Подаването на PWM сигнали към DC мотора на задвижващия механизъм е често срещан метод за регулиране на скоростта на движение, но в някои случаи може да се появи акустичен шум чрез виене на мотора. В даден момент по време на фазата на тестване на вашия проект може да сте забелязали, че един и същ DC мотор може да генерира виене с различна сила на звука, когато го свържете към различни устройства за контрол на скоростта. Това може да се дължи на различните PWM честоти, зададени във всеки контролер на скоростта или програма за Arduino. В тази статия ще разгледаме плюсовете и минусите на регулирането на PWM честотата и как това влияе на виенето на мотора.
Често задавани въпроси
По-долу е даден преглед на често задаваните въпроси, които получаваме, за да обхванем накратко основите на работния цикъл, ШИМ и какви промени в честотата на ШИМ имат влияние върху DC двигателите.
- Какво е работен цикъл?
Работен цикъл е съотношението на времето на включване към времето на изключване, обикновено изразено като процент. Това означава, че ако вашият задвижващ механизъм се разгъва и прибира за 20 секунди и след това прекара още 40 секунди в покой, преди процесът да се повтори, „работният цикъл“ ще бъде изразен като 33%. Времето, необходимо за един „пълен цикъл“ в този пример, ще бъде 60 секунди.
Работен цикъл = Време на включване / (Време на включване + Време на изключване)
- Какво означава ШИМ?
Широчинно-импулсна модулация (ШИМ) е техника, често използвана в работата на двигателите, при която електрическите сигнали превключват между 0% и 100% от захранващото напрежение, подавано към двигателя, подобно на включване и изключване на работния цикъл. Това позволява контрол на средната стойност на напрежението, подавано към двигателя, за да се регулира скоростта на двигателя. Контролирането на работния цикъл позволява контрол на средната стойност на напрежението, за да се регулира скоростта на двигателя.
Коефициент на запълване * Напрежение от източника = Средна стойност на напрежението
- Какво е ШИМ честотата и как тя влияе на работата на DC двигателя?
Честотата на ШИМ показва колко бързо устройството за управление на двигателя завършва един ШИМ цикъл. Не е необичайно DC двигателите да изпитват виещ шум, когато използваният контролер на двигателя е настроен на по-ниски ШИМ честоти.
- Възможно ли е да се елиминира напълно виенето на двигателя или се очаква известна степен на шум?
Това може да варира, тъй като производителите обикновено имат някакъв вграден толеранс, който причинява редица различни шумове и характеристики на двигателя. Някои конструкции на двигатели може да имат ротори, които водят до известно виене на двигателя, независимо от използваната ШИМ честота. Задаването на ШИМ честота възможно най-висока за DC двигатели, които са в добро състояние, обикновено помага за намаляване на виенето на двигателя (това ще бъде разгледано по-подробно по-късно).
- Може ли регулирането на PWM честотата за намаляване на виенето на двигателя да има някакви отрицателни ефекти върху двигателя или цялостната производителност на системата?
Увеличаването на честотата на ШИМ води до увеличаване на загубите на мощност на H-моста, използван с вашия... Микроконтролер Arduino и може да доведе до прегряване на платката на драйвера на двигателя. Потребителите ще се нуждаят от метод за охлаждане на своя H-мост или драйвер на двигателя, за да предотвратят повреда на компонентите.
Какво причинява виенето на DC двигателите?
Ще разгледаме акустичния шум на двигателя, който е чуваем за човешкото ухо, а не електрическия шум. Еквивалентната схема на работещ DC двигател е показана по-горе. Поради обратната електродвижеща сила (ЕМС), напрежението в обратна посока на протичането на тока ще се получи от движението на намотките на двигателя спрямо магнитното поле. В покой или при ниски скорости, еквивалентната схема на четков DC двигател има малка или никаква обратна ЕДС и е подобна на тази на RL верига от първи ред, показана по-долу.
Виещият шум от двигателя, който чуваме, е причинен от пулсациите на въртящия момент, генерирани от пулсациите на тока (i). Знаем също, че горната гранична честота за нискочестотен RL филтър има формулата, показана по-долу:
Честота на прекъсване = 1 / (2π𝜏)
Къде:
𝜏 = Ляв / Десен
L = индуктивност (H)
R = Съпротивление (Ω)
𝜏 = времева константа (секунди)
Теоретично идеалната ШИМ честота ще зависи от индуктивността и съпротивлението на веригата на двигателя, но се очаква да бъде по-голяма или равна на 5 пъти тази на граничната честота. Този по-висок диапазон на ШИМ честотата ще позволи на тока, протичащ през DC двигателя, да достигне 99,3% (близо до 100%) от максималната стойност на тока, за да се избегнат пулсации на тока и да се намали виенето на двигателя.
Загуба на мощност и разсейване на топлината на H-мост
При превключване на превключвателя от включено и изключено положение, напрежението и токът са различни от нула и водят до разсейване на мощност от превключвателите. H-мостът има както напрежение, така и ток, докато превключва, така че по-високата честота на превключване от увеличаване на честотата на ШИМ означава повече разсейване на топлина и мощност. Препоръчително е да се инсталират радиатори или вентилатори върху платки с драйвери на мотори, които не са включени в комплекта на тези охлаждащи устройства, за да се избегнат повреди и да се осигури правилна работа.
Нашият LC-81 MegaMoto GT H-мост Arduino щит има вграден охлаждащ вентилатор и радиатори за допълнително намаляване на прегряването, което го прави идеален за големи токови натоварвания. За задвижващи механизми с по-ниски изисквания за консумация на ток, ние също така предлагаме LC-80 MegaMoto Plus H-мост за ArduinoИ двете H-мостът може да се използва с Arduino микроконтролери и имат PWM честоти, които достигат до 20kHz за постоянно напрежение.
Как да намалим бръмченето на DC мотор чрез регулиране на PWM честотата с Arduino?
Скоростта на тактовия часовник на брояча определя ШИМ честотата на изходния сигнал. За най-популярните ни Ардуино Уно, системният тактов сигнал ще бъде разделен на стойност на предделителя, за да се получи тактовият сигнал на брояча. CS02, CS01 и CS00 са трите най-малко значими бита на регистрите таймер/брояч, които съхраняват 3-битовата стойност на предделителя.
Задайте или изчистете тези три най-малко значими бита в съответния регистър TCCRnB, който се намира в сегмента void setup() на вашия Arduino код. промяна на предделители на таймера чрез кодиране, честотата на PWM може да се регулира, както е показано в това референтно видео.
Урок №1 за PWM на Arduino - Как да промените честотата на PWM:
Средностатистическият човек обикновено чува звуци между 20 Hz и 20 000 Hz.
Честота = цикъл/време
1 Hz = 1 цикъл/секунда
20 Hz = 1 цикъл / (Време)
20 Hz * (Време) = 1 цикъл
Време = 1 цикъл/ 20 Hz
Време = 0,05 секунди
Време = 50 мс
За PWM честота от 20 Hz, един цикъл ще се случи за период от 50 милисекунди, както е показано по-долу.
При честоти над 20 kHz, всеки цикъл става по-кратък от средното време за реакция на човек и ще доведе до това повечето хора да не чуят никакво виене на двигателя. Честотният диапазон на PWM от 16 kHz до 20 kHz обикновено решава повечето проблеми с виенето на DC двигателите. Този диапазон може да се използва като отправна точка за тестване, преди да се направят постепенни корекции за фина настройка за оптимизиране на PWM честотата, специално за поведението и характеристиките на вашия двигател.
Честота = цикъл/време
20 kHz = 1 цикъл / (Време)
20000 Hz * (Време) = 1 цикъл
Време = 1 цикъл/ 20000 Hz
Време = 0,00005 секунди
Време = 50 µs
За PWM честота от 20 kHz, един цикъл ще се случи за период от 50 микросекунди, както е показано по-долу.
В РЕЗЮМЕ
Регулирането на PWM честотата може да помогне за минимизиране на нежелания звук от виене на двигателя, но трябва да сме наясно с предимствата и недостатъците на това. Важно е да се намери подходящата PWM честота, която има най-добрия баланс между загуба на мощност на драйвера на двигателя, разсейване на топлината и виене на двигателя, което е подходящо за вас.
Надяваме се, че сте намерили това за толкова информативно и интересно, колкото и ние, особено ако искате да научите повече за бръмченето на DC двигатели при по-ниска PWM честота. Ако имате някакви въпроси или желаете да обсъдите нашите продукти допълнително, не се колебайте да се свържете с нас! Ние сме експерти в това, което правим, и ще се радваме да ви помогнем с каквото можем.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123