¿Existe una frecuencia PWM ideal para motores de escobillas de CC?

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

No variaré el voltaje, solo el tiempo que recibe un voltaje dado. Entonces, ¿puedo asumir una respuesta lineal? Con un 10% de servicio y 24 V de suministro, funcionaría a una velocidad de 15 RPM

Si hace la diferencia, incluiré la configuración. Estoy ejecutando 24 V directamente a un puente H que controla el motor. Obviamente tengo dos pines PWM que van desde la MCU a las puertas de los dos habilitan MOSFETS.

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

En breve:

Usted 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 su motor DC solo pase el componente DC de la señal PWM, que es solo el promedio. Piense en el motor como un filtro de paso bajo. Si observa la función de transferencia o la relación de velocidad angular a voltaje, esto es lo que tiene:

Este es el modelo de primer orden de un motor de CC o simplemente un filtro de paso bajo con frecuencia de cortefc=

Donde es la constante de tiempo del motor. Entonces, siempre que su frecuencia esté más allá del corte, su motor solo verá la parte de CC o el promedio de la señal PWM y tendrá una velocidad en concordancia con el ciclo de trabajo PWM. Por supuesto, hay algunas compensaciones que debes considerar si vas con una frecuencia alta ...$\tau$

Larga historia:

Teóricamente, necesitaría conocer la constante de tiempo del motor para elegir la frecuencia PWM 'correcta'. Como probablemente sepa, el tiempo que tarda el motor en alcanzar casi el 100% de su valor final es

Su frecuencia PWM debe ser lo suficientemente alta como para que el motor (esencialmente un filtro de paso bajo) promedie su voltaje de entrada, que es una onda cuadrada. Por ejemplo, supongamos que tiene un motor con una constante de tiempo . Voy a usar un modelo de primer orden para simular su respuesta a varios períodos PWM. Este es el modelo de motor DC: ω ( s $\tau=10ms$

Dejemos que por simplicidad.$k=1$

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

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

$0.1\tau=1ms$

$f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

Esta es solo una explicación muy teórica sobre cómo elegir la frecuencia PWM. ¡Espero eso ayude!

Es probable que su motor esté orientado hacia abajo, porque 150 rpm son solo 2.5 revoluciones por segundo. A 50 rpm, su motor requerirá más de un segundo para realizar una revolución.

Dicho esto, los interruptores en su puente h no disipan mucha potencia cuando están encendidos (esencialmente cero voltios) o cuando están apagados (corriente cero). Solo tienen presente voltaje y corriente cuando cambian, por lo que una frecuencia de conmutación más alta significa más calor en sus FET.

Manténgase en el rango de 5-20 KHz y probablemente estará a salvo. Si baja demasiado, la fluctuación de la corriente del motor (y la fluctuación de par) puede ser notable, pero puede experimentar con esto. Demasiado más alto y estarás calentando tus interruptores. También es posible que desee ir hacia el extremo superior para salir del rango audible.

Un motor práctico se comporta más o menos como una resistencia e inductor en serie con un motor real. Para una operación eficiente que necesita, debe cambiar entre conectar el motor a la fuente y acortarlo. Mientras el motor está conectado a la fuente, la corriente se volverá más positiva. Cuando se acorta, se volverá más negativo. La eficiencia disminuirá notablemente si la corriente cambia de polaridad, porque el motor pasará parte de cada ciclo tratando de combatir mecánicamente lo que está haciendo en otras partes.

Desde el punto de vista del motor, la eficiencia será mejor 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 la interferencia electromagnética. Cada ciclo PWM necesitará cargar y descargar esa tapa, desperdiciando una carga completa de energía. Las pérdidas aquí serán proporcionales a la frecuencia.

2. Muchos conmutadores de puente H tardan cierto tiempo en conmutarse; mientras cambian, gran parte del poder que se destina a ellos se desperdiciará. A medida que las duraciones de activación y desactivación de PWM se reducen hacia el punto donde el puente pasa la mayor parte de su tiempo activo o inactivo, las pérdidas por cambio aumentarán.

Lo más importante es que la tasa de PWM sea lo suficientemente rápida como para que el motor no pelee contra sí mismo. Ir más rápido más allá de eso mejorará un poco la eficiencia del motor, pero a expensas de aumentar las otras pérdidas antes mencionadas. Siempre que no haya demasiada capacidad paralela, generalmente habrá un rango bastante grande de frecuencias donde las pérdidas de PWM son mínimas y la polaridad de la corriente del motor permanece hacia adelante; una frecuencia en algún lugar cerca de la mitad de ese rango probablemente será la mejor, pero cualquier cosa dentro de ese rango debería ser adecuada.

Diseñé y trabajé en un sistema de control de velocidad / posición PWM que manejó 16 motores de CC cepillados hace algunos años. Estábamos comprando a Mabuchi, que vendía 350 millones de motores al año en ese momento. Recomendaron una frecuencia PWM de 2 kHz que coincidió con las recomendaciones de otras fuentes, incluidos los aviones R / C de la época. Tuvimos buenos resultados y lo he usado desde entonces.

Existe una teoría de que una frecuencia superior a 20 kHz significa que no hay silbidos / ruido, pero descubrimos que eso no es cierto. No sé la verdadera física, pero hay un movimiento mecánico que puedes escuchar. Yo, correcta o incorrectamente, lo tomé como los subarmónicos (¿frase correcta?) De la frecuencia, ya que las bobinas o componentes intentan moverse muy ligeramente a la frecuencia alta pero no pueden mantener el ritmo. Tengo cargadores de teléfonos móviles en casa que puedo escuchar claramente silbidos y sé que sus osciladores PWM están funcionando a más de 100 kHz. (De hecho, a menudo apago el que está en la cocina cuando paso por él porque escucho el silbido de "sin carga" cuando no hay ningún teléfono conectado. También escucho que el tono baja y se apaga cuando el teléfono se conecta por primera vez .)

A veces es deseable mantenerse por encima de la frecuencia audible (20KhZ) si el motor y el controlador lo admiten. Si una persona pudiera escucharlo, una frecuencia de tono alto constante puede ser molesto. Las personas más jóvenes pueden escucharlo, después de los 40 años, disminuye gradualmente.