Schätzen Sie den Strom durch die Induktivität im Gleichstromkreis mit PWM-Steuerung

Ich entwerfe eine Schaltung zur Steuerung eines Elektromagneten (Spule mit Eisenkern) über einen N-Kanal-MOSFET, der von einem PWM-Signal angesteuert wird.

Ich kann nicht herausfinden, wie ich die Beziehung zwischen dem PWM-Tastverhältnis und dem Strom ableiten kann, den ich in der Spule bekomme, und ich muss dies wissen, da das erzeugte Magnetfeld eine Funktion von i ist.

Dies sind die Systemspezifikationen:

  • Gleichspannungsquelle: 7,5 V
  • Spule L = 15 mH

Danke für die Hilfe!

Aktualisieren

Danke für das bisherige Feedback: Natürlich fehlt der Widerstand, das habe ich vergessen! An dieser Stelle habe ich die Spule mit L = 15 mH und R = 2,4 Ohm. Und nein, es ist keine Kursarbeit, nur ein persönliches Projekt.

Der Strom in der Schaltung sollte also i = V/R (1 - e^(-Rt/L)) sein. Der stationäre Wert ist daher i = V/R.

Vor diesem Hintergrund dachte ich daran, dies wie folgt an PWM anzupassen:

V = Vcc * %pwm (%pwm: Tastverhältnis), daher habe ich endlich eine Beziehung, die das Tastverhältnis mit dem Strom durch die Spule verknüpft.

Dies stellt sich jedoch im Vergleich zu experimentellen Daten, die ich gerade genommen habe, als falsch heraus: Zum Beispiel würde ich für einen Arbeitszyklus von 20% V = 1,5 V und i = 0,625 A erwarten. In Wirklichkeit messe ich jedoch eine Spannung in der Nähe 1,1 V.

Woran liegt das? Ich dachte, es könnte mit der PWM-Frequenz zusammenhängen, aber es sind 3,9 kHz, was nach mehr als genug klingt!

Schließlich habe ich auch ein Modell in Simulink erstellt, um zu versuchen, das Problem zu verstehen, und dies sind die Diagramme, die ich bekomme:

Simulink-Plots

Das Lustige ist, dass ich durchschnittliche Strom- und Spannungswerte erhalte, die viel höher sind, als sie sein sollten! Warum ändert sich außerdem der Spannungsverlauf eher als "Sägezahn" als als quadratisches PWM-Signal?

Danke noch einmal!

Aktualisierung 2

Richtig, ich glaube, ich habe es jetzt geschafft, mein Modell zu bekommen. Nochmals vielen Dank für die Hilfe an alle!

An diesem Punkt denke ich, dass ich ein ziemlich gutes Modell der Beziehung zwischen PWM-Tastverhältnis und Strom durch die Spule habe.

Dies ist meine aktualisierte Simulink-Ausgabe für einen Arbeitszyklus von 50 %:Aktualisiertes Simulink-Modell

Danke nochmal

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ist das eine Hausaufgabe/Aufgabe? Hilfe ist verfügbar, aber wir müssen es wissen.

Antworten (2)

Im Idealfall erhalten Sie eine PWM-Schaltung mit ausreichend hoher Frequenz und einem perfekten Schalter und einer Fangdiode a mal den Strom, den Sie bei 100 % Einschaltdauer erhalten würden (wobei 0 ≤ a ≤ 1 ist das Tastverhältnis ) . In diesem Fall haben Sie die Schaltung mit einer Induktivität ohne Widerstand gezeichnet, sodass der Strom unbegrenzt ansteigen würde. Sie müssen also den Gleichstromwiderstand der Spule in Ihre Analyse einbeziehen.

Edit: Irgendwas ist offensichtlich mit deinem Modell vermasselt. Unten ist eine Simulation des Starts von einem Induktorstrom von Null mit guten Modellen aller Teile, wie Sie gezeigt haben, und einer Frequenz von 4 kHz und einem Arbeitszyklus von 50%.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der durchschnittliche Strom beträgt etwa 1,428A. Die ideale Vorhersage war 50 % von 7,5 V/2,4 Ohm oder 1,56 A, jedoch gibt es einen gewissen Verlust im MOSFET und in der Diode.

Ihre "experimentellen" Daten klingen nicht allzu weit entfernt, wie gesagt, es gibt Verluste in der Diode und im MOSFET (in diesem Fall hauptsächlich die Diode). Wenn Sie ein idealeres Ergebnis wünschen, können Sie die Schottky-Diode durch einen anderen MOSFET ersetzen (die Spule mit einer Halbbrücke antreiben).

Wenn die Schottky-Vf 330 mV bei 0,5 A beträgt und der MOSFET 100 mV im eingeschalteten Zustand hat, dann beträgt die Spannung, die R + L bei einem Tastverhältnis von 20 % sieht, +7,4 V im eingeschalteten Zustand und -0,33 V im ausgeschalteten Zustand, für einen Durchschnitt von 0,2 * 7,4 + 0,8 * -0,33 = 1,216 V, also beträgt der durchschnittliche Strom 0,506 A, was sehr nahe an dem liegt, was die Simulation zeigt.

Vielen Dank! Das macht jetzt viel mehr Sinn. Entschuldigung, ich fange gerade erst mit der Elektronik an ... Wenn ich die Spule durch einen einfachen Widerstand ersetze, sehe ich die richtige Spannung (dh für 20% Einschaltdauer, 1,5 V). Liegt es daran, dass die Schottky-Diode zu diesem Zeitpunkt nicht wirklich etwas tut, da keine Spule Strom zurückdrückt und sie daher immer ausgeschaltet lässt? Danke noch einmal.
Wenn Sie keine Spule haben, ist der Strom diskontinuierlich und die Diode tut nichts. Die Idee ist normalerweise, die PWM mit der Induktivität schnell genug zu haben, dass der Strom nicht nur kontinuierlich ist, sondern auch eine geringe Welligkeit aufweist.
Macht Sinn. Was ist bei einer Zeitkonstante für meine Spule = L/R = 6,25 ms eine akzeptable PWM-Frequenz? Reichen 4 kHz oder sollte man lieber höher gehen?
Hängt davon ab, was Sie brauchen. Schauen Sie sich die Welligkeit in meiner Simulation an - sieht für einen Elektromagneten ziemlich gut aus. Denken Sie daran, dass es zu Schaltverlusten und im Fall eines Elektromagneten zu großen Wirbelstromverlusten kommt, wenn Sie unnötig hoch gehen. Ich würde also sagen, bei ein paar kHz zu bleiben, es sei denn, es gibt einen Grund, sich wie hörbare Geräusche zu ändern (3,9 kHz ist ungefähr die Frequenz eines menschlichen Schreis oder Babyweinens, also sind wir darauf programmiert, es als störend zu empfinden).

Die durchschnittliche Spannung ist niedriger als erwartet, da die Gegen-EMK dazu führt, dass die Spannung an der Spule über Vcc steigt, wenn der FET abschaltet. Die Diode leitet dann und begrenzt die Spulenspannung auf etwa 0,7 V über Vcc, sodass sie tatsächlich von +7,5 V auf -0,7 V schwingt (nicht von 7,5 V auf 0 V).

Wenn der FET vollständig ein- und ausschaltet, sollte die Spannungswellenform an der Spule rechteckig sein, und der Strom sollte nahezu Gleichstrom mit nur einer geringen dreieckigen Welligkeit sein. Ihr Simulationsdiagramm erzählt jedoch eine andere Geschichte, möglicherweise aufgrund einer falschen Induktivität und / oder eines unzureichenden Gate-Antriebs.

Der 1N5819 ist ein (sehr beliebter) 1A-Schottky, sodass der Vorwärtsabfall mit einem Arbeitszyklus von 0,2 näher bei 330 mV als bei 700 mV liegt.
Sein Simulink-Diagramm zeigt, dass die Spannung -0,7 V erreicht, also ...
Schätzen Sie den Strom durch die Induktivität im Gleichstromkreis mit PWM-Steuerung
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