ $.

Esta es solo una explicación muy teórica sobre cómo elegir la frecuencia PWM. Espero que ayude!

Es probable que su motor esté en marcha hacia abajo, porque 150 rpm son solo 2.5 revoluciones por segundo. A 50 rpm, su motor requerirá más de un segundo para realizar una revolución.

Dicho esto, los interruptores de su puente h no disipan mucha energía cuando están encendidos (esencialmente cero voltios) o cuando están apagados (corriente cero). Solo tienen voltaje y corriente presentes cuando cambian, por lo que una frecuencia de conmutación más alta significa más calor en sus FET.

Permanezca en el rango de 5-20 KHz y probablemente estará seguro. Si desciende mucho más, la fluctuación de la corriente del motor (y la ondulación del par) puede ser notable, pero puede experimentar con esto. Demasiado más alto y estarás calentando tus interruptores. También es posible que desee ir hacia el extremo superior para salir del rango audible.

Un motor práctico se comporta más o menos como una resistencia e inductor en serie con un motor real. Para una operación eficiente, debe cambiar entre conectar el motor a la fuente y cortocircuitarlo. Mientras el motor esté conectado a la alimentación, la corriente será más positiva. Cuando está corto, se volverá más negativo. La eficiencia disminuirá notablemente si la corriente cambia la polaridad, porque el motor pasará parte de cada ciclo tratando de combatir mecánicamente lo que está haciendo en otras partes.

Desde el punto de vista del propio motor, la eficiencia estará en su mejor momento cuando la tasa de PWM sea lo más alta posible. Sin embargo, dos factores limitan la tasa óptima de PWM:

1. Muchos motores tienen un condensador en paralelo con ellos en un esfuerzo por minimizar la interferencia electromagnética. Cada ciclo de PWM deberá cargar y descargar esa tapa, desperdiciando una carga completa de energía. Las pérdidas aquí serán proporcionales a la frecuencia.

2. Muchos conmutadores de puente H tardan un cierto tiempo en cambiar; mientras se están cambiando, se perderá gran parte del poder que entra. A medida que las duraciones de encendido y apagado de PWM se reducen hacia el punto donde el puente pasa la mayor parte de su conmutación de tiempo activo o inactivo, las pérdidas por conmutación aumentarán.

Lo que es más crítico es que la velocidad de PWM sea lo suficientemente rápida para que el motor no se dispare. Ir más rápido más allá de eso mejorará un poco la eficiencia del motor, pero a expensas de aumentar las otras pérdidas mencionadas anteriormente. Siempre que no haya demasiada capacitancia paralela, generalmente habrá un rango de frecuencias bastante grande donde las pérdidas de PWM sean mínimas y la polaridad de la corriente del motor se mantenga hacia adelante; una frecuencia en algún lugar cerca de la mitad de ese rango probablemente será la mejor, pero cualquier cosa dentro de ese rango debería ser adecuada.

Diseñé y trabajé en un sistema de control de posición / velocidad PWM que impulsó 16 motores de CC con escobillas algunos años atrás. Compramos a Mabuchi, quien en ese momento vendía 350M motores al año. Recomendaron una frecuencia PWM de 2 kHz que coincidía con las recomendaciones de otras fuentes, incluidos los aviones R / C de la época. Tuvimos buenos resultados y lo he usado desde entonces.

Hay una teoría de que una frecuencia por encima de 20 kHz significa que no hay silbidos / ruidos, pero encontramos que eso no es cierto. No conozco la verdadera física de esto, pero hay un movimiento mecánico que puedes escuchar. Yo, con razón o sin ella, entendí que eran los sub-armónicos (¿frase correcta?) De la frecuencia, ya que las bobinas o los componentes intentan moverse ligeramente a la frecuencia alta, pero no pueden continuar. Tengo cargadores de teléfonos móviles en casa que puedo escuchar claramente silbar y sé que sus osciladores PWM están funcionando a más de 100 kHz. (De hecho, a menudo apago el que está en la cocina cuando paso por delante porque escucho el silbido de 'no carga' cuando no hay un teléfono conectado. También escucho que el tono baja a más bajo y más bajo cuando el teléfono está enchufado por primera vez. .)

A veces es deseable mantenerse por encima de la frecuencia audible (20 KHz) si el motor y el controlador lo admiten. Si hubiera una persona que pudiera oírlo, una frecuencia alta y constante puede ser molesta. Las personas más jóvenes pueden oírlo, después de los 40 años, se apaga.