PWM-Frequenzeinstellung des 15-V-3-A-Gleichstrommotors

Es gibt drei Hauptprobleme mit der PWM-Frequenz zum Antreiben eines Motors:

1. Er muss schnell genug sein, damit der Motor den Mittelwert „sieht“ und nicht die einzelnen Impulse. Motoren haben physische Rotoren, die sich drehen, deren Trägheit die PWM tiefpassfiltern wird. Normalerweise sind 100 Hz oder höchstens ein paar 100 Hz gut genug. Bedenken Sie, dass viele Motoren gut funktionieren, wenn sie von einer einzelnen Phase mit 50 oder 60 Hz angetrieben werden.

2. Es muss langsam genug sein, damit die Schaltverluste nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtleistung ausmachen. Transistoren wechseln nicht sofort zwischen dem Ein- und Aus-Zustand, in dem die Verlustleistung Null ist (für einen idealen Schalter). Dazwischen ist die Verlustleistung im Transistor signifikant. Dies kann aufgrund der verschwendeten Energie ein Problem sein, aber normalerweise tritt vorher das Problem auf, die Abwärme loszuwerden. Bei 500 mW können Sie beispielsweise ein TO-220-Gehäuse an der freien Luft abkühlen lassen. Bei 2 W muss man rechnen und sich die Kühlung genau überlegen.

3. Abhängig von der Anwendung und der Umgebung, in der dieser Motor installiert wird, müssen Sie möglicherweise ein Jammern in Betracht ziehen. Auch wenn 500 Hz ausreichend schnell genug sind, um den Motor zu mitteln, und 2 ms eine schöne und langsame Schaltzeit im Vergleich zur Zeit des Übergangsbereichs sind, kann es zu hörbarem Jammern kommen. Dies kann für Menschen ziemlich irritierend sein und ist für einen einzelnen Motor schwer vorherzusagen. Die von den Spulen verursachten Magnetfelder ändern sich mit dem Strom, der sich mit der Schaltfrequenz ändert. Die Kraft auf einzelne Drähte einer Wicklung ist proportional zu diesem Magnetfeld. Einzelne Drähte können viel schneller schwingen, als der Rotor als Ganzes reagieren kann. Diese Wicklung und möglicherweise andere Teile des Motors verursachen beim Vibrieren hörbare Geräusche. Der Ton ist auch ein Bewegungsnachweis, der schließlich die Isolierung und dergleichen verschleißen kann.

   Es gibt keine Möglichkeit zu wissen, wie hörbar ein Motor bei einer bestimmten Frequenz ist, ohne es zu versuchen. Viele Autofahrer schalten deshalb knapp oberhalb der menschlichen Hörgrenze. Beispielsweise ist 24 kHz eine gängige Schaltfrequenz, insbesondere für handelsübliche Motorsteuerungen, die nicht auf einen bestimmten Motor und eine bestimmte Anwendung abgestimmt sind.

Die Wahl der Frequenz hängt von den Anwendungsanforderungen und den genauen Details des Motors ab. Wenn Sie nur nach jemandem suchen, der Ihnen eine Nummer gibt, dann wird es wahrscheinlich funktionieren, eine Frequenz knapp über dem hörbaren Bereich auszuwählen. Lassen Sie uns versuchen, einige Aspekte der Theorie zu verstehen.

Wie jedes andere sich wiederholende Signal können wir die PWM als Summe von Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen/Phasen betrachten. Dieses Papier beschreibt die Spektralanalyse eines PWM-Signals. Die tl;dr intuitive Version davon ist, dass es eine DC-Komponente gibt (die linear zwischen Ihrer maximalen und minimalen Spannung bei einem Tastverhältnis von 100% bzw. 0% variiert), die nächste Komponente liegt bei der PWM-Frequenz (auch bekannt als Grundfrequenz) (und ist die größte) und dann haben Sie Komponenten bei Harmonischen (Vielfachen) dieser PWM-Frequenz mit immer kleiner werdender Amplitude.

Wenn wir den Motor als ein Gerät betrachten, das Strom in Drehmoment umwandelt und einen festen Widerstand (also Spannung in Drehmoment) hat und einen flachen Frequenzgang auf eine unendliche Frequenz hat, würden wir eine ständig zunehmende Geschwindigkeit und Wellen bei dieser Geschwindigkeit bei den verschiedenen sehen PWM-Frequenzen. Dies ist eine Annäherung erster Ordnung dessen, was vor sich geht, und gilt bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten/Frequenzen/Drehmomenten.

Lassen Sie uns ein wenig über die Größe dieser Wellen in der Geschwindigkeit und die Beziehung zur Frequenz sprechen. Da Sie hier in unserem kleinen Modell anwenden voltage==current==torque==angular acceleration*m, ist die Geschwindigkeit das Integral Ihres Signals (die Fläche unter der Kurve). Wir werden versuchen, uns etwas von unserer Mathematik und dem Integral von zu sin(ax)merken - 1/a * cos(ax). Die wichtige Erkenntnis hier ist, dass die Geschwindigkeitsamplitude mit zunehmender Frequenz (a) abnimmt (a ist 1 bedeutet 1 rad/s). Wenn Sie sich die Position ansehen, müssen Sie erneut integrieren, und das wird noch kleiner ( 1/a^2), wenn die Frequenzen zunehmen.

Zusammenfassend führt eine höhere Frequenz aus rein mechanischen Gründen zu einer geringeren Geschwindigkeits- und Positionswelligkeit der Last. Durch Erhöhen der Masse (Trägheitsmoment) wird auch die Welligkeit (linear) verringert. Wenn Ihr Motor in Luft läuft, können diese mechanischen Wellen zu einer Schallwelle führen, genau wie bei einem Lautsprecher.

Es gibt zwei große Bereiche, die dieses Modell nicht berücksichtigt. Einer ist die Gegen-EMK, so dass Ihr Drehmoment effektiv abnimmt, wenn der Motor schneller läuft. Dies ist der Hauptgrund, warum Ihre Last nicht auf eine unendliche Geschwindigkeit beschleunigt.

Der zweite Bereich ist das elektrische Verhalten des Motors. (Oops, das ist EE-Stack-Austausch). Wir können über die Treiber und das Schaltverhalten der Transistoren sprechen, aber der Hauptfaktor (bei relativ niedrigen Frequenzen) ist normalerweise die Induktivität und der Widerstand der Motorspule. Diese bewirken, dass der Motor wie ein Tiefpassfilter aussieht, wobei der genaue Frequenzgang von den Parametern des Motors abhängt. Wie hier abgeleitet, ist die Zeitkonstante (Zeit, die der Strom benötigt, um auf den maximalen Strom hochzufahren) die Induktivität der Motorspule dividiert durch ihren Widerstand (L/R). Das bedeutet, dass höhere Frequenzen stärker gedämpft werden als niedrigere Frequenzen, was ziemlich praktisch ist, da wir wirklich hauptsächlich an der DC-Komponente der PWM interessiert sind. Hochleistungsmotoren haben einen sehr breiten Frequenzgang (und können mit PWMs im Hunderter-KHz-Bereich betrieben werden), während Motoren mit geringerer Leistung eine viel niedrigere Grenzfrequenz haben. Wenn Sie eine sehr hohe Regelbandbreite anstreben (z. B. in geschlossenen Regelkreisen/Servoanwendungen), möchten Sie die höchstmögliche PWM-Frequenz, da sich dies auf Ihre Stromregelkreisbandbreite auswirkt.

Ein weiterer Hinweis ist, dass die verschiedenen elektrischen Komponenten selbst aus verschiedenen Gründen oft mit der Antriebsfrequenz vibrieren (z. B. haben die Spulen auch eine Kraft, die auf sie einwirkt), so dass das hörbare Summen oft eher von diesen als von der Last kommt (die oft zu gedämpft ist). /massive, um viel Lärm zu machen - es sei denn, Sie fahren einen Lautsprecher!!!).

Sie können immer tiefer eintauchen und die Physik genauer modellieren, aber ich denke, das Obige gibt eine vernünftige erste Annäherung wieder, die verwendet werden kann, um eine fundierte Entscheidung zu treffen. In einigen Systemen müssen Sie definitiv die Motorphysik, die Antriebsübertragungsfunktion, die Transistorschaltung, die Reibung, die Steifigkeit/Frequenzgang der Last, die Rückkopplung usw. besser verstehen.