Det er almindeligt at forsyne en aktuators DC-motor med PWM-signaler til den, der kører, til at justere kørehastigheden. I nogle tilfælde kan det dog resultere i akustisk støj gennem motorens hylen. På et tidspunkt i testfasen af dit projekt har du måske bemærket, at din samme DC-motor genererer motorhylen med varierende lydstyrke, når du tilslutter den til forskellige hastighedsregulatorer. Dette kan skyldes de forskellige PWM-frekvenser, der er indstillet i hver hastighedsregulator eller Arduino-program. I denne artikel vil vi dække fordele og ulemper ved at justere PWM-frekvensen, og hvordan det påvirker motorens hylen.
Almindelige og ofte stillede spørgsmål
Nedenfor er en oversigt over de almindelige og ofte stillede spørgsmål, vi får, for kort at dække det grundlæggende om duty cycle, PWM, og hvilke ændringer i PWM-frekvensen har hvilke effekter på DC-motorer.
- Hvad er arbejdscyklus?
Driftscyklus er forholdet mellem tændt tid og slukket tid, normalt udtrykt som en procentdel. Det betyder, at hvis din aktuator forlænges og trækkes tilbage i 20 sekunder og derefter bruger yderligere 40 sekunder i hvile, før processen gentages, vil "arbejdscyklussen" blive udtrykt som 33%. Den tid, det tager for en "fuld cyklus" i dette eksempel, vil være 60 sekunder.
Driftscyklus = Tændt tid / (Tændt tid + Sluk tid)
- Hvad betyder PWM?
Pulsbreddemodulation (PWM) er en teknik, der almindeligvis anvendes i motordrift, hvor elektriske signaler skifter mellem 0 % og 100 % af den forsyningsspænding, der påføres motoren, svarende til tænd og sluk fra duty cycle. Dette giver mulighed for at styre den gennemsnitlige værdi af den spænding, der påføres en motor, for at justere motorhastigheden. Styring af duty cycle giver mulighed for at styre den gennemsnitlige spændingsværdi for at justere motorhastigheden.
Duty Cycle * Spænding fra kilde = Gennemsnitlig spændingsværdi
- Hvad er PWM-frekvens, og hvordan påvirker den en DC-motors ydeevne?
PWM-frekvensen repræsenterer, hvor hurtigt en PWM-cyklus fuldføres af din motorstyringsenhed. Det er ikke ualmindeligt, at DC-motorer oplever en hylelyd, når den anvendte motorstyring er indstillet til lavere PWM-frekvenser.
- Er det muligt at fjerne motorens hylen helt, eller kan man forvente en vis grad af støj?
Dette kan variere, da producenter normalt har en indbygget tolerance, der forårsager en række forskellige motorstøjer og -karakteristika. Visse motordesign kan have rotorer, der resulterer i en vis motorhylen, uanset hvilken PWM-frekvens der blev brugt. At indstille PWM-frekvensen så højt som praktisk muligt for DC-motorer, der var i god stand, har tendens til at hjælpe med at reducere motorhylen (dette vil blive dækket mere detaljeret senere).
- Kan justering af PWM-frekvensen for at reducere motorens hylen have nogen negative virkninger på motoren eller den samlede systemydelse?
En stigning i PWM-frekvensen resulterer i en stigning i effekttabet på H-broen, der bruges med din Arduino mikrocontroller og kan forårsage overophedning af motordriverkortet. Brugere skal bruge en metode til at køle deres H-bro eller motordriver ned for at forhindre, at komponenterne bliver beskadiget.
Hvad får DC-motorer til at hyle?
Vi vil dække motorens akustiske støj, som er hørbar for det menneskelige øre og ikke elektrisk støj. Det ækvivalente kredsløb for en kørende DC-motor ses ovenfor. På grund af modelektromotorisk kraft (EMF) vil spænding i den modsatte retning af strømmen skyldes, at motorens spoler bevæger sig i forhold til et magnetfelt. I hvile eller ved lave hastigheder har det ækvivalente kredsløb for en børstet DC-motor ringe eller ingen modelektromotorisk kraft og ligner et førsteordens RL-kredsløb, der ses nedenfor.
Motorens hylelyd, vi hører, skyldes momentripplen, der blev genereret fra strømripplen (i). Vi ved også, at den øvre grænsefrekvens for et RL-lavpasfilter har formlen nedenfor:
Frekvensafskæring = 1 / (2π𝜏)
Hvor:
𝜏 = V / H
L = induktans (H)
R = Modstand (Ω)
𝜏 = tidskonstant (sekunder)
Den teoretisk ideelle PWM-frekvens vil afhænge af induktansen og modstanden i et motorkredsløb, men forventes at være større end eller lig med 5 gange grænsefrekvensen. Dette højere PWM-frekvensområde vil tillade strømmen gennem DC-motoren at nå 99,3 % (tæt på 100 %) af den maksimale strømværdi for at undgå strømripple og reducere motorhysteri.
H-broens effekttab og varmeafledning
Når en kontakt skifter fra tændt og slukket, er spændingen og strømmen forskellig fra nul, hvilket resulterer i, at der afgives strøm af kontakterne. En H-bro har både spænding og strøm til stede, når de skifter, så en højere skiftefrekvens fra stigende PWM-frekvens betyder mere varme- og effektafgivelse. Det anbefales at installere køleplader eller ventilatorer på motordriverkort, der ikke allerede følger med disse køleenheder, for at undgå skader og sikre korrekt drift.
Vores LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield har en indbygget køleventilator og køleplader for yderligere at reducere overophedning, hvilket gør den ideel til høje strømbelastninger. Til aktuatorer med lavere strømforbrug tilbyder vi også LC-80 MegaMoto Plus H-bro til ArduinoBegge H-broen kan bruges med Arduino mikrocontrollere og har PWM-frekvensvurderinger, der går op til 20 kHz for DC-spænding.
Hvordan reducerer man DC-motorens hylen ved at justere PWM-frekvensen med Arduino?
Hastigheden på en tællers ur bestemmer udgangssignalets PWM-frekvens. For vores mest populære Arduino Uno, vil systemuret blive divideret med en prescaler-værdi for at resultere i tællerens ur. CS02, CS01 og CS00 er de tre mindst betydende bits i timer-/tællerregistrene, som lagrer prescalerens 3-bit-værdi.
Sæt eller fjern disse tre mindst betydende bits i det relevante TCCRnB-register, der findes i void setup()-segmentet i din Arduino-kode. Ændring af timerforskalere via kodning, PWM-frekvensen kan justeres som vist i denne referencevideo.
Arduino PWM Tutorial #1 - Sådan ændrer du PWM-frekvens:
Et gennemsnitsmenneske vil normalt høre lyde mellem 20 Hz og 20.000 Hz.
Frekvens = cyklus/tid
1 Hz = 1 cyklus/sekund
20 Hz = 1 cyklus / (tid)
20 Hz * (Tid) = 1 cyklus
Tid = 1 cyklus/20 Hz
Tid = 0,05 sekunder
Tid = 50 ms
For en PWM-frekvens på 20 Hz vil én cyklus ske over en periode på 50 millisekunder, som vist nedenfor.
Ved frekvenser over 20 kHz bliver hver cyklus kortere end et gennemsnitligt menneskes reaktionstid, og det vil resultere i, at de fleste individer ikke kan høre nogen motorhylen. PWM-frekvensområdet på 16 kHz til 20 kHz vil generelt løse de fleste problemer med DC-motorhylen. Dette område kan bruges som udgangspunkt for testning, før der foretages gradvise justeringer for at finjustere PWM-frekvensoptimering specifikt til din motoradfærd og -karakteristika.
Frekvens = cyklus/tid
20 kHz = 1 cyklus / (tid)
20000 Hz * (Tid) = 1 cyklus
Tid = 1 cyklus/20000 Hz
Tid = 0,00005 sekunder
Tid = 50 µs
For en PWM-frekvens på 20 kHz vil én cyklus ske over en periode på 50 mikrosekunder, som vist nedenfor.
KORT FORTALT
Justering af PWM-frekvensen kan hjælpe med at minimere den uønskede lyd fra motorhylen, men vi skal være opmærksomme på fordele og ulemper ved at gøre det. Det er vigtigt at finde den passende PWM-frekvens, der har den bedste balance mellem motordriverens effekttab, varmeafledning og motorhylen, som fungerer for dig.
Vi håber, at du fandt dette lige så informativt og interessant, som vi gjorde, især hvis du gerne vil vide mere om DC-motorers hylen ved lavere PWM-frekvens. Hvis du har spørgsmål eller ønsker at diskutere vores produkter yderligere, er du velkommen til at kontakte os! Vi er eksperter i det, vi gør, og vil med glæde hjælpe på enhver mulig måde.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123