Å forsyne likestrømsmotoren til en aktuator med PWM-signaler er en vanlig metode for å justere kjørehastigheten. I noen tilfeller kan det imidlertid føre til akustisk støy gjennom motorhyring. På et tidspunkt i testfasen av prosjektet ditt har du kanskje lagt merke til at den samme likestrømsmotoren genererer motorhyring med varierende lydstyrke når du kobler den til forskjellige hastighetskontrollerenheter. Dette kan skyldes de forskjellige PWM-frekvensene som ble satt i hver hastighetskontroller eller Arduino-program. I denne artikkelen vil vi dekke fordeler og ulemper med å justere PWM-frekvensen og hvordan det påvirker motorhyring.
Vanlige og ofte stilte spørsmål
Nedenfor er en oversikt over vanlige og ofte stilte spørsmål vi får for å kort dekke det grunnleggende om duty cycle, PWM, og hvilke endringer i PWM-frekvensen har hvilke effekter på likestrømsmotorer.
- Hva er driftssyklus?
Driftssyklus er forholdet mellom på-tid og av-tid, vanligvis uttrykt som en prosentandel. Dette betyr at hvis aktuatoren din forlenges og trekkes tilbake i 20 sekunder, og deretter bruker ytterligere 40 sekunder i ro før prosessen gjentas, vil "driftssyklusen" bli uttrykt som 33 %. Tiden det tar for én "full syklus" i dette eksemplet vil være 60 sekunder.
Driftssyklus = På-tid / (På-tid + Av-tid)
- Hva betyr PWM?
Pulsbreddemodulasjon (PWM) er en teknikk som vanligvis brukes i motordrift der elektriske signaler veksler mellom 0 % og 100 % av forsyningsspenningen som påføres motoren, på samme måte som å slå på og av fra en driftssyklus. Dette gir muligheten til å kontrollere gjennomsnittsverdien av spenningen som påføres en motor for å justere motorhastigheten. Kontroll av driftssyklusen gir muligheten til å kontrollere gjennomsnittsspenningsverdien for å justere motorhastigheten.
Driftssyklus * Spenning fra kilde = Gjennomsnittlig spenningsverdi
- Hva er PWM-frekvens, og hvordan påvirker den en likestrømsmotors ytelse?
PWM-frekvensen representerer hvor raskt en PWM-syklus fullføres av motorstyringsenheten din. Det er ikke uvanlig at likestrømsmotorer opplever en hylelyd når motorstyringen som brukes, er satt til lavere PWM-frekvenser.
- Er det mulig å fjerne motorhyling helt, eller er det forventet en viss grad av støy?
Dette kan variere ettersom produsenter vanligvis har en innebygd toleranse som forårsaker en rekke forskjellige motorstøyer og egenskaper. Enkelte motordesign kan ha rotorer som resulterer i noe motorhyling uavhengig av hvilken PWM-frekvens som ble brukt. Å sette PWM-frekvensen så høyt som praktisk mulig for likestrømsmotorer som var i god stand, pleier å bidra til å redusere motorhyling (dette vil bli dekket mer detaljert senere).
- Kan justering av PWM-frekvensen for å redusere motorstøy ha noen negative effekter på motoren eller den generelle systemytelsen?
En økning i PWM-frekvensen resulterer i en økning i effekttapet på H-broen som brukes med din Arduino mikrokontroller og kan føre til at motordriverkortet overopphetes. Brukere trenger en metode for å kjøle ned H-broen eller motordriveren for å forhindre at komponentene blir skadet.
Hva forårsaker at likestrømsmotorer hyler?
Vi skal dekke motorens akustiske støy, som er hørbar for det menneskelige øret og ikke elektrisk støy. Ekvivalentkretsen til en DC-motor som går, er vist ovenfor. På grunn av motelektromotorisk kraft (EMF) vil spenning i motsatt retning av strømmen skyldes at motorens spoler beveger seg i forhold til et magnetfelt. Ved hvile eller lave hastigheter har den børstede DC-motorekvivalentkretsen liten eller ingen motelektromotorisk kraft, og den ligner på en førsteordens RL-krets vist nedenfor.
Motorhyringlyden vi hører er forårsaket av momentrippelen som ble generert fra strømrippelen (i). Vi vet også at den øvre grensefrekvensen for et RL-lavpassfilter har formelen vist nedenfor:
Frekvensgrense = 1 / (2π𝜏)
Hvor:
𝜏 = V / H
L = induktans (H)
R = Motstand (Ω)
𝜏 = tidskonstant (sekunder)
Den teoretisk ideelle PWM-frekvensen vil avhenge av induktansen og motstanden til en motorkrets, men forventes å være større enn eller lik 5 ganger grensefrekvensen. Dette høyere området for PWM-frekvens vil tillate at strømmen gjennom likestrømsmotoren når 99,3 % (nær 100 %) av den maksimale strømverdien for å unngå strømrippel og redusere motorhysing.
H-broens effekttap og varmespredning
Når en bryter går mellom av og på, er spenningen og strømmen forskjellig fra null, noe som resulterer i at bryterne mister strøm. En H-bro har både spenning og strøm til stede når de kobler, så en høyere koblingsfrekvens fra økende PWM-frekvens betyr mer varme og effekt som mistes. Det anbefales å installere kjøleribber eller vifter på motordriverkort som ikke allerede følger med disse kjøleenhetene for å unngå skade og sikre riktig drift.
Vår LC-81 MegaMoto GT H-bro Arduino-skjold har en innebygd kjølevifte og kjøleribber for å redusere overoppheting ytterligere, noe som gjør den ideell for høye strømbelastninger. For aktuatorer med lavere strømforbruk tilbyr vi også LC-80 MegaMoto Plus H-bro for ArduinoBegge H-broen kan brukes med Arduino mikrokontrollere og har PWM-frekvensvurderinger som går opptil 20 kHz for likespenning.
Hvordan redusere DC-motorhyling ved å justere PWM-frekvensen med Arduino?
Hastigheten på en tellers klokke bestemmer utgangssignalets PWM-frekvens. For våre mest populære Arduino Uno, vil systemklokken bli delt på en forskalerverdi for å resultere i tellerens klokke. CS02, CS01 og CS00 er de tre minst signifikante bitene i timer-/tellerregistrene som lagrer forskalerens 3-bitsverdi.
Sett eller fjern disse tre minst signifikante bitene i det relevante TCCRnB-registeret som finnes i void setup()-segmentet i Arduino-koden din. endring av timerforhåndsskalere gjennom koding, PWM-frekvensen kan justeres som vist i denne referansevideoen.
Arduino PWM-veiledning nr. 1 – Slik endrer du PWM-frekvens:
Et gjennomsnittsmenneske vil vanligvis høre lyder mellom 20 Hz og 20 000 Hz.
Frekvens = syklus/tid
1 Hz = 1 syklus/sekund
20 Hz = 1 syklus / (tid)
20 Hz * (tid) = 1 syklus
Tid = 1 syklus / 20 Hz
Tid = 0,05 sekunder
Tid = 50 ms
For en PWM-frekvens på 20 Hz vil én syklus skje over en periode på 50 millisekunder, som vist nedenfor.
Ved frekvenser over 20 kHz blir hver syklus kortere enn et gjennomsnittlig menneskes reaksjonstid, og det vil føre til at folk flest ikke kan høre motorlyd. PWM-frekvensområdet på 16 kHz til 20 kHz vil vanligvis løse de fleste problemer med hyling fra likestrømsmotorer. Dette området kan brukes som et utgangspunkt for testing før man gjør gradvise justeringer for å finjustere PWM-frekvensoptimalisering spesielt for motorens oppførsel og egenskaper.
Frekvens = syklus/tid
20 kHz = 1 syklus / (tid)
20000 Hz * (Tid) = 1 syklus
Tid = 1 syklus / 20000 Hz
Tid = 0,00005 sekunder
Tid = 50 µs
For en PWM-frekvens på 20 kHz vil én syklus skje over en periode på 50 mikrosekunder, som vist nedenfor.
I SAMMENDRAG
Justering av PWM-frekvensen kan bidra til å minimere den uønskede lyden fra motorhyring, men vi må være klar over fordeler og ulemper ved å gjøre det. Det er viktig å finne den passende PWM-frekvensen som har den beste balansen mellom motordriverens effekttap, varmespredning og motorhyring, og som fungerer for deg.
Vi håper du syntes dette var like informativt og interessant som vi gjorde, spesielt hvis du ønsket å vite mer om DC-motorers hyling ved lavere PWM-frekvens. Hvis du har spørsmål eller ønsker å diskutere produktene våre videre, ikke nøl med å kontakte oss! Vi er eksperter på det vi gjør og hjelper deg gjerne på alle måter vi kan.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123