Gleichstrommotor - PWM gegen Spannung

Bei der Steuerung eines Gleichstrommotors mit einer theoretischen Nennspannung von 5 V kann ich den Motor folgendermaßen antreiben:

1. 5 V mit 100% Einschaltdauer PWM.
2. 10 V mit 50% Einschaltdauer PWM.
3. 20 V mit 25% Einschaltdauer PWM.

Gibt es einen Unterschied zwischen den beiden? Verkürzt die Verwendung von Option 2/3 die Lebensdauer des Motors? Würde eine Änderung der PWM-Frequenz die Lebensdauer des Motors verbessern? Der Grund dafür ist, dass es möglich ist, den Motor mit höherer Spannung viel langsamer anzutreiben.

Ja, das ist ganz anders. PWM-Antrieb und Spannungsantrieb getrennt bedeuten nicht wirklich viel, aber wenn sie auf diese Weise kombiniert werden, erhalten Sie eine signifikant unterschiedliche Leistung.

Elektrisch können Sie einen Motor als Induktor (Wicklungen), Widerstand und Spannungsquelle (EMK, proportional zur Motordrehzahl) modellieren. Wenn Sie eine niedrigere Spannung als eine höhere Spannung anlegen, werden Sie:

• Holen Sie sich ein langsameres durch die Motorwicklungen, wodurch das Drehmoment reduziert wird$dI/dt$
• haben eine niedrigere Höchstgeschwindigkeit wegen Gegen-EMK

Mit PWM und einer höheren Spannung können Sie bei gleichen Drehzahlen höhere Spitzengeschwindigkeiten und häufig ein viel höheres Drehmoment erzielen.

Es gibt keinen wirklichen Grund, warum ein Motor beim Anlegen höherer Spannungen beschädigt wird. Motorschäden werden verursacht durch:

• Lagerüberlastung (z. B. seitliches Drücken der Welle einer Axiallagerachse)
• Lagerüberdrehzahl (hängt hauptsächlich vom verwendeten Öl ab)
• Bürstenlichtbogen (verursacht durch hohe Geschwindigkeiten und in viel geringerem Maße auch höheren Strom)
• Verformung und Delaminierung innerer Strukturen durch Überhitzung

Außerdem führt eine Überhitzung oder ein Betrieb eines Motors mit sehr hohen Strömen aufgrund der magnetischen Sättigung zu einer (signifikanten) Verringerung des Drehmoments.

Wenn Sie sicherstellen können, dass Sie Ihren Motor innerhalb der Drehzahl-, Drehmoment- und Kraftgrenzen halten und ihn ordnungsgemäß kühlen, hat der Betrieb mit PWM bei höheren Spannungen keinen Nachteil.

Ein PWM-angetriebener Motor ist ein Tiefsetzsteller . In dem Maße, in dem Ihre Schaltung und Ihr Motor einen guten Abwärtswandler darstellen, gibt es keinen Unterschied zwischen den einzelnen Optionen.

Einige Dinge zu beachten:

$1000V$$20V$

Wenn Ihre PWM-Frequenz für die Wicklungsinduktivität des Motors zu niedrig ist, ändert sich der Strom über jeden PWM-Zyklus erheblich, Sie haben eine hohe Drehmomentwelligkeit und Sie haben keinen guten Abwärtswandler mehr. Leistung und Effizienz werden darunter leiden. Im Extremfall kann es sein, dass Sie den Motor nicht einmal zum Drehen bringen .

Genau wie bei einem Tiefsetzsteller beinhaltet ein PWM-Antrieb Transistoren und andere Schaltungen, was notwendigerweise zusätzliche Verluste mit sich bringt. PWM-Antriebe sind auch komplexer zu konstruieren, schwieriger zu arbeiten, teurer zu implementieren usw. Einige dieser Verluste (z. B. Hystereseverluste) befinden sich im Motor und führen zu einer höheren Motortemperatur In der Regel verringert der Grenzparameter für die Motorleistung und eine höhere Temperatur insgesamt die Lebensdauer des Motors. Sie würden jedoch ein sehr schlechtes Design benötigen, um diese Verluste an Verluste heranzuführen, die Sie bereits bei Gleichstrom haben, wie z. B. Widerstandsverluste in den Wicklungen, sodass der Unterschied zwischen der Effizienz des PWM- und Gleichstromantriebs nicht groß ist.

Es gibt einige Dinge, auf die Sie achten müssen, wenn Sie PWM verwenden.

Erstens hat die PWM-Spannung, die Ihr Motor sieht, Hochfrequenzoberwellen. Diese Oberwellen führen zu Verlusten in Ihrem Motor, die bei Verwendung von Gleichspannung nicht vorhanden wären. Dies bedeutet, dass Ihr Motor bei PWM vs. DC heißer wird (alle anderen Dinge sind gleich). Wie sich dies auf die Lebensdauer Ihres Motors auswirkt, hängt von vielen Faktoren ab. Es gibt eine sehr grobe Faustregel in der Motorwelt, die besagt, dass Sie mit jeder Erhöhung der Motorspulentemperatur um 10 ° C die Lebensdauer der Motorisolation um die Hälfte reduzieren. Sie müssten einen Bewertungstest für den Motor mit dem von Ihnen verwendeten PWM-Laufwerk durchführen, um entweder den Motor zu reduzieren oder um Ihnen mitzuteilen, wie viel heißer es mit PWM bei der Typenschildbewertung werden würde. Die meisten Leute sind jedoch wirklich für diesen Test gerüstet.

Zweitens, vorausgesetzt, Sie sprechen von niedrigen Spannungen wie in Ihrem Beispiel (5 V - 20 V), hat die erhöhte Spannung selbst wahrscheinlich keinen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Isolierung. Natürlich hängt es vom Motor ab, aber im Allgemeinen kann die Isolierung in Motoren für kurze Zeit Spannungen bis zu mindestens 1000 V standhalten. Angesichts von Spannungsspitzen aufgrund der PWM bedeutet dies, dass Sie sich nicht wirklich um eine Verkürzung der Isolationslebensdauer sorgen müssen, bis Sie über Motoren mit einer Nennspannung von ~ 400V-600V oder höher sprechen. Die höheren Spannungen mit PWM könnten sich auf die Lebensdauer der Bürste auswirken, sind jedoch ohne Prüfung nur schwer zu sagen.