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

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

Dies ist das spezifische Leistungsdiagramm.

Das Bild zeigt ein Diagramm von Drehzahl vs. Spannung. Es ist linear von 50 U/min bei 8 V bis 150 U/min bei 24 V.

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

Wenn es einen Unterschied macht, füge ich das Setup hinzu. Ich führe 24 V direkt zu einer H-Brücke, die den Motor steuert. Offensichtlich habe ich zwei PWM-Pins, die von der MCU zu den Gates der beiden Aktivierungs-MOSFETS gehen.

Antworten (5)

Zusamenfassend:

Sie haben eine lineare Steuerung der „Geschwindigkeit“ , indem Sie ein PWM-Signal anlegen, jetzt muss die Frequenz dieses Signals 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 sich die Übertragungsfunktion oder das Verhältnis Winkelgeschwindigkeit zu Spannung ansehen, haben Sie Folgendes:

ω ( s ) v ( s ) = K τ s + 1
Dies ist das Modell erster Ordnung eines Gleichstrommotors oder einfach ein Tiefpassfilter mit Grenzfrequenz
f c = 1 2 π τ

Woher τ ist die Zeitkonstante des Motors. Solange Ihre Frequenz über der Grenze liegt, sieht Ihr Motor nur den DC-Teil oder den Durchschnitt des PWM-Signals und Sie haben eine Geschwindigkeit, die dem PWM-Tastverhältnis entspricht. Natürlich gibt es einige Kompromisse, die Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie mit einer hohen Frequenz arbeiten.

Lange Geschichte:

Theoretisch müssten Sie die Zeitkonstante des Motors kennen, um die "richtige" PWM-Frequenz zu wählen. Wie Sie wahrscheinlich wissen, beträgt die Zeit, die der Motor benötigt, um fast 100 % seines Endwerts zu erreichen

t Finale ≈ 5 τ

Ihre PWM-Frequenz muss hoch genug sein, damit der Motor (im Wesentlichen ein Tiefpassfilter) Ihre Eingangsspannung, die eine Rechteckwelle ist, mittelt. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben einen Motor mit einer Zeitkonstante τ = 10  Frau . Ich werde ein Modell erster Ordnung verwenden, um seine Reaktion auf mehrere PWM-Perioden zu simulieren. Dies ist das DC-Motormodell:

ω ( s ) v ( s ) = K 10 − 3 s + 1

Lassen wir k = 1 der Einfachheit halber.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Aber noch wichtiger sind hier die Antworten, die wir uns ansehen. Für dieses erste Beispiel ist die PWM-Periode 3 τ und das Tastverhältnis beträgt 50 %. Hier die Antwort des Motors:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der gelbe Graph ist das PWM-Signal (50 % Arbeitszyklus und Periode 3 τ = 30 m s ) und der violette ist die Drehzahl des Motors. Wie Sie sehen können, schwingt die Drehzahl des Motors stark, weil die Frequenz der PWM nicht hoch genug ist.

Lassen Sie uns nun die PWM-Frequenz erhöhen. Die PWM-Periode ist jetzt 0,1 τ = 1  Frau und Einschaltdauer ist immer noch 50 %.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wie Sie sehen können, ist die Geschwindigkeit jetzt ziemlich konstant, da die Hochfrequenzkomponenten des PWM-Signals herausgefiltert werden. Abschließend würde ich eine Frequenz wählen, die mindestens ist

f s ≥ 5 2 π τ

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

Gute Antwort. Sie könnten klarstellen, dass Sie mit der Aussage " die Zeit, die der Motor benötigt, um fast 100% seines Endwerts zu erreichen " den endgültigen oder vollen Stromwert meinen . Leser können es mit 100% Geschwindigkeit verwechseln oder wer weiß was?
Das war sehr informativ! Ich bin kein EE, also bin ich darin nicht besonders gebildet. Ich werde wahrscheinlich einfach verschiedene Frequenzen ausprobieren, bis ich eine Antwort bekomme, die mir über das Spektrum gefällt, in dem ich arbeiten muss. Ich werde dies jedoch im Hinterkopf behalten, wenn ich dieses Setup mache! . Eine Frage habe ich allerdings. Sie sagten, diese Zahlen seien alle sehr theoretisch, aber könnten Sie ungefähr die erwartete Zeitkonstante angeben? Es ist ein 24-V-Gleichstrommotor, der höchstens 300 mA zieht.
@NateSan Danke! Als eine der Antworten, die wirklich gut sind, könnten Sie am besten mit Frequenzen im KHz-Bereich beginnen, wie zum Beispiel 2KHz. Es gibt keine Möglichkeit, die Zeitkonstante basierend auf den gegebenen Informationen abzuschätzen, oder zumindest weiß ich es nicht. Sie können es experimentell finden, aber Sie sind besser dran, einfach verschiedene Frequenzen auszuprobieren, bis Sie dem nahe kommen, was Sie wollen.
Die dargestellten Fakten lassen den Schluss nicht zu: Beide Grafiken haben einen Mittelwert von 0,5. Ich denke, das spiegelt die Realität wider, die Linearität hängt nicht von der PWM-Frequenz ab. Der einzige Kompromiss, der eingegangen werden muss, sind Strom-/Drehmomentwelligkeit und Rauschen auf der unteren Seite und Wirbelstrom- und Schaltverluste auf der höheren Seite.
@alain Danke. Sie haben Recht. Dies geht auf den ersten Kommentar zurück, der hier von _transistor gemacht wurde. Ich habe die Geschwindigkeit als Reaktion auf die Eingangsspannung aufgetragen. Diese Diagramme sollten stattdessen den Strom als Reaktion auf das PWM-Signal zeigen. Dann sollten wir Linearität in Bezug auf den gezogenen Strom und das PWM-Tastverhältnis haben.
Warum fällt der Strom im rechten Diagramm schneller ab?
@alain Ich gebe Ihnen ein paar Verweise auf Websites, die es erklären. Es ist ziemlich lang, das hier zu erklären. 1) homepages.which.net/~paul.hills/SpeedControl/… 2) eg.bucknell.edu/~wismer/ee491/note4/index.html
Das war eine rhetorische Frage. Die ersten beiden Grafiken waren korrekt, die neuen Grafiken sind falsch. Aus v(t) = L*(di/dt) ist klar, dass die Stromabfallrate di/dt nur von L und v abhängt. Wie auch immer, ich bin viel zu spät und ich denke, wir sollten keine lange Diskussion beginnen Hier. Stimmen wir einfach zu, nicht zuzustimmen :-)
Danke für deine informative Antwort. Ich möchte fragen, wo ich die Motorzeitkonstante bekommen kann? Beispielsweise enthält das Datenblatt für GA12-N20 keinen Eintrag namens Motorkonstante. Soll ich es an mir selbst messen? Wenn das so ist, wie?
@PageDavid Es ist einen Moment her, 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% ihres Endwerts erreicht. Möglicherweise müssen Sie dies ein paar Mal wiederholen und den Mittelwert finden (obwohl er von Messung zu Messung ziemlich nahe beieinander liegen sollte). Dazu benötigen Sie die richtige Ausrüstung, wie Drehzahlmesser / andere Werkzeuge. Vielleicht hilft dieser Link: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf oder google "find dc motor time constant" - dies ist eines der häufigsten Experimente im Einführungskurs für Steuerungen.
Es wäre schön, in dieser Antwort eine Gleichung zu sehen, die feststellt, dass τ = L / R! Ich konnte τ oben nicht erklärt finden, aber dieser Artikel leistet gute Arbeit: electronics-tutorials.ws/inductor/lr-circuits.html . Daher beträgt eine gute PWM-Frequenz mindestens 1 / τ = R / L, wenn ich das richtig verstehe. Dieser Beitrag sagt vielleicht etwa 10x mehr aus, also beträgt die PWM-Impulszeit 10% von L/R: electronic.stackexchange.com/a/555234/256265

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

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

Bleiben Sie im Bereich von 5-20 kHz und Sie werden wahrscheinlich sicher sein. Wenn Sie zu viel niedriger 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 in Richtung des höheren Endes gehen, um aus dem hörbaren Bereich herauszukommen.

Es ist ein Motor für eine peristaltische Pumpe, ich bin mir nicht sicher über das Getriebe. Sie sagen also, dass ich, wenn ich die PWM mit 20 kHz laufen lassen würde, das Tastverhältnis zwischen 0 und 100 variieren könnte, um eine nahezu lineare Änderung der Drehzahl zu erhalten (was für mich die Pumpendurchflussrate bedeutet).
Wenn sich die Schalter erhitzen, liegt es nicht an der Betriebsfrequenz (jedenfalls nicht unter 1MHz). Wie Sie bereits sagten, treten die meisten Schaltverluste auf, wenn der FET weder vollständig ein- noch vollständig ausgeschaltet ist. Der Trick, sie cool zu halten, besteht darin, ihr Gate hart genug zu fahren, um Ton und Toff zu minimieren. Wählen Sie FETs mit niedriger Gate-Ladung und niedrigem Ton Toff und niedrigem RDSon.

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 umschalten. Während der Motor an die Versorgung angeschlossen ist, wird der Strom positiver. Wenn es kurzgeschlossen wird, wird es negativer. Die Effizienz wird deutlich bergab gehen, wenn der Strom die Polarität wechselt, da der Motor einen Teil jedes Zyklus damit verbringt, mechanisch zu bekämpfen, was er in anderen Teilen tut.

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

  1. Viele Motoren haben parallel einen Kondensator, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Jeder PWM-Zyklus muss diese Kappe laden und entladen, wodurch eine volle Ladung Energie verschwendet wird. Verluste sind hier proportional zur Frequenz.

  2. Viele H-Brücken-Schalter brauchen eine gewisse Zeit zum Umschalten; Während sie umschalten, wird ein Großteil der Energie, die in sie eingeht, verschwendet. Wenn die Ein- und Ausschaltdauer der PWM auf den Punkt schrumpft, an dem die Brücke den größten Teil ihrer aktiven oder inaktiven Zeit mit Schalten verbringt, nehmen die Schaltverluste zu.

Am wichtigsten ist, dass die PWM-Rate schnell genug ist, damit der Motor nicht selbst kämpft. Wenn Sie darüber hinaus schneller fahren, wird die Motoreffizienz etwas verbessert, aber auf Kosten der Erhöhung der anderen oben genannten Verluste. Vorausgesetzt, es gibt nicht zu viel Parallelkapazität, gibt es im Allgemeinen einen ziemlich großen Frequenzbereich, in dem die PWM-Verluste minimal sind und die Polarität des Motorstroms vorwärts bleibt. eine Frequenz irgendwo in der Mitte dieses Bereichs wird wahrscheinlich am besten sein, aber alles innerhalb dieses Bereichs sollte angemessen sein.

Ich werde es während der Ausschaltzeit tatsächlich nicht erden, Reibung stoppt den Motor sehr schnell. Ich sah also keinen Grund, es nicht zwischen den Dienstzeiten schweben zu lassen.
@NateSan: Da der Motor eine Induktivität hat, fließt der Strom auch dann weiter, wenn Sie versuchen, ihn auszuschalten. Durch das Kurzschließen des Motors kann die Energie während der Ausschaltzeit weiterhin nützliche Arbeit leisten und verringert die Energiemenge, die Sie außerhalb des Motors abführen müssen
Verwenden Sie alternativ eine Rücklaufdiode. 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.
@CraigMcQueen: Eine Flyback-Diode schließt den Motor effektiv kurz, während der Vorwärtsstrom anhält, abzüglich eines Abfalls von 0,7 Volt. Bei 24 VDC ist der 0,7-V-Abfall möglicherweise kein Problem, aber die Leistung wäre ohne ihn besser.
@supercat: Was ist Ihre empfohlene Alternative, um den Motor im ausgeschalteten Zustand kurzzuschließen? Ein zweiter FET? Könnten Sie ein Beispielschaltbild zeigen oder darauf verweisen?
Verwenden Sie einfach eine Schottky-Barriere mit einem Abfall von etwa 0,1 V, wenn Sie die 0,7 V der Siliziumdiode stören (das sollte es wirklich nicht).

Ich habe vor einigen Jahren ein PWM-Geschwindigkeits-/Positionssteuersystem entwickelt und daran gearbeitet, das 16 bürstenbehaftete Gleichstrommotoren antreibt. Wir kauften bei Mabuchi, der damals 350 Millionen Motoren pro Jahr verkaufte. Sie empfahlen eine PWM-Frequenz von 2 kHz, die mit Empfehlungen aus anderen Quellen übereinstimmte, einschließlich R / C-Flugzeugen der damaligen Zeit. Wir hatten gute Ergebnisse und ich benutze es seitdem.

Es gibt eine Theorie, dass eine Frequenz über 20 kHz kein Pfeifen/Rauschen bedeutet, aber wir fanden, dass das nicht stimmt. Ich kenne die wahre Physik nicht, aber es gibt eine mechanische Bewegung, die Sie hören können. Ich habe zu Recht oder zu Unrecht angenommen, dass es sich um die Subharmonischen (richtiger Ausdruck?) Der Frequenz handelt, da Spulen oder Komponenten versuchen, sich bei der hohen Frequenz ganz leicht zu bewegen, aber nicht mithalten können.

Wir haben dasselbe festgestellt, als wir einen Solenoidtreiber mit PWM ausprobiert haben. Ein Oszilloskop über dem Solenoid zeigte die korrekten Testfrequenzen, zuerst 25 kHz, dann höher und höher. Das Pfeifgeräusch des Solenoids war deutlich und unangenehm. Wir haben den PWM-Ansatz nach einer ganzen Reihe von Tests und Experimenten aufgegeben.

Ich habe Handy-Ladegeräte zu Hause, die ich deutlich pfeifen höre, 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 „keine Last“-Pfeife höre, wenn kein Telefon angeschlossen ist. Ich höre auch, wie der Ton leiser und tiefer wird, wenn ein Telefon zum ersten Mal angeschlossen wird .)

Beim Telefonladegerät ist es nicht die Hauptschaltfrequenz, die Sie hören, sondern das Impulsüberspringen bei niedriger Last, der Burst-Modus oder ein anderes Energiesparschema, das entweder die Frequenz verringert oder den Umschalter dazu bringt, aufzuwachen und in Intervallen einen Burst zu machen entsprechen der hörbaren Frequenz. Es ist extrem nervig. Wenn das verfluchte Ding eine blinkende LED hat, piept es auch zusammen mit der LED.
@bobflux, wie gesagt, das Pfeifen der Ladung ist über alle Lasten hinweg zu hören, während das Überspringen von SMPS-Impulsen nur bei niedriger / unbelasteter Last erfolgt. Die Motor- und Solenoidkonstruktionen waren reine PWM und wurden auf 'Scopes, Prototypen für die Massenproduktion untersucht, so dass viel Zeit und Mühe aufgewendet wurde, um zu versuchen, sie zu lösen. Es wäre schön zu sagen, dass es nicht so war ... aber es war so.

Manchmal ist es wünschenswert, über der hörbaren Frequenz (20 kHz) zu bleiben, wenn der Motor und der Treiber dies unterstützen. Wenn es eine Person hören kann, kann eine konstant hohe Frequenz störend sein. Jüngere Menschen können es hören, nach 40 Jahren nimmt es ab.

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