Fornire segnali PWM al motore DC di un attuatore è un metodo comune per regolare la velocità di movimento; tuttavia, in alcuni casi può generare rumore acustico sotto forma di fischio del motore. Durante la fase di test del progetto, potresti aver notato che lo stesso motore DC può generare un fischio di intensità variabile quando lo colleghi a diversi dispositivi di controllo della velocità. Ciò può dipendere dalle diverse frequenze PWM impostate in ciascun controller di velocità o programma Arduino. In questo articolo vedremo pro e contro della regolazione della frequenza PWM e come questa influisce sul fischio del motore.
Domande comuni e frequenti
Di seguito una panoramica delle domande più comuni che riceviamo, per coprire brevemente le basi del ciclo di lavoro, del PWM e degli effetti dei cambiamenti di frequenza PWM sui motori DC.
- Che cos'è il ciclo di lavoro?
Ciclo di lavoro è il rapporto tra il tempo di attivazione e il tempo di disattivazione, solitamente espresso in percentuale. Ciò significa che se il tuo attuatore si estende e si ritrae per 20 secondi, e poi resta fermo per altri 40 secondi prima che il processo si ripeta, il “ciclo di lavoro” sarà del 33%. Il tempo impiegato per un “ciclo completo” in questo esempio è di 60 secondi.
Ciclo di lavoro = Tempo di attivazione / (Tempo di attivazione + Tempo di disattivazione)
- Cosa significa PWM?
La modulazione a larghezza di impulso (PWM) è una tecnica comunemente usata nel funzionamento dei motori in cui i segnali elettrici commutano tra 0% e 100% della tensione di alimentazione applicata al motore, in modo analogo all'accensione e spegnimento del ciclo di lavoro. Ciò consente di controllare il valore medio della tensione applicata a un motore per regolarne la velocità. Regolando il ciclo di lavoro si controlla il valore medio della tensione e quindi la velocità del motore.
Ciclo di lavoro * Tensione dalla sorgente = Valore medio della tensione
- Che cos'è la frequenza PWM e come influisce sulle prestazioni di un motore DC?
La frequenza PWM rappresenta la velocità con cui il tuo dispositivo di controllo completa un ciclo PWM. Non è raro che i motori DC producano un fischio quando il controller è impostato su frequenze PWM basse.
- È possibile eliminare del tutto il fischio del motore, o bisogna aspettarsi un certo livello di rumore?
Questo può variare, poiché i produttori prevedono normalmente alcune tolleranze che causano una gamma di rumori e caratteristiche differenti del motore. Alcuni design del motore possono avere rotori che generano comunque un certo fischio indipendentemente dalla frequenza PWM utilizzata. Impostare la frequenza PWM più alta possibile in modo pratico per motori DC in buone condizioni tende ad aiutare nella riduzione del fischio del motore (ne parleremo più nel dettaglio più avanti).
- La regolazione della frequenza PWM per ridurre il fischio del motore può avere effetti negativi sul motore o sulle prestazioni complessive del sistema?
Un aumento della frequenza PWM comporta un aumento delle perdite di potenza sul ponte H usato con il tuo microcontrollore Arduino e può causare il surriscaldamento della scheda driver del motore. Gli utenti avranno bisogno di un metodo per raffreddare il loro ponte H o driver del motore per evitare danni ai componenti.
Cosa causa il fischio nei motori DC?
Tratteremo il rumore acustico del motore, udibile all'orecchio umano, e non il rumore elettrico. Il circuito equivalente di un motore DC in funzione è mostrato sopra. A causa della forza controelettromotrice (EMF), si genera una tensione in direzione opposta al flusso di corrente per effetto del movimento delle bobine del motore rispetto a un campo magnetico. A riposo o a basse velocità, il circuito equivalente di un motore DC a spazzole ha poca o nessuna contro-EMF ed è simile a quello di un circuito RL del primo ordine mostrato sotto.
Il rumore di fischio che sentiamo è causato dal ripple di coppia generato dal ripple di corrente (i). Sappiamo anche che la frequenza di taglio superiore per un filtro passa-basso RL ha la formula seguente:
Frequenza di taglio = 1 / (2π𝜏)
Dove:
𝜏 = L / R
L = induttanza (H)
R = resistenza (Ω)
𝜏 = costante di tempo (secondi)
La frequenza PWM teoricamente ideale dipenderà da induttanza e resistenza del circuito del motore, ma ci si aspetta che sia maggiore o uguale a 5 volte la frequenza di taglio. Questo intervallo più alto di frequenza PWM consente alla corrente che attraversa il motore DC di raggiungere il 99,3% (quasi il 100%) del valore massimo, per evitare ripple di corrente e ridurre il fischio del motore.
Perdite di potenza nel ponte H e dissipazione del calore
Quando un interruttore passa da acceso a spento e viceversa, tensione e corrente sono diverse da zero e ciò comporta potenza dissipata dagli interruttori stessi. Un ponte H ha sia tensione sia corrente presenti durante la commutazione; quindi, una frequenza di commutazione più alta dovuta all’aumento della frequenza PWM significa più calore e potenza dissipata. Installare dissipatori o ventole sulle schede driver del motore che non li includono già è consigliato per evitare danni e garantire il corretto funzionamento.
Il nostro LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield ha una ventola di raffreddamento e dissipatori integrati per ridurre ulteriormente il surriscaldamento, rendendolo ideale per correnti elevate. Per attuatori con requisiti di assorbimento di corrente inferiori, offriamo anche l'LC-80 MegaMoto Plus H-bridge for Arduino. Entrambi gli H-bridge possono essere usati con Arduino e hanno specifiche di frequenza PWM che arrivano fino a 20kHz per tensione DC.
Come ridurre il fischio dei motori DC regolando la frequenza PWM con Arduino?
La velocità del clock di un contatore determina la frequenza PWM del segnale in uscita. Per il nostro Arduino Uno più popolare, il clock di sistema viene diviso da un valore di prescaler per ottenere il clock del contatore. CS02, CS01 e CS00 sono i tre bit meno significativi dei registri Timer/Counter che memorizzano il valore a 3 bit del prescaler.
Imposta o azzera questi tre bit meno significativi nell’apposito registro TCCRnB che si trova nel segmento void setup() del tuo codice Arduino. Modificando i prescaler dei timer via codice, la frequenza PWM può essere regolata come mostrato in questo video di riferimento.
Tutorial PWM Arduino n. 1 - Come cambiare la frequenza PWM:
In media, l’essere umano percepisce suoni tra 20 Hz e 20.000 Hz.
Frequenza = ciclo/tempo
1 Hz = 1 ciclo/secondo
20 Hz = 1 ciclo / (Tempo)
20 Hz * (Tempo) = 1 ciclo
Tempo = 1 ciclo / 20 Hz
Tempo = 0,05 secondi
Tempo = 50 ms
Per una frequenza PWM di 20 Hz, un ciclo avverrà in un periodo di 50 millisecondi come mostrato sotto.
A frequenze superiori a 20 kHz, ogni ciclo diventa più breve del tempo di reazione medio umano e la maggior parte delle persone non percepirà alcun fischio del motore. Un intervallo di frequenza PWM tra 16kHz e 20kHz risolve generalmente la maggior parte dei problemi di fischio nei motori DC. Questo intervallo può essere un punto di partenza per i test, prima di effettuare regolazioni graduali per ottimizzare la frequenza PWM in base al comportamento e alle caratteristiche specifiche del tuo motore.
Frequenza = ciclo/tempo
20 kHz = 1 ciclo / (Tempo)
20000 Hz * (Tempo) = 1 ciclo
Tempo = 1 ciclo/ 20000 Hz
Tempo = 0,00005 secondi
Tempo = 50 µs
Per una frequenza PWM di 20 kHz, un ciclo avverrà in un periodo di 50 microsecondi come mostrato sotto.
IN SINTESI
Regolare la frequenza PWM può aiutare a minimizzare il rumore indesiderato di fischio del motore; tuttavia, bisogna considerare pro e contro. È importante trovare la frequenza PWM adatta che offra il miglior equilibrio tra perdite di potenza del driver, dissipazione del calore e fischio del motore, in base alle tue esigenze.
Speriamo che tu abbia trovato questo contenuto informativo e interessante, soprattutto se volevi saperne di più sul fischio dei motori DC a frequenze PWM più basse. Se hai domande o desideri discutere ulteriormente dei nostri prodotti, non esitare a contattarci! Siamo esperti in ciò che facciamo e saremo felici di aiutarti in ogni modo possibile.
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