PWM-signaalien syöttäminen toimilaitteen tasavirtamoottorille on yleinen tapa säätää liikenopeutta, mutta joissakin tapauksissa seurauksena voi olla akustista melua moottorin vinkumisena. Testausvaiheessa saatat huomata, että sama tasavirtamoottori voi vinkua eri voimakkuuksilla, kun liität sen eri nopeudensäätimiin. Tämä voi johtua kunkin nopeudensäätimen tai Arduino-ohjelman asettamista eri PWM-taajuuksista. Tässä artikkelissa käsittelemme PWM-taajuuden säätämisen hyötyjä ja haittoja sekä sitä, miten taajuus vaikuttaa moottorin vinkumiseen.
Yleiset kysymykset
Alla on katsaus usein kysyttyihin kysymyksiin, joiden avulla käymme tiiviisti läpi käyttösuhteen, PWM:n perusteet ja sen, miten PWM-taajuuden muutokset vaikuttavat tasavirtamoottoreihin.
- Mikä on käyttösuhde?
Käyttösuhde on päälläoloajan suhde pois päältä -aikaan, yleensä prosentteina. Tämä tarkoittaa, että jos toimilaite ojentuu ja vetäytyy 20 sekunnin ajan ja lepää sitten 40 sekuntia ennen kuin prosessi toistuu, ”käyttösuhde” on 33 %. Yhden ”täyden syklin” kesto tässä esimerkissä on 60 sekuntia.
Käyttösuhde = Päälläoloaika / (Päälläoloaika + Pois päältä -aika)
- Mitä PWM tarkoittaa?
Pulssinleveysmodulaatio (PWM) on yleisesti moottorikäytöissä käytetty tekniikka, jossa moottorille syötettävä jännite kytkeytyy 0 %:n ja 100 %:n välillä, vastaavasti kuin päälle/pois käyttösuhteessa. Tämän avulla voidaan hallita moottorille syötettävän jännitteen keskiarvoa moottorin nopeuden säätämiseksi. Käyttösuhdetta säätämällä hallitaan keskimääräistä jännitearvoa, mikä säätää moottorin nopeutta.
Käyttösuhde × Lähdejännite = Keskimääräinen jännite
- Mikä on PWM-taajuus ja miten se vaikuttaa tasavirtamoottorin suorituskykyyn?
PWM-taajuus kuvaa, kuinka nopeasti moottoriohjain suorittaa yhden PWM-syklin. Ei ole harvinaista, että tasavirtamoottoreista kuuluu vinkuvaa ääntä, kun käytettävän moottoriohjaimen PWM-taajuus on asetettu matalaksi.
- Voiko moottorin vinkumisen poistaa kokonaan vai onko jonkinlaista ääntä aina odotettavissa?
Tämä vaihtelee, sillä valmistajilla on tyypillisesti tiettyjä toleransseja, jotka aiheuttavat erilaisia moottoriääniä ja - ominaisuuksia. Tietyissä moottorirakenteissa roottori voi aiheuttaa vinkumista riippumatta käytetystä PWM-taajuudesta. PWM-taajuuden asettaminen mahdollisimman korkeaksi, kun tasavirtamoottorit ovat hyvässä kunnossa, auttaa yleensä vähentämään vinkumista (tästä lisää myöhemmin).
- Voiko PWM-taajuuden säätämisellä moottorin vinkumisen vähentämiseksi olla kielteisiä vaikutuksia moottoriin tai koko järjestelmän suorituskykyyn?
PWM-taajuuden nosto lisää Arduino-mikrokontrollerin kanssa käytettävän H-sillan tehohäviöitä ja voi aiheuttaa moottoriohjainkortin ylikuumenemisen. Käyttäjillä tulee olla tapa jäähdyttää H-siltaa tai moottoriohjainta, jotta komponentit eivät vahingoitu.
Mistä tasavirtamoottorin vinkuminen johtuu?
Käsittelemme moottorin akustista, ihmiskorvin kuuluvaa ääntä – emme sähköistä kohinaa. Yllä on esitetty käyvän tasavirtamoottorin ekvivalenttipiiri. Takasähkömotorisen voiman (EMF) vuoksi virtaukseen nähden vastakkaissuuntainen jännite syntyy, kun moottorin käämit liikkuvat magneettikentässä. Lepotilassa tai alhaisilla nopeuksilla harjallisen tasavirtamoottorin ekvivalenttipiirissä on vain vähän tai ei lainkaan takajännitettä, ja se muistuttaa alla esitettyä ensimmäisen kertaluvun RL-piiriä.
Kuultava moottorin vinkuminen johtuu vääntömomentin rippelistä, joka syntyy virran (i) rippelistä. Tiedämme myös, että RL-alipäästösuodattimen ylärajataajuus saadaan seuraavalla kaavalla:
Rajataajuus = 1 / (2π𝜏)
Missä:
𝜏 = L / R
L = induktanssi (H)
R = resistanssi (Ω)
𝜏 = aikavakio (sekuntia)
Teoreettisesti ihanteellinen PWM-taajuus riippuu moottoripiirin induktanssista ja resistanssista, mutta sen tulisi olla vähintään 5 × rajataajuus. Tällä korkeammalla PWM-taajuusalueella tasavirtamoottorin virta yltää 99,3 %:iin (lähelle 100 %) maksimivirrasta, mikä vähentää virtarippleä ja moottorin vinkumista.
H-sillan tehohäviöt ja lämmönpoisto
Kun kytkin vaihtaa tilaa päälle/pois, jännite ja virta eivät ole nollia ja kytkimissä syntyy tehohäviöitä. H-sillassa on sekä jännite että virta läsnä kytkentöjen aikana, joten PWM-taajuuden nosto (ja kytkentätaajuuden kasvu) lisäävät lämpöä ja tehohävikkiä. Jäähdytysripojen tai tuulettimien asentamista moottoriohjainlevyille, joissa niitä ei ole valmiiksi, suositellaan vahinkojen välttämiseksi ja toiminnan varmistamiseksi.
LC-81 MegaMoto GT H-silta Arduino -shieldimme sisältää integroidun jäähdytyspuhaltimen ja jäähdytysrivat ylikuumenemisen vähentämiseksi, joten se soveltuu suurille virtakuormille. Pienemmän virrankulutuksen toimilaitteille tarjoamme myös LC-80 MegaMoto Plus H-sillan Arduinolle. Molemmat H-sillat toimivat Arduinon kanssa, ja niiden PWM-taajuuden arvo yltää tasajännitteellä 20 kHz:iin.
Miten vähentää tasavirtamoottorin vinkunaa säätämällä PWM-taajuutta Arduinolla?
Laskurin kellotaajuus määrittää lähtösignaalin PWM-taajuuden. Suosituimmassa Arduino Unossamme järjestelmän kellotaajuus jaetaan esijakajalla (prescaler), jolloin saadaan laskurin kellotaajuus. CS02, CS01 ja CS00 ovat ajastimen/laskurin rekisterien kolme vähiten merkitsevää bittiä, joihin esijakajan 3-bittinen arvo tallennetaan.
Aseta tai nollaa nämä kolme vähiten merkitsevää bittiä vastaavassa TCCRnB-rekisterissä Arduino-koodisi void setup() -osiossa.
Muuttamalla ajastimen esijakajia koodilla PWM-taajuutta voidaan säätää – kuten tässä esittelyvideossa.
Arduino PWM Tutorial #1 – How to Change PWM Frequency:
Ihminen kuulee keskimäärin ääniä välillä 20–20 000 Hz.
Taajuus = sykli/aika
1 Hz = 1 sykli/sekunti
20 Hz = 1 sykli / (aika)
20 Hz × (aika) = 1 sykli
Aika = 1 sykli / 20 Hz
Aika = 0,05 sekuntia
Aika = 50 ms
Kun PWM-taajuus on 20 Hz, yksi sykli tapahtuu 50 millisekunnissa, kuten alla.
Yli 20 kHz:n taajuuksilla kukin sykli on lyhyempi kuin ihmisen reaktioaika, jolloin useimmat eivät enää kuule moottorin vinkumista. Yleensä PWM-taajuusalue 16–20 kHz ratkaisee suurimman osan tasavirtamoottorin vinkumisesta. Tätä aluetta kannattaa käyttää lähtökohtana ja hienosäätää sen jälkeen vähitellen omalle moottorille sopivaksi.
Taajuus = sykli/aika
20 kHz = 1 sykli / (aika)
20000 Hz × (aika) = 1 sykli
Aika = 1 sykli / 20000 Hz
Aika = 0,00005 sekuntia
Aika = 50 µs
Kun PWM-taajuus on 20 kHz, yksi sykli tapahtuu 50 mikrosekunnissa, kuten alla.
YHTEENVETO
PWM-taajuuden säätäminen voi auttaa minimoimaan moottorin vinkumisen, mutta on tärkeää tiedostaa tähän liittyvät hyödyt ja haitat. Sopiva PWM-taajuus on sellainen, joka tasapainottaa moottoriohjaimen tehohäviöt, lämmönpoiston ja moottorin vinkumisen – juuri sinun tarpeisiisi.
Toivottavasti tämä oli yhtä informatiivista ja mielenkiintoista kuin meistä, erityisesti jos halusit ymmärtää tasavirtamoottorin vinkumista matalilla PWM-taajuuksilla. Jos sinulla on kysyttävää tai haluat keskustella tuotteistamme lisää, ota meihin rohkeasti yhteyttä! Olemme alamme asiantuntijoita ja autamme mielellämme.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123