Gibt es eine ideale PWM-Frequenz für DC-Bürstenmotoren?

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Ich werde einen Mikrocontroller verwenden, um ein PWM-Signal für die Motorsteuerung zu erzeugen. Ich verstehe, wie PWM und Arbeitszyklus funktionieren, bin mir jedoch hinsichtlich einer idealen Frequenz nicht sicher. Ich habe meinen Motor noch nicht in, also kann ich ihn nicht einfach testen und herausfinden.

Ich werde nicht die Spannung variieren, nur die Zeit, in der es eine bestimmte Spannung empfängt. Kann ich also eine lineare Antwort annehmen? Bei einer Einschaltdauer von 10% und einer 24-V-Versorgung würde es mit einer Drehzahl von 15 U / min laufen.

Wenn es einen Unterschied macht, werde ich das Setup einschließen. Ich speise 24 V direkt an eine H-Brücke, die den Motor steuert. Offensichtlich habe ich zwei PWM-Pins, die von der MCU zu den Gates der beiden Enable-MOSFETs führen.

EDIT: Sorry, der Link scheint nicht zu funktionieren. Ich denke, die Firewall bei der Arbeit mag es nicht imgur. Das Bild zeigt eine grafische Darstellung von Drehzahl und Spannung. Es ist linear von 50 U / min bei 8 V bis 150 U / min bei 24 V.

microcontroller mosfet pwm dc-motor h-bridge Nate San
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Zusamenfassend:

Sie können die 'Geschwindigkeit' linear steuern , indem Sie ein PWM-Signal anlegen. Die Frequenz dieses Signals muss jetzt hoch genug sein, damit Ihr Gleichstrommotor nur die Gleichstromkomponente des PWM-Signals durchlässt, die nur der Durchschnitt ist. Stellen Sie sich den Motor als Tiefpassfilter vor. Wenn Sie die Übertragungsfunktion oder das Verhältnis von Winkelgeschwindigkeit zu Spannung betrachten, haben Sie Folgendes:

Dies ist das Modell erster Ordnung eines Gleichstrommotors oder einfach eines Tiefpassfilters mit der Grenzfrequenz

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

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$

f_{c} = \frac{1}{2 π τ}

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

Wobei die Zeitkonstante des Motors ist. Solange sich Ihre Frequenz außerhalb der Grenzfrequenz befindet, erkennt Ihr Motor nur den Gleichstromanteil oder den Durchschnitt des PWM-Signals und Sie haben eine Geschwindigkeit, die mit dem PWM-Betriebszyklus übereinstimmt. Natürlich gibt es einige Kompromisse, die Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie mit einer hohen Frequenz arbeiten ... $\tau$

Lange Geschichte:

t_{f ich n ein l} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

$\tau=10ms$

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

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

$k=1$

$3\tau$

$3\tau=30ms$

$0.1\tau=1ms$

$f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

Dies ist nur eine sehr theoretische Erklärung zur Auswahl der PWM-Frequenz. Ich hoffe es hilft!

Big6
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Gute Antwort. Vielleicht haben Sie klarstellen, dass „er sagt , die Zeit es braucht , um den Motor zu fast 100% seines Endwert zu erreichen “ , dass Sie letzten oder Voll bedeuten aktuellen Wert. Leser können es mit 100% Geschwindigkeit verwechseln oder wer weiß was?

Transistor

Das war sehr informativ! Ich bin kein EE, deshalb bin ich in diesem Punkt nicht besonders gut ausgebildet. Ich werde wahrscheinlich nur verschiedene Frequenzen ausprobieren, bis ich eine Antwort erhalte, die ich für das Spektrum, in dem ich arbeiten möchte, mag. Ich werde dies jedoch berücksichtigen, wenn ich dieses Setup vornehme! . Ich habe jedoch eine Frage. Sie sagten, diese Zahlen seien alle sehr theoretisch, aber könnten Sie einen Ballpark mit der erwarteten Zeitkonstante angeben? Es ist ein 24-V-Gleichstrommotor, der höchstens 300 mA aufnimmt.

Nate San

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@NateSan Danke! Als eine der Antworten, die wirklich gut sind, können Sie am besten mit Frequenzen im KHz-Bereich beginnen, wie zum Beispiel 2 kHz. Es gibt keine Möglichkeit, die Zeitkonstante auf der Grundlage der angegebenen Informationen abzuschätzen, oder zumindest weiß ich es nicht. Sie können es experimentell finden, aber Sie sind besser dran, nur verschiedene Frequenzen auszuprobieren, bis Sie sich dem nähern, was Sie wollen.

Big6

Die dargestellten Fakten stützen die Schlussfolgerung nicht: Beide Grafiken haben einen Durchschnitt von 0,5. Ich denke, dies spiegelt die Realität wider, die Linearität hängt nicht von der PWM-Frequenz ab. Der einzige Kompromiss ist die Strom- / Drehmomentwelligkeit und das Rauschen auf der unteren Seite sowie die Wirbelstrom- und Schaltverluste auf der oberen Seite.

Alain

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@PageDavid Es ist ein Moment vergangen, seit ich das getan habe, aber Sie können dies experimentell messen, indem Sie eine Eingangsspannung an den Motor anlegen und sehen, wie lange es dauert, bis die Winkelgeschwindigkeit 63,2% des Endwerts erreicht. Möglicherweise müssen Sie dies ein paar Mal wiederholen, um den Durchschnitt zu ermitteln (obwohl er von Messung zu Messung ziemlich nahe sein sollte). Hierfür benötigen Sie die richtige Ausrüstung, wie Tachometer oder andere Werkzeuge. Vielleicht hilft dieser Link: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf oder google "Gleichstrommotor-Zeitkonstante finden" - dies ist eines der häufigsten Experimente im Einführungskurs.

Big6,

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Ihr Motor ist wahrscheinlich ausgeschaltet, da 150 U / min nur 2,5 Umdrehungen pro Sekunde sind. Bei 50 U / min benötigt Ihr Motor mehr als eine Sekunde, um eine Umdrehung auszuführen.

Abgesehen davon verbrauchen die Schalter in Ihrer H-Brücke nicht viel Energie, wenn sie eingeschaltet sind (im Wesentlichen Null Volt) oder wenn sie ausgeschaltet sind (Null Strom). Sie haben nur Spannung und Strom, wenn sie schalten, daher bedeutet eine höhere Schaltfrequenz mehr Wärme in Ihren FETs.

Bleiben Sie im Bereich von 5-20 KHz und Sie werden wahrscheinlich sicher sein. Wenn Sie zu weit nach unten gehen, kann die Motorstromwelligkeit (und Drehmomentwelligkeit) spürbar sein, aber Sie können damit experimentieren. Zu viel höher und Sie werden Ihre Schalter aufheizen. Möglicherweise möchten Sie auch zum oberen Ende gehen, um den hörbaren Bereich zu verlassen.

John Birckhead
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Es ist ein Motor für eine Schlauchpumpe, ich bin nicht sicher, was das Getriebe betrifft. Sie sagen also, wenn ich die PWM bei 20 kHz laufen lasse, könnte ich das Tastverhältnis zwischen 0 und 100 variieren, um eine nahezu lineare Änderung der Drehzahl zu erzielen (was sich für mich in einer Pumpendurchflussrate niederschlägt).

Nate San

Wenn sich die Schalter erwärmen, liegt das nicht an der Betriebsfrequenz (nicht unter 1 MHz). Wie Sie bereits sagten, treten die meisten Schaltverluste auf, wenn der FET weder vollständig ein- noch ausgeschaltet ist. Der Trick, um sie kühl zu halten, besteht darin, das Gate so stark zu fahren, dass Ton und Toff minimiert werden. Wählen Sie FETs mit niedriger Gateladung und niedrigem Ton Toff und niedrigem RDSon.

Betrunkener Code-Affe

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Ein praktischer Motor verhält sich ungefähr wie ein Widerstand und eine Induktivität in Reihe mit einem echten Motor. Für einen effizienten Betrieb sollten Sie zwischen dem Anschließen des Motors an die Stromversorgung und dem Kurzschließen wechseln. Während der Motor an die Stromversorgung angeschlossen ist, wird der Strom positiver. Wenn es kurzgeschlossen wird, wird es negativer. Wenn der Strom die Polarität wechselt, geht die Effizienz merklich zurück, da der Motor einen Teil jedes Zyklus damit verbringt, mechanisch zu kämpfen, was er in anderen Teilen tut.

Aus Sicht des Motors selbst ist der Wirkungsgrad am besten, wenn die PWM-Rate so hoch wie möglich ist. Zwei Faktoren begrenzen jedoch die optimale PWM-Rate:

Viele Motoren sind mit einem Kondensator parallel geschaltet, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Jeder PWM-Zyklus muss diese Kappe laden und entladen, wodurch eine volle Ladung Energie verschwendet wird. Die Verluste sind hier proportional zur Frequenz.
Viele H-Brücken-Switches benötigen eine bestimmte Zeit zum Umschalten. Während sie schalten, wird ein Großteil der Energie, die in sie fließt, verschwendet. Wenn die PWM-Ein- und Ausschaltdauer zu dem Punkt hin abnimmt, an dem die Brücke den größten Teil ihrer aktiven oder inaktiven Zeit umschaltet, nehmen die Schaltverluste zu.

Am kritischsten ist, dass die PWM-Rate schnell genug ist, damit sich der Motor nicht selbst bekämpft. Wenn Sie darüber hinaus schneller fahren, wird der Motorwirkungsgrad etwas verbessert, jedoch auf Kosten der anderen oben genannten Verluste. Vorausgesetzt, es gibt nicht zu viel Parallelkapazität, wird es im Allgemeinen einen ziemlich großen Frequenzbereich geben, bei dem die PWM-Verluste minimal sind und die Motorstrompolarität vorwärts bleibt; Eine Frequenz in der Nähe der Mitte dieses Bereichs ist wahrscheinlich am besten, aber alles in diesem Bereich sollte angemessen sein.

Superkatze
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Ich werde es während der Ausschaltphase nicht erden, da die Reibung den Motor sehr schnell stoppt. Daher sah ich keinen Grund, es nicht zwischen den Dienstzeiten schweben zu lassen.

Nate San

@NateSan: Da der Motor über eine Induktivität verfügt, fließt der Strom auch dann weiter, wenn Sie versuchen, ihn auszuschalten. Ein Kurzschluss des Motors ermöglicht es der Energie, während der Ausschaltzeit weiter nützliche Arbeit zu leisten, und verringert die Energiemenge, die Sie zum Abführen außerhalb des Motors benötigen

supercat 22.06.16

Alternativ können Sie eine Flyback-Diode verwenden. Für eine induktive Last (z. B. Motor) ist es wichtig, einen Pfad für den Strom zu haben, wenn die Versorgung ausgeschaltet ist, um eine Spannungsspitze zu vermeiden, die Ihren Schalttransistor töten könnte.

Craig McQueen

@CraigMcQueen: Eine Flyback-Diode schließt den Motor effektiv kurz, während der Vorwärtsstrom anhält, abzüglich eines 0,7-Volt-Abfalls. Bei 24 VDC ist der 0,7 V-Abfall möglicherweise kein Problem, aber ohne ihn wäre die Leistung besser.

Supercat

@supercat: Was ist Ihre empfohlene Alternative, um den Motor im ausgeschalteten Zustand kurzzuschließen? Ein zweiter FET? Könnten Sie einen beispielhaften Schaltplan zeigen oder sich darauf beziehen?

Craig McQueen

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Ich entwarf und arbeitete an einem PWM-Geschwindigkeits- / Positionsregelungssystem, das vor einigen Jahren 16 bürstenbehaftete Gleichstrommotoren antrieb. Wir kauften von Mabuchi, der zu dieser Zeit 350 Millionen Motoren pro Jahr verkaufte. Sie empfahlen eine 2-kHz-PWM-Frequenz, die mit Empfehlungen anderer Quellen, einschließlich der damaligen R / C-Flugzeuge, übereinstimmte. Wir hatten gute Ergebnisse und ich habe es seitdem verwendet.

Es gibt eine Theorie, dass eine Frequenz über 20 kHz kein Pfeifen / Rauschen bedeutet, aber wir haben festgestellt, dass dies nicht zutrifft. Ich kenne die wahre Physik nicht, aber es gibt eine mechanische Bewegung, die man hören kann. Ich habe zu Recht oder zu Unrecht davon ausgegangen, dass es sich um die Subharmonischen (richtige Phrase?) Der Frequenz handelt, da Spulen oder Komponenten versuchen, sich mit der hohen Frequenz so leicht zu bewegen, aber nicht mithalten können. Ich habe zuhause Handyladegeräte, die ich deutlich pfeifen hören kann, und ich weiß, dass ihre PWM-Oszillatoren gut über 100 kHz laufen. (Tatsächlich schalte ich oft den in der Küche aus, wenn ich daran vorbeigehe, weil ich das höhere Pfeifen "ohne Last" höre, wenn kein Telefon angeschlossen ist. Ich höre auch, wie der Ton leiser und leiser wird, wenn ein Telefon zum ersten Mal angeschlossen wird .)

TonyM
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Manchmal ist es wünschenswert, über der hörbaren Frequenz (20 kHz) zu bleiben, wenn der Motor und der Fahrer dies unterstützen. Wenn eine Person es hören kann, kann eine konstant hohe Frequenz ärgerlich sein. Jüngere Menschen können es hören, nach dem 40. Lebensjahr verjüngt es sich.

BrianK
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Gibt es eine ideale PWM-Frequenz für DC-Bürstenmotoren?

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