Có một tần số PWM lý tưởng cho động cơ bàn chải DC?

26

Tôi sẽ sử dụng một vi điều khiển để tạo tín hiệu PWM cho điều khiển động cơ. Tôi hiểu cách thức hoạt động của PWM và chu kỳ nhiệm vụ, tuy nhiên tôi không chắc về tần số lý tưởng. Tôi chưa có động cơ của mình, vì vậy tôi không thể kiểm tra nó và tìm hiểu.

Tôi sẽ không thay đổi điện áp, chỉ là thời gian nó nhận được một điện áp nhất định. Vì vậy, tôi có thể giả sử một phản ứng tuyến tính? Với mức thuế 10% và nguồn cung cấp 24 V, nó sẽ chạy ở tốc độ 15 RPM?

Nếu nó làm cho một sự khác biệt, tôi sẽ bao gồm các thiết lập. Tôi đang chạy 24 V trực tiếp đến cầu H điều khiển động cơ. Rõ ràng là tôi có hai chân PWM đi từ MCU đến cổng của hai kích hoạt MOSFET.

EDIT: Xin lỗi, liên kết dường như không hoạt động. Tôi đoán tường lửa tại nơi làm việc không giống như imgur. Hình ảnh mô tả đồ thị của RPM so với điện áp. Đó là tuyến tính từ 50 RPM @ 8 V đến 150 RPM @ 24 V.

— Nate San
nguồn

34

Nói ngắn gọn:

Bạn có điều khiển tuyến tính 'tốc độ' bằng cách áp dụng tín hiệu pwm, bây giờ tần số của tín hiệu đó phải đủ cao để Động cơ DC của bạn chỉ vượt qua thành phần DC của tín hiệu PWM, chỉ ở mức trung bình. Hãy nghĩ về động cơ như một bộ lọc thông thấp. Nếu bạn xem hàm truyền hoặc tốc độ góc quan hệ với điện áp, đây là những gì bạn có:

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

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$ Đây là mô hình thứ tự đầu tiên của động cơ DC hoặc đơn giản là bộ lọc thông thấp có tần số cắt

f_{c} = \frac{1}{2 π τ}

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

Trong đó là hằng số thời gian của động cơ. Vì vậy, miễn là tần số của bạn vượt quá ngưỡng, động cơ của bạn sẽ chỉ nhìn thấy phần DC hoặc trung bình của tín hiệu PWM và bạn sẽ có tốc độ phù hợp với xi lanh nhiệm vụ PWM. Tất nhiên, có một số sự đánh đổi bạn nên cân nhắc nếu bạn đi với tần suất cao ... $\tau$

Câu chuyện dài:

Về mặt lý thuyết, bạn sẽ cần biết hằng số thời gian của động cơ để chọn tần số PWM 'đúng'. Như bạn có thể biết, thời gian để động cơ đạt gần 100% giá trị cuối cùng của nó là

t_{f i n a l} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

Tần số PWM của bạn phải đủ cao để động cơ (về cơ bản là bộ lọc thông thấp) lấy trung bình điện áp đầu vào của bạn, đó là một sóng vuông. Ví dụ: giả sử bạn có một động cơ có hằng số thời gian . Tôi sẽ sử dụng một mô hình đặt hàng đầu tiên để mô phỏng phản ứng của nó với một số giai đoạn PWM. Đây là mô hình động cơ DC: $\tau=10ms$

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

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

Hãy để cho đơn giản. $k=1$

Nhưng quan trọng hơn ở đây là những phản hồi mà chúng tôi đang xem xét. Đối với ví dụ đầu tiên này, thời gian PWM là và chu kỳ nhiệm vụ là 50%. Đây là phản hồi từ động cơ: $3\tau$

Biểu đồ màu vàng là tín hiệu PWM (chu kỳ nhiệm vụ 50% và chu kỳ ) và màu tím là tốc độ của động cơ. Như bạn có thể thấy, tốc độ của động cơ dao động rộng vì tần số của PWM không đủ cao. $3\tau=30ms$

Bây giờ hãy tăng tần số PWM. Thời gian PWM bây giờ là và chu kỳ nhiệm vụ vẫn là 50%. $0.1\tau=1ms$

Như bạn có thể thấy, bây giờ tốc độ không đổi vì các thành phần tần số cao của tín hiệu pwm đang được lọc ra. Để kết luận, tôi sẽ chọn một tần số ít nhất là . $f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

Đây chỉ là một lời giải thích rất lý thuyết về cách chọn tần số PWM. Hy vọng nó giúp!

— Big6
nguồn

2

Câu trả lời tốt. Bạn có thể làm rõ rằng khi nói " thời gian cần thiết để động cơ đạt gần 100% giá trị cuối cùng " nghĩa là giá trị hiện tại hoặc toàn bộ . Độc giả có thể nhầm lẫn nó với tốc độ 100% hoặc ai biết gì?

— Transitor

Điều này rất nhiều thông tin! Tôi không phải là một EE, vì vậy tôi không được giáo dục nhiều về vấn đề này. Tôi có thể sẽ chỉ thử các tần số khác nhau cho đến khi tôi nhận được phản hồi mà tôi thích trên toàn phổ tôi cần để hoạt động. Tuy nhiên, tôi sẽ ghi nhớ điều này khi thực hiện cài đặt đó! . Tôi có một câu hỏi mặc dù. Bạn nói những con số này đều rất lý thuyết, nhưng bạn có thể đưa ra một công viên bóng của hằng số thời gian dự kiến không? Đó là một động cơ 24 V dc, thu hút tối đa 300 mA.

— Nate San

1

@NateSan Cảm ơn! Là một trong những câu trả lời thực sự tốt, điều tốt nhất bạn có thể làm là bắt đầu với tần số trong phạm vi KHz, ví dụ như 2KHz. Không có cách nào để ước tính hằng số thời gian dựa trên thông tin đã cho hoặc ít nhất là tôi không biết. Bạn có thể tìm thấy nó bằng thực nghiệm, nhưng tốt hơn hết là bạn nên thử các tần số khác nhau cho đến khi bạn đến gần với những gì bạn muốn.

— Big6

Các sự kiện được trình bày không hỗ trợ kết luận: Cả hai biểu đồ có trung bình 0,5. Tôi nghĩ rằng điều này phản ánh thực tế, độ tuyến tính không phụ thuộc vào tần số PWM. Sự thỏa hiệp duy nhất được thực hiện là gợn dòng điện / mô-men xoắn và tiếng ồn ở phía dưới, và dòng điện xoáy và tổn thất chuyển đổi ở phía cao hơn.

— alain

1

@PageDavid Đã có lúc tôi làm điều này, nhưng bạn có thể đo lường bằng thực nghiệm này bằng cách đặt một điện áp đầu vào cho động cơ và xem phải mất bao lâu để tốc độ góc đạt tới 63,2% giá trị cuối cùng. Bạn có thể phải lặp đi lặp lại điều này một vài lần và tìm avg (mặc dù nó khá gần từ đo đến đo). Đối với điều này, bạn cần thiết bị phù hợp, như máy đo tốc độ / công cụ khác. Có thể liên kết này sẽ giúp: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf hoặc google "tìm hằng số thời gian động cơ dc", điều đó là một trong những thử nghiệm phổ biến nhất trong khóa học điều khiển giới thiệu.

— Big6

9

Động cơ của bạn có khả năng giảm tốc, vì 150 vòng / phút chỉ 2,5 vòng quay mỗi giây. Ở tốc độ 50 vòng / phút, động cơ của bạn sẽ cần nhiều hơn một giây để thực hiện một vòng quay.

Điều đó đã được nói, các công tắc trong cầu h của bạn không tiêu hao nhiều năng lượng khi chúng bật (về cơ bản là 0 volt) hoặc khi chúng tắt (dòng không). Chúng chỉ có cả điện áp và dòng điện khi chúng chuyển đổi, vì vậy tần số chuyển đổi cao hơn có nghĩa là nhiều nhiệt hơn trong FET của bạn.

Ở trong phạm vi 5-20 KHz và bạn có thể sẽ an toàn. Nếu bạn đi quá thấp, gợn dòng điện của động cơ (và gợn mô-men xoắn) có thể đáng chú ý, nhưng bạn có thể thử nghiệm điều này. Quá cao hơn và bạn sẽ làm nóng thiết bị chuyển mạch của bạn. Bạn cũng có thể muốn đi đến cấp cao hơn để thoát khỏi phạm vi âm thanh.

— John Birckhead
nguồn

Đó là một động cơ cho một bơm nhu động, tôi không chắc chắn về thiết bị. Vì vậy, bạn đang nói rằng nếu tôi chạy PWM ở 20KHz, tôi có thể thay đổi chu kỳ nhiệm vụ từ 0 đến 100 để có được sự thay đổi tuyến tính gần bằng RPM (nghĩa là tốc độ dòng bơm cho tôi).

— Nate San

Nếu các công tắc nóng lên thì không phải vì tần số hoạt động (dù sao không dưới 1 MHz). Như bạn đã nói, hầu hết các tổn thất chuyển đổi xảy ra khi FET không BẬT hoặc TẮT hoàn toàn. Bí quyết để giữ cho họ mát mẻ là lái cổng của họ đủ mạnh để giảm thiểu Ton và Toff. Chọn FET với phí cổng thấp và Ton Toff thấp và RDSon thấp.

— Mã say rượu Khỉ

7

Một động cơ thực tế hoạt động gần giống như một điện trở và cuộn cảm nối tiếp với một động cơ thực sự. Để hoạt động hiệu quả, bạn cần chuyển đổi giữa việc kết nối động cơ với nguồn cung cấp và rút ngắn nó ra. Trong khi động cơ được kết nối với nguồn cung cấp, dòng điện sẽ trở nên tích cực hơn. Khi rút ngắn, nó sẽ trở nên tiêu cực hơn. Hiệu quả sẽ xuống dốc rõ rệt nếu công tắc hiện tại phân cực, bởi vì động cơ sẽ dành một phần của mỗi chu kỳ để cố gắng chiến đấu một cách cơ học những gì nó đang làm ở các bộ phận khác.

Từ quan điểm của chính động cơ, hiệu quả sẽ ở mức tốt nhất khi tốc độ PWM càng cao càng tốt. Tuy nhiên, hai yếu tố giới hạn tốc độ PWM tối ưu:

Nhiều động cơ có một tụ điện song song với chúng trong nỗ lực giảm thiểu nhiễu điện từ. Mỗi chu kỳ PWM sẽ cần phải sạc và xả nắp đó, gây lãng phí toàn bộ năng lượng. Mất mát ở đây sẽ tỷ lệ thuận với tần số.
Nhiều công tắc cầu H mất một khoảng thời gian nhất định để chuyển đổi; trong khi họ đang chuyển đổi, phần lớn năng lượng đi vào họ sẽ bị lãng phí. Khi thời gian bật và tắt của PWM co lại về điểm mà cây cầu dành phần lớn thời gian chuyển đổi hoạt động hoặc không hoạt động, tổn thất chuyển mạch sẽ tăng lên.

Điều quan trọng nhất là tốc độ PWM đủ nhanh để động cơ không tự chiến đấu. Đi nhanh hơn nữa sẽ cải thiện hiệu quả của động cơ phần nào, nhưng với chi phí tăng các tổn thất đã nói ở trên. Với điều kiện là không có quá nhiều điện dung song song, nhìn chung sẽ có một dải tần số khá lớn là tổn thất PWM là tối thiểu và cực tính của động cơ vẫn ở phía trước; một tần số ở đâu đó gần giữa phạm vi đó có thể sẽ là tốt nhất, nhưng bất cứ điều gì trong phạm vi đó phải là đủ.

— siêu mèo
nguồn

Tôi thực sự sẽ không tiếp đất nó trong thời gian tắt, ma sát sẽ dừng động cơ rất nhanh. Vì vậy, tôi đã không thấy một lý do để không để nó trôi nổi giữa các nhiệm vụ.

— Nate San

@NateSan: Vì động cơ có độ tự cảm, dòng điện sẽ tiếp tục chảy ngay cả khi bạn cố gắng tắt nó. Việc rút ngắn động cơ sẽ cho phép năng lượng tiếp tục thực hiện công việc hữu ích trong thời gian nghỉ và sẽ giảm lượng năng lượng bạn cần tiêu tan bên ngoài xe máy

— supercat

Ngoài ra, sử dụng một diode flyback. Đối với một tải cảm ứng (ví dụ như động cơ), điều quan trọng là phải có đường dẫn cho dòng điện khi tắt nguồn cung cấp, để tránh sự tăng vọt điện áp có thể giết chết bóng bán dẫn chuyển mạch của bạn.

— Craig McQueen

@CraigMcQueen: Một diode flyback sẽ rút ngắn động cơ một cách hiệu quả trong khi dòng điện phía trước đang tiếp tục, giảm 0,7 volt. Ở 24VDC, mức giảm 0,7V có thể không phải là vấn đề, nhưng hiệu suất sẽ tốt hơn nếu không có nó.

— supercat

@supercat: Bạn nên thay thế động cơ nào để rút ngắn động cơ khi ở trạng thái "tắt"? Một FET thứ hai? Bạn có thể hiển thị hoặc tham khảo một sơ đồ mạch ví dụ?

— Craig McQueen

3

Tôi đã thiết kế và làm việc trên một hệ thống điều khiển vị trí / tốc độ PWM, điều khiển 16 động cơ DC đã được chải cách đây vài năm. Chúng tôi đã mua từ Mabuchi, người đã bán 350 triệu động cơ một năm tại thời điểm đó. Họ đề xuất tần số PWM 2 kHz, được đề xuất với các khuyến nghị từ các nguồn khác, bao gồm cả máy bay R / C cùng thời. Chúng tôi đã có kết quả tốt và tôi đã sử dụng nó kể từ đó.

Có giả thuyết cho rằng tần số trên 20 kHz có nghĩa là không có tiếng huýt sáo / tiếng ồn nhưng chúng tôi thấy rằng điều đó không đúng. Tôi không biết vật lý thực sự của nó nhưng có một chuyển động cơ học mà bạn có thể nghe thấy. Tôi, đúng hay sai, đã coi nó là sóng hài phụ (cụm từ đúng?) Của tần số khi các cuộn dây hoặc các thành phần cố gắng di chuyển rất nhẹ ở tần số cao nhưng không thể theo kịp. Tôi có bộ sạc điện thoại di động ở nhà mà tôi có thể nghe rõ tiếng huýt sáo và tôi biết rằng bộ dao động PWM của họ đang chạy tốt lên đến 100 kHz. (Trên thực tế, tôi thường tắt cái trong bếp khi đi ngang qua vì tôi nghe thấy tiếng còi 'không tải' cao hơn khi không có điện thoại kết nối. Tôi cũng nghe thấy âm báo giảm xuống mức thấp hơn và thấp hơn khi lần đầu tiên cắm điện .)

— TonyM
nguồn

2

Đôi khi, mong muốn của nó ở trên tần số âm thanh (20KhZ) nếu động cơ và trình điều khiển hỗ trợ nó. Nếu đó là một người có thể nghe thấy nó, tần số cao liên tục có thể gây khó chịu. Những người trẻ hơn có thể nghe thấy nó, sau 40 tuổi, nó tắt dần.

— BrianK
nguồn