Muss die Frequenz eines PWM-Signals für eine DC-Motor-/Lüfterdrehzahlregelung konstant sein?

Die Frequenz muss nicht konstant sein, obwohl es oft so endet, weil es einfach zu implementieren ist. Ein Grund, die Frequenz zu variieren, besteht darin, EMI und hörbares Rauschen über das Spektrum zu verteilen. Es ist auch möglich, eine Motorsteuerung durch Hysterese durchzuführen . Oder die Impulsbreite kann konstant gehalten werden, aber die Frequenz variiert. Oder beide können variiert werden.

Was wirklich wichtig ist, ist die durchschnittliche Spannung, die über die Zeit an den Motor angelegt wird. Bei einem einfachen Gleichstromantrieb ist die durchschnittliche Spannung gleich der zu jedem Zeitpunkt angelegten Spannung. Üblicherweise schaltet die Spannung zwischen 0 und der Versorgungsspannung um$Vcc$, also liegt die durchschnittliche Spannung irgendwo zwischen 0 und$V_{cc}$, je nach Anteil der aufgewendeten Zeit$t_{on}$in irgendeiner Zeit$t_{total}$:

Also wenn vorbei$100mS$, Sie haben insgesamt ausgegeben$40ms$an und$V_{cc}$Ist$12V$, Dann:

Also soweit, dass die Induktivität des Motors den Strom über mitteln kann$100ms$, hätten Sie sich genauso gut bewerben können$4.8V$Gleichstrom zum Motor.

Dadurch wird die untere Grenze der Antriebsfrequenz festgelegt. Wenn die Frequenz zu niedrig ist, ist der Strom in den Motorwicklungen (und damit das Drehmoment und damit die Drehzahl) nicht konstant. Nehmen Sie einen Extremfall: Sie legen 12 V für 4 Minuten an, dann 0 V für 6 Minuten. Die durchschnittliche Spannung beträgt immer noch 4,8 V, aber offensichtlich erhalten Sie nicht den gleichen Effekt.

Wenn die Frequenz höher wird, unterscheiden sich der maximale Strom (unmittelbar vor dem Umschalten in den Aus-Zustand) und der minimale Strom (unmittelbar vor dem Umschalten in den Ein-Zustand) nicht sehr stark, und der Motorstrom ist größtenteils konstant. Dies liegt an der Änderungsrate des Stroms$I$in einer Induktivität$L$wird durch die angelegte Spannung begrenzt$V$:

oder gleichwertig:

Ihre Stromversorgung kann nur eine endliche Spannung an die Motorwicklungen (eine Induktivität) anlegen, sodass sich der Strom nur so schnell ändern kann. Schalten Sie schnell genug, und der Strom hat nie Zeit, sich wesentlich zu ändern.

Eine andere Art, sich das vorzustellen: Der Strom im Motor hat eine Gleichstromkomponente, den Durchschnittswert, der den Motor in die gewünschte Richtung dreht. Es wird auch eine gewisse Wechselstromwelligkeit hinzugefügt , die nur Wärme in den Wicklungen erzeugt, da es die Hälfte seiner Zeit damit verbringt, den Motor in die gewünschte Richtung und die andere Hälfte in die falsche Richtung zu drehen. Ihr Ziel beim Entwerfen eines PWM-Motorantriebs ist es, die Stromwelligkeit und die daraus resultierende verschwendete elektrische Energie so weit wie möglich zu reduzieren, ohne andere Verluste im System zu erhöhen.

Eine weitere Anforderung besteht häufig darin, dass der Motor keine hörbaren Geräusche macht, und dies erfordert häufig, dass die Schaltfrequenz etwa über den Grenzen des menschlichen Gehörs liegt$25kHz$.

Die Obergrenze der Schaltfrequenz wird durch Verluste festgelegt, die mit der Frequenz zunehmen, hauptsächlich Schaltverluste. Transistoren können nicht sofort schalten und verbringen daher zwangsläufig einige Zeit sowohl mit erheblichem Strom in ihnen als auch mit erheblicher Spannung an ihnen, wodurch elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird ($P=IE$) jedes Mal, wenn sie wechseln. Wenn die Frequenz erhöht wird, nimmt die Anzahl der Schalter pro Sekunde zu, aber die Zeit, die für den Übergang vom Ein- in den Aus- Zustand aufgewendet wird, sagt dasselbe aus, sodass die durchschnittliche Leistung im Transistor zunimmt, bis die Hitze den Transistor zerstört oder die Treibereffizienz inakzeptabel wird.

Es gibt eine Reihe von Frequenzen, in denen das System gut funktioniert. Dieser Bereich ist ziemlich groß, aber die genauen Frequenzen hängen vom Motor und dem, was Sie erreichen möchten, ab. Aber innerhalb dieses Frequenzbereichs spielt es keine Rolle, was die genaue Frequenz ist, und es kann sich bewegen.

Für die meisten Fans möchten Sie, dass die Frequenz hoch genug ist, dass Sie die PWM-Rate nicht mit Ihren Ohren hören können. Dadurch wird Ihre Frequenz normalerweise höher als 20 kHz (aber nicht immer!).

Am oberen Ende können / werden Kondensatoren im Lüfter die maximale Frequenz begrenzen. Die Menge an Energie, die in Ihrem MOSFET oder Leistungstransistor verloren geht, nimmt ebenfalls zu, wenn die Frequenz höher wird. Dadurch wird die maximal vernünftige Frequenz auf vielleicht 100 KHz begrenzt, obwohl ich sicher bin, dass es einige Systeme gibt, die viel höher gehen können.

Aber wie einige schon gesagt haben: Es ist fast immer einfacher, eine feste PWM-Frequenz zu machen als eine variable. Die meisten Leute verwenden feste Frequenzen, weil das am einfachsten ist.

Das klingt wie eine Hausarbeitsfrage.

Um jedoch den @JIm-Kommentar zum OP hinzuzufügen. PWM (für jede Anwendung) ist normalerweise ein fester Zeitraum, da es am einfachsten in Hardware zu implementieren ist (es muss nicht festgelegt werden).

Sie stellen Werte ein (in einer MCU oder der festverdrahteten Schaltung) und vergessen es.

Jegliche Mathematik hat mit der Implementierung in Bezug auf Periode, Zähler, minimale und maximale Einschaltdauer, Filterung des Ausgangs durch ein RC-Netzwerk zu tun, um einen DC-Ausgang und seine Welligkeit zu berechnen, falls erforderlich.