¿Hay una frecuencia PWM ideal para los motores de escobillas de corriente continua?

Question

Usaré un microcontrolador para crear una señal pwm para el control del motor. Entiendo cómo funciona el PWM y el ciclo de trabajo, sin embargo no estoy seguro de la frecuencia ideal. No tengo mi motor todavía, así que no puedo probarlo y averiguarlo.

No estaré variando el voltaje, sólo el tiempo que reciba un voltaje determinado. Entonces, ¿puedo asumir una respuesta lineal? ¿Con un 10% de servicio y un suministro de 24 V funcionaría a una velocidad de 15 RPM?

Si hace la diferencia, incluiré el montaje. Estoy corriendo 24 V directamente a un puente H que controla el motor. Obviamente tengo dos pines PWM que van del MCU a las puertas de los dos MOSFETS de habilitación.

Lo siento, el enlace no parece funcionar. Supongo que al cortafuegos en funcionamiento no le gusta imgur. La imagen muestra un gráfico de RPM vs. Voltaje. Es lineal desde 50 RPM a 8 V hasta 150 RPM a 24 V.

Answer 1

En resumen:

Tiene un control lineal de la "velocidad aplicando una señal PWM, ahora la frecuencia de esa señal tiene que ser lo suficientemente alta como para que tu Motor DC sólo pase la componente DC de la señal PWM, que es sólo el promedio. Piensa en el motor como un filtro de paso bajo. Si miras la función de transferencia o relación velocidad angular a voltaje, esto es lo que tienes:

$$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1} $$ Este es el modelo de primer orden de un motor de corriente continua o simplemente un filtro de paso bajo con frecuencia de corte $$f_c=\frac{1}{2\pi\tau}$$

Donde \$\tau\$ es la constante de tiempo del motor. Así que mientras tu frecuencia esté más allá del corte, tu motor sólo verá la parte DC o la media de la señal PWM y tendrás una velocidad en concordancia con el ciclo de trabajo PWM. Por supuesto, hay algunas compensaciones que debes considerar si vas con una frecuencia alta.

Una larga historia:

Teóricamente, tendrías que conocer la constante de tiempo del motor para elegir la frecuencia PWM "correcta". Como probablemente sepas, el tiempo que tarda el motor en alcanzar casi el 100% de su valor final es $$ t_{\text{final}}\approx 5\tau$$

Tu frecuencia PWM tiene que ser lo suficientemente alta para que el motor (esencialmente un filtro de paso bajo) promedie tu voltaje de entrada, que es una onda cuadrada. Ejemplo, digamos que tienes un motor con una constante de tiempo \$\tau=10\text{ ms}\$ . Voy a utilizar un modelo de primer orden para simular su respuesta a varios periodos PWM. Este es el modelo del motor de corriente continua: $$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{10^{-3} s+1} $$

Dejemos que \$k=1\$ para simplificar.

Pero lo más importante son las respuestas que estamos viendo. Para este primer ejemplo, el período PWM es \$ 3\tau\$ y el ciclo de trabajo es del 50 %. Aquí está la respuesta del motor:

El gráfico amarillo es la señal PWM (ciclo de trabajo del 50 % y periodo \$ 3\tau=30 ms\$ ) y el morado es la velocidad del motor. Como puedes ver, la velocidad del motor oscila mucho porque la frecuencia del PWM no es lo suficientemente alta.

Ahora vamos a aumentar la frecuencia PWM. El período PWM es ahora \$ 0.1\tau=1\text{ ms}\$ y el ciclo de trabajo sigue siendo del 50%.

Como puedes ver, ahora la velocidad es más o menos constante porque los componentes de alta frecuencia de la señal PWM están siendo filtrados. En conclusión, yo elegiría una frecuencia que sea al menos $$f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$$

Esto es sólo una explicación muy teórica sobre cómo elegir la frecuencia PWM. Espero que te sirva de ayuda.

Answer 2

Es probable que tu motor tenga un engranaje reducido, porque 150 rpm son sólo 2,5 revoluciones por segundo. A 50 rpm, tu motor necesitará más de un segundo para realizar una revolución.

Dicho esto, los interruptores de tu puente h no disipan mucha energía cuando están encendidos (esencialmente cero voltios) o cuando están apagados (corriente cero). Sólo tienen tensión y corriente cuando conmutan, por lo que una mayor frecuencia de conmutación significa más calor en tus FETs.

Manténgase en el rango de 5-20 kHz y probablemente estará a salvo. Si vas mucho más abajo, la ondulación de la corriente del motor (y la ondulación del par) puede ser notable, pero puedes experimentar con esto. Demasiado alto y se calentarán los interruptores. También es posible que quieras ir hacia el extremo más alto para salir del rango audible.

Answer 3

Un motor práctico se comporta aproximadamente como una resistencia y un inductor en serie con un motor real. Para un funcionamiento eficaz, es necesario alternar entre la conexión del motor a la alimentación y el cortocircuito. Mientras el motor esté conectado a la alimentación, la corriente será más positiva. Cuando esté en cortocircuito, será más negativa. La eficiencia bajará notablemente si la corriente cambia de polaridad, porque el motor pasará parte de cada ciclo tratando de luchar mecánicamente contra lo que está haciendo en otras partes.

Desde el punto de vista del propio motor, la eficiencia será máxima cuando la tasa de PWM sea lo más alta posible. Sin embargo, hay dos factores que limitan la tasa óptima de PWM:

1. Muchos motores tienen un condensador en paralelo con ellos en un esfuerzo por minimizar las interferencias electromagnéticas. Cada ciclo PWM tendrá que cargar y descargar ese condensador, desperdiciando una carga completa de energía. Las pérdidas aquí serán proporcionales a la frecuencia.

2. Muchos interruptores de puente H tardan cierto tiempo en conmutar; mientras conmutan, gran parte de la energía que les llega se desperdicia. A medida que las duraciones de encendido y apagado del PWM se reducen hacia el punto en el que el puente pasa la mayor parte de su tiempo activo o inactivo de conmutación, las pérdidas de conmutación aumentarán.

Lo más importante es que la velocidad PWM sea lo suficientemente rápida como para que el motor no luche contra sí mismo. Ir más rápido mejorará un poco la eficiencia del motor, pero a costa de aumentar las otras pérdidas mencionadas. Siempre que no haya demasiada capacitancia en paralelo, generalmente habrá un rango bastante grande de frecuencias en las que las pérdidas de PWM son mínimas y la polaridad de la corriente del motor se mantiene hacia adelante; una frecuencia en algún lugar cerca del medio de ese rango será probablemente la mejor, pero cualquier cosa dentro de ese rango debería ser adecuada.

Answer 4

Hace unos años diseñé y trabajé en un sistema de control de velocidad/posición PWM que accionaba 16 motores de corriente continua con escobillas. Compramos a Mabuchi, que vendía 350 millones de motores al año. Nos recomendaron una frecuencia PWM de 2 kHz, lo que coincidía con las recomendaciones de otras fuentes, incluidos los aviones R/C de la época. Tuvimos buenos resultados y lo he utilizado desde entonces.

Existe la teoría de que una frecuencia superior a 20 kHz significa que no hay silbidos/ruido, pero hemos comprobado que no es cierto. No conozco la verdadera física de ello, pero hay un movimiento mecánico que se puede oír. Yo, con razón o sin ella, lo tomé como los sub-armónicos (¿frase correcta?) de la frecuencia, ya que las bobinas o los componentes intentan moverse ligeramente a la alta frecuencia pero no pueden seguir el ritmo.

Lo mismo encontramos al probar un controlador de solenoide usando PWM. Un osciloscopio a través del solenoide mostró las frecuencias de prueba correctas, primero 25 kHz y luego cada vez más altas. El ruido de silbido del solenoide era claro y desagradable. Abandonamos el enfoque PWM después de una buena cantidad de pruebas y experimentos.

Tengo cargadores de teléfonos móviles en casa que puedo oír claramente el silbido y sé que sus osciladores PWM están funcionando muy por encima de los 100 kHz. (De hecho, a menudo apago el que está en la cocina cuando paso por delante de él porque oigo el silbido más agudo "sin carga" cuando no hay ningún teléfono conectado. También oigo que el tono baja más y más bajo cuando se conecta un teléfono por primera vez).

Answer 5

A veces es deseable permanecer por encima de la frecuencia audible (20 kHz) si el motor y el conductor lo soportan. Si es donde una persona puede oírlo, una frecuencia alta constante puede ser molesta. Las personas más jóvenes pueden oírla, pero a partir de los 40 años se reduce.