Γιατί ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος (DC) μου βγάζει βόμβο σε χαμηλότερη συχνότητα PWM;

Η παροχή σημάτων PWM στον κινητήρα DC ενός ενεργοποιητή είναι μια κοινή μέθοδος για την προσαρμογή της Ταχύτητας διαδρομής, ωστόσο σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να προκύψει ακουστικός θόρυβος λόγω βόμβου του κινητήρα. Κάποια στιγμή κατά τη φάση δοκιμών του έργου σας, ίσως προσέξατε ότι ο ίδιος κινητήρας DC μπορεί να παράγει βόμβο σε διαφορετική ένταση όταν τον συνδέετε σε διαφορετικές συσκευές ελεγκτών ταχύτητας. Αυτό μπορεί να οφείλεται στις διαφορετικές συχνότητες PWM που έχουν οριστεί σε κάθε ελεγκτή ταχύτητας ή πρόγραμμα Arduino. Σε αυτό το άρθρο, θα καλύψουμε τα υπέρ και τα κατά της ρύθμισης της συχνότητας PWM και πώς επηρεάζει τον βόμβο του κινητήρα.

 

Συνήθεις και συχνές ερωτήσεις

 

Παρακάτω παραθέτουμε μια επισκόπηση των συνηθέστερων ερωτήσεων που λαμβάνουμε, ώστε να καλύψουμε συνοπτικά τα βασικά του Κύκλου λειτουργίας, του PWM και τις επιδράσεις που έχουν οι αλλαγές στη συχνότητα PWM στους κινητήρες DC.

 

• Τι είναι ο Κύκλος λειτουργίας;

Ο Κύκλος λειτουργίας είναι ο λόγος του χρόνου ενεργοποίησης προς τον χρόνο απενεργοποίησης, που συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό. Αυτό σημαίνει ότι αν ο ενεργοποιητής σας εκτείνεται και ανασύρεται για 20 δευτερόλεπτα και στη συνέχεια μένει σε ηρεμία για άλλα 40 δευτερόλεπτα πριν επαναληφθεί η διαδικασία, ο «Κύκλος λειτουργίας» θα εκφραστεί ως 33%. Ο χρόνος που απαιτείται για έναν «πλήρη κύκλο» σε αυτό το παράδειγμα είναι 60 δευτερόλεπτα.

Κύκλος λειτουργίας = Χρόνος ενεργοποίησης / (Χρόνος ενεργοποίησης + Χρόνος απενεργοποίησης)

 

• Τι σημαίνει PWM;

Η διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά στη λειτουργία κινητήρων, όπου τα ηλεκτρικά σήματα εναλλάσσονται μεταξύ 0% και 100% της τάσης τροφοδοσίας που εφαρμόζεται στον κινητήρα, παρόμοια με το άνοιγμα-κλείσιμο του Κύκλου λειτουργίας. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο της μέσης τιμής τάσης που εφαρμόζεται σε έναν κινητήρα για ρύθμιση της ταχύτητάς του. Ο έλεγχος του Κύκλου λειτουργίας επιτρέπει τον έλεγχο της μέσης τιμής τάσης, ώστε να προσαρμόζεται η ταχύτητα του κινητήρα.

Κύκλος λειτουργίας * Τάση από την πηγή = Μέση τιμή τάσης

 

• Τι είναι η συχνότητα PWM και πώς επηρεάζει την απόδοση των κινητήρων DC;

Η συχνότητα PWM αντιπροσωπεύει πόσο γρήγορα ολοκληρώνεται ένας κύκλος PWM από τη συσκευή ελέγχου κινητήρα. Δεν είναι ασυνήθιστο οι κινητήρες DC να παρουσιάζουν βόμβο όταν ο ελεγκτής κινητήρα που χρησιμοποιείται έχει ρυθμιστεί σε χαμηλότερες συχνότητες PWM.

 

• Είναι δυνατό να εξαλειφθεί πλήρως ο βόμβος του κινητήρα ή αναμένεται κάποιο επίπεδο θορύβου;

Αυτό μπορεί να διαφέρει, καθώς οι κατασκευαστές συνήθως έχουν κάποιες ανεκτές αποκλίσεις που προκαλούν ένα εύρος διαφορετικών ήχων και χαρακτηριστικών κινητήρα. Ορισμένα σχέδια κινητήρων μπορεί να έχουν ρότορες που οδηγούν σε κάποιον βόμβο, ανεξάρτητα από τη συχνότητα PWM που χρησιμοποιήθηκε. Η ρύθμιση της συχνότητας PWM όσο πιο ψηλά γίνεται πρακτικά, σε κινητήρες DC που είναι σε καλή κατάσταση, τείνει να βοηθά στη μείωση του βόμβου (αυτό θα καλυφθεί αναλυτικότερα στη συνέχεια).

 

• Μπορεί η ρύθμιση της συχνότητας PWM για μείωση του βόμβου να έχει αρνητικές επιδράσεις στον κινητήρα ή στη συνολική απόδοση του συστήματος;

Η αύξηση της συχνότητας PWM έχει ως αποτέλεσμα αύξηση της απώλειας ισχύος στη H-γέφυρα που χρησιμοποιείται με τον μικροελεγκτή Arduino και μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση της πλακέτας οδηγού κινητήρα. Οι χρήστες θα χρειαστούν μέθοδο ψύξης της H-γέφυρας ή του οδηγού κινητήρα για να αποφευχθεί η φθορά των εξαρτημάτων.

Τι προκαλεί τον βόμβο στους κινητήρες DC;

 

Θα καλύψουμε τον ακουστικό θόρυβο του κινητήρα, ο οποίος είναι ακουστός στο ανθρώπινο αυτί, και όχι τον ηλεκτρικό θόρυβο. Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα DC σε λειτουργία φαίνεται παραπάνω. Λόγω της αντί-ΗΕΔ (back EMF), δημιουργείται τάση προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή του ρεύματος εξαιτίας της κίνησης των πηνίων του κινητήρα σε σχέση με ένα μαγνητικό πεδίο. Σε ηρεμία ή σε χαμηλές ταχύτητες, το ισοδύναμο κύκλωμα ενός ψηκτροφόρου κινητήρα DC έχει μικρή έως καθόλου αντί-ΗΕΔ και μοιάζει με κύκλωμα RL πρώτης τάξης, όπως φαίνεται παρακάτω.

 

Ο βόμβος που ακούμε προκαλείται από το κυμάτισμα ροπής (torque ripple) που δημιουργείται από το κυμάτισμα του ρεύματος i. Γνωρίζουμε επίσης ότι η άνω συχνότητα αποκοπής για ένα βαθυπερατό φίλτρο RL δίνεται από τον παρακάτω τύπο:

Συχνότητα αποκοπής = 1 / (2π𝜏)

 

Όπου:

𝜏 = L / R

L = επαγωγή (H)

R = αντίσταση (Ω)

𝜏 = σταθερά χρόνου (δευτερόλεπτα)

Η θεωρητικά ιδανική συχνότητα PWM θα εξαρτηθεί από την επαγωγή και την αντίσταση του κυκλώματος του κινητήρα, αλλά αναμένεται να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 5 φορές τη συχνότητα αποκοπής. Αυτό το υψηλότερο εύρος συχνοτήτων PWM επιτρέπει στο ρεύμα που διαρρέει τον κινητήρα DC να φτάνει στο 99,3% (κοντά στο 100%) της μέγιστης τιμής, ώστε να αποφεύγεται το κυμάτισμα ρεύματος και να μειώνεται ο βόμβος του κινητήρα.

 

Απώλειες ισχύος H-γέφυρας και απαγωγή θερμότητας

 

Καθώς ένας διακόπτης μεταβαίνει από ενεργό σε ανενεργό και αντίστροφα, η τάση και το ρεύμα είναι μη μηδενικά, με αποτέλεσμα να διαχέεται ισχύς από τους διακόπτες. Μια H-γέφυρα έχει παρούσες τόσο την τάση όσο και το ρεύμα κατά τη μεταγωγή, επομένως μια υψηλότερη συχνότητα μεταγωγής από την αύξηση της συχνότητας PWM σημαίνει περισσότερη θερμότητα και ισχύ που διαχέεται. Συνιστάται η εγκατάσταση ψυκτρών ή ανεμιστήρων σε πλακέτες οδηγών κινητήρων που δεν διαθέτουν ήδη αυτά τα μέσα ψύξης, για αποφυγή ζημιών και σωστή λειτουργία.

 

Η LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield διαθέτει ενσωματωμένο ανεμιστήρα ψύξης και ψύκτρες για περαιτέρω μείωση της υπερθέρμανσης, γεγονός που την καθιστά ιδανική για υψηλά φορτία Ρεύματος. Για ενεργοποιητές με χαμηλότερες απαιτήσεις κατανάλωσης Ρεύματος, προσφέρουμε επίσης την LC-80 MegaMoto Plus H-bridge για Arduino. Και οι δύο H-γέφυρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μικροελεγκτές Arduino και διαθέτουν ονομαστικές τιμές συχνότητας PWM έως 20 kHz για τάση συνεχούς ρεύματος.

Πώς να μειώσετε τον βόμβο κινητήρα DC ρυθμίζοντας τη συχνότητα PWM με Arduino;

 

Η ταχύτητα του ρολογιού ενός μετρητή καθορίζει τη συχνότητα PWM του σήματος εξόδου. Για το πιο δημοφιλές μας Arduino Uno, το ρολόι του συστήματος διαιρείται από μια τιμή prescaler ώστε να προκύψει το ρολόι του μετρητή. Τα CS02, CS01 και CS00 είναι τα τρία λιγότερο σημαντικά bits των καταχωρητών Timer/Counter που αποθηκεύουν την 3-bit τιμή του prescaler.

Ορίστε ή καθαρίστε αυτά τα τρία λιγότερο σημαντικά bits στο κατάλληλο μητρώο TCCRnB που βρίσκεται στο τμήμα void setup() του κώδικα Arduino. Με το να τροποποιήσετε μέσω κώδικα τους prescalers των χρονιστών, η συχνότητα PWM μπορεί να ρυθμιστεί, όπως φαίνεται σε αυτό το βίντεο αναφοράς.

Arduino PWM Tutorial #1 - Πώς να αλλάξετε τη συχνότητα PWM:

 

Ο μέσος άνθρωπος συνήθως ακούει ήχους μεταξύ 20 Hz και 20.000 Hz.

Συχνότητα = κύκλος/χρόνος

1 Hz = 1 κύκλος/δευτερόλεπτο

20 Hz = 1 κύκλος / (Χρόνος)

20 Hz * (Χρόνος) = 1 κύκλος

Χρόνος = 1 κύκλος / 20 Hz

Χρόνος = 0,05 δευτερόλεπτα

Χρόνος = 50 ms

Για συχνότητα PWM 20 Hz, ένας κύκλος θα συμβεί σε διάστημα 50 millisecond, όπως φαίνεται παρακάτω.

 

Σε συχνότητες πάνω από 20 kHz, κάθε κύκλος γίνεται μικρότερος από τον χρόνο αντίδρασης ενός μέσου ανθρώπου και, ως αποτέλεσμα, οι περισσότεροι δεν θα μπορούν να ακούσουν βόμβο κινητήρα. Το εύρος συχνοτήτων PWM από 16 kHz έως 20 kHz γενικά επιλύει τα περισσότερα προβλήματα βόμβου κινητήρα DC. Αυτό το εύρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αφετηρία δοκιμών, πριν γίνουν σταδιακές προσαρμογές για λεπτορύθμιση της συχνότητας PWM, ειδικά για τη συμπεριφορά και τα χαρακτηριστικά του δικού σας κινητήρα.

Συχνότητα = κύκλος/χρόνος

20 kHz = 1 κύκλος / (Χρόνος)

20000 Hz * (Χρόνος) = 1 κύκλος

Χρόνος = 1 κύκλος / 20000 Hz

Χρόνος = 0,00005 δευτερόλεπτα

Χρόνος = 50 µs

Για συχνότητα PWM 20 kHz, ένας κύκλος θα συμβεί σε διάστημα 50 microsecond, όπως φαίνεται παρακάτω.

 

 

ΣΥΝΟΨΗ  

Η ρύθμιση της συχνότητας PWM μπορεί να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση του ανεπιθύμητου ήχου βόμβου του κινητήρα, ωστόσο πρέπει να γνωρίζουμε τα υπέρ και τα κατά. Είναι σημαντικό να βρεθεί η κατάλληλη συχνότητα PWM που προσφέρει την καλύτερη ισορροπία μεταξύ απώλειας ισχύος του οδηγού κινητήρα, απαγωγής θερμότητας και βόμβου κινητήρα, ώστε να λειτουργεί για εσάς.

Ελπίζουμε να το βρήκατε τόσο ενημερωτικό και ενδιαφέρον όσο κι εμείς, ειδικά αν θέλατε να μάθετε περισσότερα για τον βόμβο κινητήρα DC σε χαμηλότερες συχνότητες PWM. Αν έχετε απορίες ή επιθυμείτε να συζητήσετε περαιτέρω τα προϊόντα μας, μην διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας! Είμαστε ειδικοί σε αυτό που κάνουμε και θα χαρούμε να βοηθήσουμε με κάθε δυνατό τρόπο.

 

sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123