Dodávání PWM signálů do stejnosměrného motoru aktuátoru je běžnou metodou pro nastavení rychlosti jízdy, nicméně v některých případech může dojít k akustickému šumu v podobě kvílení motoru. V určitém okamžiku během testovací fáze vašeho projektu jste si mohli všimnout, že váš stejnosměrný motor může generovat kvílení s různou hlasitostí, když jej připojíte k různým regulátorům otáček. To může být způsobeno různými PWM frekvencemi, které byly nastaveny v každém regulátoru otáček nebo programu pro Arduino. V tomto článku se budeme zabývat výhodami a nevýhodami úpravy PWM frekvence a tím, jak ovlivňuje kvílení motoru.
Často kladené otázky
Níže je uveden přehled běžných a často kladených otázek, které nám pomohou stručně pokrýt základy pracovního cyklu, PWM a vliv změn frekvence PWM na stejnosměrné motory.
- Co je pracovní cyklus?
Pracovní cyklus je poměr doby zapnutí a doby vypnutí, obvykle vyjádřený v procentech. To znamená, že pokud se váš aktuátor vysouvá a zasouvá po dobu 20 sekund a poté stráví dalších 40 sekund v klidu, než se proces opakuje, „pracovní cyklus“ by byl vyjádřen jako 33 %. Doba potřebná pro jeden „celý cyklus“ v tomto příkladu bude 60 sekund.
Pracovní cyklus = Doba zapnutí / (Doba zapnutí + Doba vypnutí)
- Co znamená PWM?
Pulzně šířková modulace (PWM) je technika běžně používaná v provozu motoru, kde elektrické signály přepínají mezi 0 % a 100 % napájecího napětí přiváděného do motoru, podobně jako při zapínání a vypínání pracovního cyklu. To umožňuje řídit průměrnou hodnotu napětí přiváděného do motoru a upravovat otáčky motoru. Řízení pracovního cyklu umožňuje řídit průměrnou hodnotu napětí a upravovat otáčky motoru.
Pracovní cyklus * Napětí ze zdroje = Průměrná hodnota napětí
- Co je PWM frekvence a jak ovlivňuje výkon stejnosměrného motoru?
Frekvence PWM udává, jak rychle je cyklus PWM dokončen vaším řídicím zařízením motoru. Není neobvyklé, že stejnosměrné motory zažívají kvílivý zvuk, když je použitý řídicí systém motoru nastaven na nižší frekvence PWM.
- Je možné úplně eliminovat kvílení motoru, nebo se dá očekávat určitý stupeň hluku?
Toto se může lišit, protože výrobci obvykle mají určitou vestavěnou toleranci, která způsobuje řadu různých zvuků a charakteristik motoru. Některé konstrukce motorů mohou mít rotory, které způsobují určité kvílení motoru bez ohledu na použitou frekvenci PWM. Nastavení frekvence PWM na co nejvyšší možnou úroveň pro stejnosměrné motory v dobrém stavu obvykle pomáhá snižovat kvílení motoru (to bude podrobněji popsáno později).
- Může mít úprava frekvence PWM za účelem snížení kvílení motoru nějaký negativní vliv na výkon motoru nebo celkového systému?
Zvýšení frekvence PWM má za následek zvýšení ztráty výkonu na H-můstku použitém s vaším Mikrokontrolér Arduino a může způsobit přehřátí desky ovladače motoru. Uživatelé budou potřebovat způsob chlazení svého H-můstku nebo ovladače motoru, aby zabránili poškození součástí.
Co způsobuje kvílení stejnosměrných motorů?
Budeme se zabývat akustickým šumem motoru, který je slyšitelný lidským uchem, a nikoli elektrickým šumem. Ekvivalentní obvod běžícího stejnosměrného motoru je vidět nahoře. V důsledku zpětné elektromotorické síly (EMF) vzniká napětí v opačném směru, než je směr toku proudu, v důsledku pohybu cívek motoru vzhledem k magnetickému poli. V klidu nebo při nízkých otáčkách má ekvivalentní obvod kartáčového stejnosměrného motoru malou nebo žádnou zpětnou EMF a je podobný obvodu RL prvního řádu, který je vidět níže.
Kvílení motoru, které slyšíme, je způsobeno zvlněním momentu, které bylo generováno zvlněním proudu (i). Víme také, že horní mezní frekvence pro dolní propust RL má vzorec uvedený níže:
Mezní frekvence = 1 / (2π𝜏)
Kde:
𝜏 = L / P
L = indukčnost (H)
R = Odpor (Ω)
𝜏 = časová konstanta (sekundy)
Teoreticky ideální frekvence PWM bude záviset na indukčnosti a odporu obvodu motoru, ale očekává se, že bude větší nebo rovna 5násobku mezní frekvence. Tento vyšší rozsah frekvence PWM umožní, aby proud protékající stejnosměrným motorem dosáhl 99,3 % (téměř 100 %) maximální hodnoty proudu, čímž se zabrání zvlnění proudu a sníží se kvílení motoru.
Ztráta výkonu a odvod tepla v H-můstku
Při přepínání spínače ze zapnutého a vypnutého stavu jsou napětí a proud nenulové, což vede k rozptylu energie spínači. H-můstek má při přepínání přítomno jak napětí, tak proud, takže vyšší spínací frekvence v důsledku zvyšující se frekvence PWM znamená větší rozptyl tepla a energie. Doporučuje se instalovat chladiče nebo ventilátory na desky budičů motoru, které nejsou součástí těchto chladicích zařízení, aby se předešlo poškození a zajistil se správný provoz.
Náš LC-81 MegaMoto GT H-můstek pro Arduino Shield má vestavěný chladicí ventilátor a chladiče pro další snížení přehřívání, takže je ideální pro vysoké proudové zatížení. Pro pohony s nižšími požadavky na odběr proudu nabízíme také LC-80 MegaMoto Plus H-můstek pro ArduinoOba H-můstek lze použít s Arduinem mikrokontroléry a mají PWM frekvenci až 20 kHz pro stejnosměrné napětí.
Jak snížit kvílení stejnosměrného motoru úpravou frekvence PWM pomocí Arduina?
Rychlost hodin čítače určuje frekvenci PWM výstupního signálu. Pro naše nejoblíbenější Arduino Uno, systémové hodiny budou děleny hodnotou předděličky, čímž se získají hodiny čítače. CS02, CS01 a CS00 jsou tři nejméně významné bity registrů časovače/čítače, které ukládají 3bitovou hodnotu předděličky.
Nastavte nebo vymažte tyto tři nejméně významné bity v příslušném registru TCCRnB, který se nachází v segmentu void setup() vašeho kódu Arduina. změna předděliček časovače pomocí kódováníFrekvenci PWM lze upravit, jak je vidět v tomto referenčním videu.
Tutoriál PWM pro Arduino č. 1 - Jak změnit frekvenci PWM:
Průměrný člověk obvykle slyší zvuky mezi 20 Hz a 20 000 Hz.
Frekvence = cyklus/čas
1 Hz = 1 cyklus/sekundu
20 Hz = 1 cyklus / (čas)
20 Hz * (čas) = 1 cyklus
Čas = 1 cyklus/ 20 Hz
Čas = 0,05 sekundy
Čas = 50 ms
Pro frekvenci PWM 20 Hz proběhne jeden cyklus po dobu 50 milisekund, jak je vidět níže.
Při frekvencích nad 20 kHz se každý cyklus zkracuje pod průměrnou reakční dobu člověka a má za následek, že většina lidí neslyší žádné kvílení motoru. Frekvenční rozsah PWM od 16 kHz do 20 kHz obecně vyřeší většinu problémů s kvílením stejnosměrného motoru. Tento rozsah lze použít jako výchozí bod pro testování před postupným doladěním frekvence PWM pro optimalizaci chování a charakteristik vašeho motoru.
Frekvence = cyklus/čas
20 kHz = 1 cyklus / (čas)
20000 Hz * (čas) = 1 cyklus
Čas = 1 cyklus/ 20000 Hz
Čas = 0,00005 sekundy
Čas = 50 µs
Pro PWM frekvenci 20 kHz proběhne jeden cyklus po dobu 50 mikrosekund, jak je vidět níže.
SHRNUTÍ
Úprava frekvence PWM může pomoci minimalizovat nežádoucí zvuk kvílení motoru, nicméně je třeba si být vědom výhod a nevýhod tohoto postupu. Je důležité najít vhodnou frekvenci PWM, která má nejlepší rovnováhu mezi ztrátou výkonu budiče motoru, odvodem tepla a kvílením motoru, která vám vyhovuje.
Doufáme, že jste tyto informace shledali stejně informativními a zajímavými jako my, zejména pokud jste se chtěli dozvědět více o kvílení stejnosměrného motoru při nižších frekvencích PWM. Máte-li jakékoli dotazy nebo si přejete dále prodiskutovat naše produkty, neváhejte se na nás obrátit! Jsme odborníci v tom, co děláme, a rádi vám pomůžeme, jak jen budeme moci.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123