Podawanie sygnałów PWM na silnik prądu stałego w siłowniku to powszechny sposób regulacji prędkości ruchu, jednak w niektórych przypadkach może powodować hałas akustyczny w postaci piszczenia silnika. Podczas testów projektu mogłeś zauważyć, że ten sam silnik prądu stałego piszczy z różną głośnością, gdy podłączasz go do różnych sterowników prędkości. Może to wynikać z różnych częstotliwości PWM ustawionych w każdym sterowniku lub programie Arduino. W tym artykule omówimy wady i zalety zmiany częstotliwości PWM oraz jej wpływ na piszczenie silnika.
Najczęstsze pytania
Poniżej przedstawiamy przegląd najczęściej zadawanych pytań, aby krótko omówić podstawy cyklu pracy, PWM oraz to, jak zmiany częstotliwości PWM wpływają na silniki prądu stałego.
- Czym jest Cykl pracy?
Cykl pracy to stosunek czasu włączenia do czasu wyłączenia, zwykle wyrażany w procentach. Oznacza to, że jeśli Twój siłownik wysuwa się i chowa przez 20 sekund, a następnie przez kolejne 40 sekund pozostaje w spoczynku zanim proces się powtórzy, „cykl pracy” wynosiłby 33%. Czas jednego „pełnego cyklu” w tym przykładzie to 60 sekund.
Cykl pracy = Czas włączenia / (Czas włączenia + Czas wyłączenia)
- Co oznacza PWM?
Modulacja szerokości impulsu (PWM) to technika powszechnie stosowana w pracy silników, w której sygnały elektryczne przełączają się między 0% a 100% napięcia zasilania podawanego na silnik, podobnie jak włączanie i wyłączanie w cyklu pracy. Pozwala to sterować średnią wartością napięcia podawanego na silnik, aby regulować prędkość silnika. Sterując cyklem pracy, kontrolujemy wartość średnią napięcia, a tym samym prędkość silnika.
Cykl pracy * Napięcie ze źródła = Średnia wartość napięcia
- Czym jest częstotliwość PWM i jak wpływa na pracę silnika prądu stałego?
Częstotliwość PWM określa, jak szybko urządzenie sterujące silnikiem realizuje cykl PWM. Często zdarza się, że silniki prądu stałego wydają pisk, gdy sterownik jest ustawiony na niższe częstotliwości PWM.
- Czy da się całkowicie wyeliminować pisk silnika, czy pewien poziom hałasu jest nieunikniony?
To bywa różne, bo producenci dopuszczają tolerancje, które powodują rozbieżności w hałasie i charakterystyce silników. Niektóre konstrukcje wirników mogą powodować pisk niezależnie od użytej częstotliwości PWM. Ustawienie częstotliwości PWM tak wysokiej, jak to praktycznie możliwe, w sprawnych silnikach prądu stałego zwykle pomaga ograniczyć piszczenie (omówimy to szerzej poniżej).
- Czy regulacja częstotliwości PWM w celu zmniejszenia piszczenia może mieć negatywny wpływ na silnik lub wydajność całego układu?
Zwiększenie częstotliwości PWM powoduje wzrost strat mocy na mostku H używanym z mikrokontrolerem Arduino i może doprowadzić do przegrzewania płytki sterownika silnika. Konieczne będzie zapewnienie chłodzenia mostka H lub sterownika silnika, aby zapobiec uszkodzeniom.
Skąd bierze się pisk silników prądu stałego?
Skupiamy się na hałasie akustycznym silnika, słyszalnym dla ludzkiego ucha, a nie na zakłóceniach elektrycznych. Równoważny obwód pracującego silnika prądu stałego przedstawiono powyżej. Z powodu siły przeciwelektromotorycznej (SEM) w wyniku ruchu cewek silnika względem pola magnetycznego powstaje napięcie skierowane przeciwnie do kierunku przepływu prądu. W spoczynku lub przy niskich prędkościach obwód równoważny szczotkowego silnika prądu stałego ma niewielką lub żadną SEM i przypomina obwód RL pierwszego rzędu pokazany poniżej.
Hałas piszczenia silnika powodują tętnienia momentu obrotowego, powstałe na skutek tętnień prądu (i). Wiemy też, że górna częstotliwość graniczna filtru dolnoprzepustowego RL opisana jest wzorem poniżej:
Częstotliwość graniczna = 1 / (2π𝜏)
Gdzie:
𝜏 = L / R
L = indukcyjność (H)
R = rezystancja (Ω)
𝜏 = stała czasowa (sekundy)
Teoretycznie optymalna częstotliwość PWM zależy od indukcyjności i rezystancji obwodu silnika, ale zwykle powinna być co najmniej 5-krotnie wyższa od częstotliwości granicznej. Taki wyższy zakres częstotliwości PWM pozwala, by prąd płynący przez silnik prądu stałego osiągał 99,3% (blisko 100%) wartości maksymalnej, co ogranicza tętnienia prądu i redukuje pisk silnika.
Straty mocy i odprowadzanie ciepła w mostku H
Podczas przejścia przełącznika między stanami włącz/wyłącz napięcie i prąd są niezerowe, co powoduje wydzielanie mocy na elementach przełączających. W mostku H jednocześnie występują napięcie i prąd podczas przełączania, więc zwiększenie częstotliwości przełączania (wyższa częstotliwość PWM) oznacza więcej ciepła i większe straty mocy. Aby uniknąć uszkodzeń i zapewnić prawidłową pracę, zaleca się montaż radiatorów lub wentylatorów na płytkach sterowników silników, jeśli nie są one fabrycznie wyposażone w takie chłodzenie.
Nasza LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield ma wbudowany wentylator i radiatory, co dodatkowo ogranicza przegrzewanie, dzięki czemu idealnie nadaje się do dużych obciążeń prądowych. Do siłowników o mniejszym poborze prądu oferujemy także LC-80 MegaMoto Plus H-bridge dla Arduino. Oba mostki H można używać z Arduino i mają parametry częstotliwości PWM sięgające 20 kHz dla napięcia stałego.
Jak zmniejszyć pisk silnika prądu stałego, regulując częstotliwość PWM w Arduino?
Częstotliwość PWM sygnału wyjściowego zależy od szybkości zegara licznika. W naszym najpopularniejszym Arduino Uno zegar systemowy jest dzielony przez wartość preskalera, co daje zegar licznika. CS02, CS01 i CS00 to trzy najmniej znaczące bity rejestrów Timer/Counter, w których zapisywana jest 3‑bitowa wartość preskalera.
Ustaw lub wyzeruj te trzy najmniej znaczące bity w odpowiednim rejestrze TCCRnB w sekcji void setup() Twojego kodu Arduino. Modyfikując preskalery timerów w kodzie, można dostroić częstotliwość PWM – pokazuje to wideo referencyjne.
Arduino PWM Tutorial #1 - How to Change PWM Frequency:
Przeciętny człowiek zwykle słyszy dźwięki w zakresie od 20 Hz do 20 000 Hz.
Częstotliwość = cykl/czas
1 Hz = 1 cykl/sekunda
20 Hz = 1 cykl / (czas)
20 Hz * (czas) = 1 cykl
czas = 1 cykl/ 20 Hz
czas = 0,05 sekundy
czas = 50 ms
Przy częstotliwości PWM 20 Hz jeden cykl zajmuje 50 milisekund, jak pokazano poniżej.
Powyżej 20 kHz każdy cykl staje się krótszy niż przeciętny czas reakcji człowieka, przez co większość osób nie będzie słyszeć piszczenia silnika. Zakres częstotliwości PWM 16–20 kHz zazwyczaj rozwiązuje większość problemów z piszczeniem silników prądu stałego. Ten zakres może posłużyć jako punkt wyjścia do testów, po czym warto stopniowo dostrajać częstotliwość PWM, aby zoptymalizować ją pod zachowanie i charakterystykę konkretnego silnika.
Częstotliwość = cykl/czas
20 kHz = 1 cykl / (czas)
20000 Hz * (czas) = 1 cykl
czas = 1 cykl/ 20000 Hz
czas = 0,00005 sekundy
czas = 50 µs
Przy częstotliwości PWM 20 kHz jeden cykl zajmuje 50 mikrosekund, jak pokazano poniżej.
PODSUMOWANIE
Dostosowanie częstotliwości PWM może pomóc zminimalizować niepożądany pisk silnika, jednak należy pamiętać o zaletach i wadach takiego działania. Ważne jest znalezienie częstotliwości PWM, która zapewni najlepszy kompromis między stratami mocy sterownika, odprowadzaniem ciepła i poziomem piszczenia – odpowiedni dla Ciebie.
Mamy nadzieję, że artykuł był dla Ciebie tak samo ciekawy i wartościowy jak dla nas, zwłaszcza jeśli szukałeś informacji o piszczeniu silnika prądu stałego przy niższych częstotliwościach PWM. Jeśli masz pytania lub chcesz porozmawiać o naszych produktach, skontaktuj się z nami! Jesteśmy ekspertami w swojej dziedzinie i chętnie pomożemy.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123