Tiêu chí đằng sau việc chọn tần số pwm để kiểm soát tốc độ của động cơ dc?

Tôi đang làm việc trên một mạch điều khiển tốc độ cho động cơ dc chải (24v, 500rpm, 2A, 4kgcm).

Các thành phần chính mà tôi dự định sử dụng là PIC16f873, opt optpler 4n25, MOSF IRFZ44N, diode 500 - 800 (cho bánh xe miễn phí).

• Các tiêu chí đằng sau việc chọn tần số PWM là gì?
• Những ảnh hưởng của tần số PWM rất cao và rất thấp đến hệ thống là gì?
• Những nhược điểm và cải tiến được thực hiện trong phần cứng được cung cấp ở đây là gì?

Có một số vấn đề ảnh hưởng bởi tần số PWM khi lái xe máy:

1. Các xung cần đến đủ nhanh để hệ thống cơ của động cơ lấy trung bình chúng ra. Thông thường một vài 10 Hz đến vài 100 Hz là đủ tốt cho việc này. Điều này hiếm khi là yếu tố hạn chế.

2. Trong một số trường hợp, điều quan trọng là không thể nghe thấy tiếng rên rỉ ở tần số PWM. Ngay cả khi toàn bộ hệ thống cơ học không phản ứng với các xung đơn, các cuộn dây riêng lẻ của một cuộn dây có thể. Một động cơ điện hoạt động trên các lực từ, với mỗi vòng dây trong một cuộn dây được sắp xếp để tạo ra các lực này. Điều đó có nghĩa là mỗi bit của dây trong cuộn dây có một lực tác động lên nó tỷ lệ thuận với dòng điện, ít nhất là một phần của thời gian. Dây trong cuộn dây không thể di chuyển xa, nhưng nó vẫn có thể rung đủ để kết quả có thể nghe được. Tần số PWM 1 kHz có thể ổn ở tất cả các khía cạnh khác, nhưng nếu điều này xảy ra với thiết bị người dùng cuối thì việc rên rỉ ở tần số đó có thể không được chấp nhận. Vì lý do này, PWM cho điều khiển động cơ tiêu dùng cuối thường được thực hiện ở 25 kHz, chỉ vượt xa những gì hầu hết mọi người có thể nghe thấy.

3. Cuộn dây trung bình hiện tại. Đây có thể là một vấn đề khó khăn. Các cuộn dây riêng lẻ của động cơ sẽ trông chủ yếu là cảm ứng với mạch lái xe. Bạn muốn dòng điện qua các cuộn dây chủ yếu là những gì bạn mong đợi từ mức trung bình được áp dụng bởi PWM và không tăng và giảm đáng kể từng xung.

   Mỗi cuộn dây sẽ có một số điện trở hữu hạn, gây ra công suất bị mất tỷ lệ với bình phương của dòng điện qua nó. Các tổn thất sẽ cao hơn ở cùng một dòng trung bình khi có sự thay đổi lớn trong dòng qua một xung. Hãy xem xét ví dụ cực đoan của cuộn dây phản ứng với điện áp xung gần như ngay lập tức và bạn đang lái nó với sóng vuông 50%. Sự tiêu tán điện trở sẽ là 1/2 của việc điều khiển cuộn dây đầy đủ mọi lúc, với dòng điện trung bình (do đó tạo ra mô-men xoắn động cơ) cũng là 1/2 của đầy đủ. Tuy nhiên, nếu cuộn dây được điều khiển với dòng điện 1/2 ổn định thay vì xung, thì sự tiêu tán điện trở sẽ là 1/4 đầy đủ nhưng với cùng một nửa dòng điện quy mô đầy đủ và do đó mô-men xoắn.

   Một cách khác để suy nghĩ về điều này là bạn không muốn dòng điện xoay chiều đáng kể ở trên mức DC trung bình. Dòng điện xoay chiều không có gì để di chuyển động cơ, chỉ có trung bình làm điều đó. Do đó, thành phần AC chỉ gây ra tổn thất điện trở trong cuộn dây và những nơi khác.

4. Chuyển lỗ. Công tắc lý tưởng là bật hoặc tắt hoàn toàn, có nghĩa là nó không bao giờ tiêu tan bất kỳ nguồn điện nào. Công tắc thực không chuyển đổi tức thời và do đó dành một số thời gian hữu hạn trong một khu vực chuyển tiếp nơi chúng tiêu tan sức mạnh đáng kể. Một phần công việc của thiết bị điện tử ổ đĩa là giảm thiểu thời gian chuyển đổi này. Tuy nhiên, bất kể bạn làm gì, sẽ có một khoảng thời gian trên mỗi cạnh mà công tắc không lý tưởng. Thời gian này thường được cố định trên mỗi cạnh, do đó, phần của tổng thời gian PWM tăng theo tần số. Ví dụ: nếu công tắc dành tổng cộng 1 sóng khi chuyển đổi mỗi xung, thì ở tần số PWM 25 kHz, là khoảng thời gian 40, thì thời gian chuyển đổi là 1/40 trên tổng số. Điều đó có thể được chấp nhận. Tuy nhiên, nếu tần số chuyển đổi được tăng lên 100 kHz, có nghĩa là khoảng thời gian 10 lần, sau đó thời gian chuyển đổi sẽ là 10%. Điều đó có thể sẽ gây ra vấn đề.

Đối với mạch của bạn, mối quan tâm lớn nhất của tôi là Q1 sẽ được điều khiển chậm như thế nào. Bộ cách ly quang nổi tiếng là chậm (so với hầu hết các thành phần khác như bóng bán dẫn riêng lẻ), đặc biệt là khi tắt. Bạn chỉ có R2 (mặc dù tôi có thể đọc giá trị của nó) kéo xuống cổng FET để tắt. Điều đó sẽ chậm. Điều đó có thể ổn nếu bạn có thể chịu được tần số PWM chậm, xem xét tất cả các sự đánh đổi khác mà tôi đã đề cập ở trên.

Bạn có thể xem xét đặt PIC trên phía động cơ của opto. Bạn có thể giao tiếp kỹ thuật số với PIC đó thông qua giao diện UART hoặc thứ gì đó không phải chạy ở tần số PWM. PIC đó sau đó tạo ra PWM phù hợp cục bộ và điều khiển bật và tắt Q1 với mạch bổ sung cho mục đích đó. Bằng cách đó, tín hiệu tốc độ cao và các cạnh nhanh không đi qua bộ cách ly opto.

Tôi muốn giới thiệu trình điều khiển cổng bị cô lập như thế này: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Tôi đã sử dụng một cái gì đó như thế này trong bộ khuếch đại lớp D với tần số chuyển đổi ~ 200kHz.

Ngoài ra, để nhận xét về điện trở cuộn dây, dòng điện trong động cơ sẽ tiếp tục lăn qua diode, và nó sẽ tăng theo cấp số nhân khi bật và exp. phân rã khi tắt, do đó nhiệt trong cuộn dây sẽ không tệ như vậy.