PWM oder variabler Widerstand [geschlossen]

Eine Sache, die im Video nicht untersucht wurde, ist, wie die Last auf die von PWM erzeugten Spannungs- und Stromimpulse reagiert. Je nach Lasttyp ist das Ergebnis möglicherweise nicht so effizient oder so linear wie erwartet.

Bei einem Gleichstrommotor ist die PWM- Frequenz eine wichtige Variable, die dramatische Auswirkungen haben kann. Bei sehr niedrigen PWM-Frequenzen beschleunigt und verlangsamt sich der Motor beim Ein- und Ausschalten. Wenn die Frequenz erhöht wird, wird die Geschwindigkeit des Motors gleichmäßiger, aber es werden immer noch wahrnehmbare Vibrationen und Geräusche im gesamten Audiobereich erzeugt. Die Verwendung einer Ultraschallfrequenz (über 20 kHz) eliminiert das hörbare Rauschen, erhöht jedoch die Verluste im Schalttransistor und in der Treiberschaltung.

Ein weiterer Effekt von PWM ist eine Erhöhung des Effektivstroms und der Spannung relativ zu ihren Durchschnittswerten. Dies verursacht zusätzliche Verluste in den Widerstandskomponenten der Last.

Betrachten Sie diese vereinfachte Ersatzschaltung eines 12-V-Gleichstrommotors, der von einer 6-V-Versorgung gespeist wird, um die halbe Geschwindigkeit zu erreichen: -

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

R1 stellt den Widerstand der Ankerwicklungen und Bürsten des Motors dar, und V2 ist die Spannung, die der Motor erzeugt, während er sich mit halber Geschwindigkeit dreht. R1 lässt die Differenz zwischen Versorgungsspannung und Generatorspannung fallen, 6V-5V = 1V. Das Ohmsche Gesetz sagt uns, dass Strom = Spannung / Widerstand, also muss der Motor 1V/1Ω = 1A ziehen. Leistung = Volt*Ampere, also geht 1 Watt Leistung im Motor verloren.

Überlegen Sie nun, was passiert, wenn wir anstelle einer glatten Gleichstromversorgung 12 V mit PWM anlegen. Dadurch wird der Motor schnell ein- und ausgeschaltet, wodurch die durchschnittliche Spannung gesenkt wird, um den gleichen Effekt wie bei 6 V DC zu erzielen. Logischerweise könnten Sie denken, dass das Anlegen von 12 V mit einem PWM-Verhältnis von 50% ausreichen würde. Was jedoch tatsächlich passiert, ist, dass der Motor während des „Ein“-Teils des PWM-Zyklus die vollen 12 V erhält, sodass der Strom auf (12 V-5 V) / 1 Ω = 7 A springt. Da dieser Strom 50 % der Zeit fließt, beträgt der durchschnittliche Strom 7 A * 50 % = 3,5 A, nicht die 1 A, die wir wollten. Dieser zusätzliche Strom beschleunigt den Motor.

Um die halbe Geschwindigkeit zu erreichen, müssen wir das PWM-Verhältnis verringern, bis der Motor einen durchschnittlichen Strom von 1 A zieht, während er 5 V erzeugt. Dies erfordert ein PWM-Verhältnis von 1A/7A = 14,3 %. Während der PWM-Einschaltzeit fällt R1 um 7 V ab und durchläuft 7 A, sodass 7 * 7 = 49 W Leistung verschwendet werden. Während der PWM-Ausschaltzeit beträgt der Strom 0 A, sodass kein Leistungsverlust auftritt. Die durchschnittliche Verlustleistung beträgt jetzt 49 W * 14,3 % = 7 W, viel mehr als die 1 W, die wir erwartet hatten!

Glücklicherweise haben die meisten Motoren auch eine beträchtliche Induktivität , die Stromänderungen widersteht. Wenn die PWM-Frequenz hoch genug gemacht wird, werden die Stromschwankungen geglättet und das PWM-Verhältnis zur Motordrehzahlkurve wird linear (dh 50 % PWM = 50 % Drehzahl).

Aufgrund dieses Effekts müssen Sie zum richtigen Vergleich zwischen PWM und Widerstandsdrehzahlregelung die Motordrehzahl messen und nicht nur davon ausgehen, dass sie proportional zur Durchschnittsspannung ist. Das Ausprobieren verschiedener PWM-Frequenzen zeigt Ihnen die Auswirkungen auf die Effizienz und Linearität der Drehzahlregelung.