Das Bereitstellen von PWM-Signalen an den Gleichstrommotor eines Aktuators ist eine gängige Methode zur Anpassung der Hublänge, jedoch können in einigen Fällen akustische Geräusche durch Motorgeräusche entstehen. Während der Testphase Ihres Projekts haben Sie möglicherweise bemerkt, dass derselbe Gleichstrommotor bei Anschluss an verschiedene Geschwindigkeitsregler unterschiedliche Lautstärken erzeugt. Dies kann auf die unterschiedlichen PWM-Frequenzen zurückzuführen sein, die in jedem Geschwindigkeitsregler oder Arduino-Programm eingestellt wurden. In diesem Artikel werden wir die Vor- und Nachteile der Anpassung der PWM-Frequenz und deren Auswirkungen auf das Motorgeräusch behandeln.
Häufige und häufig gestellte Fragen
Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die häufigen und häufig gestellten Fragen, die wir erhalten, um die Grundlagen des Arbeitszyklus, PWM und die Auswirkungen von Änderungen der PWM-Frequenz auf Gleichstrommotoren kurz zu erläutern.
- Was ist der Arbeitszyklus?
Der Arbeitszyklus ist das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit, normalerweise als Prozentsatz ausgedrückt. Das bedeutet, wenn Ihr Aktuator sich 20 Sekunden lang ausdehnt und zurückzieht und dann weitere 40 Sekunden inaktiv bleibt, bevor der Prozess wiederholt wird, würde der "Arbeitszyklus" als 33 % ausgedrückt werden. Die Zeit für einen "vollständigen Zyklus" in diesem Beispiel beträgt 60 Sekunden.
Arbeitszyklus = Einschaltzeit / (Einschaltzeit + Ausschaltzeit)
- Was bedeutet PWM?
Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Technik, die häufig im Betrieb von Motoren verwendet wird, bei der elektrische Signale zwischen 0 % und 100 % der Versorgungsspannung, die auf den Motor angewendet wird, wechseln, ähnlich wie beim Ein- und Ausschalten im Arbeitszyklus. Dies ermöglicht die Kontrolle des durchschnittlichen Spannungswerts, der auf einen Motor angewendet wird, um die Motorgeschwindigkeit anzupassen. Die Kontrolle des Arbeitszyklus ermöglicht die Kontrolle des durchschnittlichen Spannungswerts zur Anpassung der Motorgeschwindigkeit.
Arbeitszyklus * Spannung von der Quelle = Durchschnittlicher Spannungswert
- Was ist die PWM-Frequenz und wie beeinflusst sie die Leistung von Gleichstrommotoren?
Die PWM-Frequenz gibt an, wie schnell ein PWM-Zyklus von Ihrem Motorsteuergerät abgeschlossen wird. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Gleichstrommotoren ein Geräusch erzeugen, wenn der verwendete Motorcontroller auf niedrigere PWM-Frequenzen eingestellt ist.
- Ist es möglich, das Motorgeräusch vollständig zu beseitigen, oder ist ein gewisses Maß an Geräusch zu erwarten?
Dies kann variieren, da Hersteller in der Regel eine gewisse Toleranz haben, die eine Vielzahl von Motorgeräuschen und -merkmalen verursacht. Bestimmte Motorentwürfe können Rotoren haben, die unabhängig von der verwendeten PWM-Frequenz ein gewisses Motorgeräusch erzeugen. Die PWM-Frequenz so hoch wie möglich für Gleichstrommotoren, die sich in gutem Zustand befinden, einzustellen, hilft in der Regel, das Motorgeräusch zu reduzieren (dies wird später ausführlicher behandelt).
- Kann die Anpassung der PWM-Frequenz zur Reduzierung des Motorgeräuschs negative Auswirkungen auf den Motor oder die Gesamtleistung des Systems haben?
Eine Erhöhung der PWM-Frequenz führt zu einem Anstieg des Energieverlusts im H-Brücke, die mit Ihrem Arduino-Mikrocontroller verwendet wird, und kann dazu führen, dass die Motorsteuerplatine überhitzt. Benutzer benötigen eine Methode, um ihre H-Brücke oder Motorsteuerung abzukühlen, um Schäden an den Komponenten zu vermeiden.
Was verursacht, dass Gleichstrommotoren Geräusche machen?
Wir werden das akustische Geräusch des Motors behandeln, das für das menschliche Ohr hörbar ist und nicht das elektrische Geräusch. Der äquivalente Schaltkreis eines laufenden Gleichstrommotors ist oben zu sehen. Aufgrund der Rück-EMK (elektromotorische Kraft) wird die Spannung in die entgegengesetzte Richtung zum Stromfluss durch die Bewegung der Wicklungen des Motors relativ zu einem Magnetfeld erzeugt. Im Ruhezustand oder bei niedrigen Geschwindigkeiten hat der äquivalente Schaltkreis des Gleichstrommotors mit Bürsten wenig bis keine Rück-EMK und ähnelt dem eines RL-Schaltkreises erster Ordnung, der unten zu sehen ist.
Das Motorgeräusch, das wir hören, wird durch das Drehmoment-Ripple verursacht, das aus dem Strom (i) Ripple erzeugt wurde. Wir wissen auch, dass die obere Grenzfrequenz für einen RL-Tiefpassfilter die folgende Formel hat:
Grenzfrequenz = 1 / (2π𝜏)
Wo:
𝜏 = L / R
L = Induktivität (H)
R = Widerstand (Ω)
𝜏 = Zeitkonstante (Sekunden)
Die theoretisch ideale PWM-Frequenz hängt von der Induktivität und dem Widerstand eines Motorstromkreises ab, sollte jedoch größer oder gleich 5-mal der Grenzfrequenz sein. Dieser höhere Bereich der PWM-Frequenz ermöglicht es dem Strom, der durch den Gleichstrommotor fließt, 99,3 % (nahe 100 %) des maximalen Stromwerts zu erreichen, um das Strom-Ripple zu vermeiden und das Motorgeräusch zu reduzieren.
Energieverlust der H-Brücke und Wärmeabfuhr
Wenn ein Schalter von ein auf aus wechselt, sind die Spannung und der Strom ungleich null und führen dazu, dass die Schalter Energie abgeben. Eine H-Brücke hat sowohl Spannung als auch Strom, während sie schalten, sodass eine höhere Schaltfrequenz aufgrund der erhöhten PWM-Frequenz mehr Wärme und Energie abführt. Es wird empfohlen, Kühlkörper oder Lüfter auf Motorsteuerplatinen zu installieren, die nicht bereits mit diesen Kühlvorrichtungen ausgestattet sind, um Schäden zu vermeiden und einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen.
Unser LC-81 MegaMoto GT H-Brücke Arduino Shield verfügt über einen integrierten Kühlventilator und Kühlkörper, um eine Überhitzung weiter zu reduzieren, was es ideal für hohe Stromlasten macht. Für Aktuatoren mit niedrigeren Stromverbrauchsanforderungen bieten wir auch die LC-80 MegaMoto Plus H-Brücke für Arduino an. Beide H-Brücken können mit Arduino Mikrocontrollern verwendet werden und haben PWM-Frequenzbewertungen von bis zu 20 kHz für Gleichstrom.
Wie man das Motorgeräusch von Gleichstrommotoren durch Anpassung der PWM-Frequenz mit Arduino reduziert?
Die Geschwindigkeit des Taktes eines Zählers bestimmt die PWM-Frequenz des Ausgangssignals. Für unser beliebtestes Arduino Uno wird der Systemtakt durch einen Prescaler-Wert geteilt, um den Takt des Zählers zu erhalten. CS02, CS01 und CS00 sind die drei am wenigsten signifikanten Bits der Timer/Zähler-Register, die den 3-Bit-Wert des Prescalers speichern.
Setzen oder löschen Sie diese drei am wenigsten signifikanten Bits im entsprechenden TCCRnB-Register, das sich im void setup()-Segment Ihres Arduino-Codes befindet. Durch Ändern der Timer-Prescaler durch Codierung kann die PWM-Frequenz angepasst werden, wie in diesem Referenzvideo zu sehen ist.
Arduino PWM Tutorial #1 - So ändern Sie die PWM-Frequenz:
Der durchschnittliche Mensch hört normalerweise Geräusche zwischen 20 Hz und 20.000 Hz.
Frequenz = Zyklus/Zeit
1 Hz = 1 Zyklus/Sekunde
20 Hz = 1 Zyklus / (Zeit)
20 Hz * (Zeit) = 1 Zyklus
Zeit = 1 Zyklus/ 20 Hz
Zeit = 0,05 Sekunden
Zeit = 50 ms
Für eine PWM-Frequenz von 20 Hz findet ein Zyklus über einen Zeitraum von 50 Millisekunden statt, wie unten zu sehen.
Bei Frequenzen über 20 kHz wird jeder Zyklus kürzer als die Reaktionszeit eines durchschnittlichen Menschen und führt dazu, dass die meisten Personen kein Motorgeräusch hören können. Der PWM-Frequenzbereich von 16 kHz bis 20 kHz löst in der Regel die meisten Probleme mit dem Motorgeräusch. Dieser Bereich kann als Ausgangspunkt für Tests verwendet werden, bevor schrittweise Anpassungen vorgenommen werden, um die PWM-Frequenz speziell für das Verhalten und die Eigenschaften Ihres Motors zu optimieren.
Frequenz = Zyklus/Zeit
20 kHz = 1 Zyklus / (Zeit)
20000 Hz * (Zeit) = 1 Zyklus
Zeit = 1 Zyklus/ 20000 Hz
Zeit = 0,00005 Sekunden
Zeit = 50 µs
Für eine PWM-Frequenz von 20 kHz findet ein Zyklus über einen Zeitraum von 50 Mikrosekunden statt, wie unten zu sehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Anpassung der PWM-Frequenz kann helfen, das unerwünschte Geräusch des Motorgeräuschs zu minimieren; jedoch müssen wir uns der Vor- und Nachteile bewusst sein. Es ist wichtig, die geeignete PWM-Frequenz zu finden, die das beste Gleichgewicht zwischen Energieverlust des Motorcontrollers, Wärmeabfuhr und Motorgeräusch bietet, das für Sie funktioniert.
Wir hoffen, dass Sie dies ebenso informativ und interessant fanden wie wir, insbesondere wenn Sie mehr über das Motorgeräusch bei niedrigerer PWM-Frequenz erfahren wollten. Wenn Sie Fragen haben oder unsere Produkte weiter besprechen möchten, zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren! Wir sind Experten auf unserem Gebiet und helfen Ihnen gerne, wo wir können.
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