Fornecer sinais PWM ao motor de CC de um atuador é um método comum para ajustar a velocidade de deslocamento; no entanto, em alguns casos isso pode resultar em ruído acústico na forma de zumbido do motor. Em algum momento durante a fase de testes do seu projeto, você pode ter notado que o mesmo motor de CC gera zumbido em intensidades diferentes quando você o conecta a diferentes dispositivos controladores de velocidade. Isso pode ocorrer devido às diferentes frequências PWM configuradas em cada controlador de velocidade ou programa do Arduino. Neste artigo, abordaremos os prós e contras de ajustar a frequência PWM e como ela afeta o zumbido do motor.
Perguntas comuns e frequentes
Abaixo está uma visão geral das perguntas comuns e frequentes que recebemos para ajudar a cobrir brevemente o básico de ciclo de trabalho, PWM e quais mudanças na frequência de PWM têm quais efeitos em motores de CC.
- O que é Ciclo de trabalho?
Ciclo de trabalho é a relação entre o tempo ligado e o tempo desligado, geralmente expressa como porcentagem. Isso significa que, se o seu atuador estende e retrai por 20 segundos e, em seguida, permanece mais 40 segundos em repouso antes de o processo se repetir, o “ciclo de trabalho” seria expresso como 33%. O tempo necessário para um “ciclo completo” neste exemplo será de 60 segundos.
Ciclo de trabalho = Tempo ligado / (Tempo ligado + Tempo desligado)
- O que significa PWM?
A modulação por largura de pulso (PWM) é uma técnica comumente usada na operação de motores, na qual sinais elétricos alternam entre 0% e 100% da tensão de alimentação aplicada ao motor, de forma semelhante ao liga e desliga do ciclo de trabalho. Isso permite controlar o valor médio da tensão aplicada a um motor para ajustar a velocidade do motor. Controlar o ciclo de trabalho permite controlar o valor médio da tensão para ajustar a velocidade do motor.
Ciclo de trabalho * Tensão da fonte = Valor de tensão médio
- O que é a frequência PWM e como ela afeta o desempenho do motor de CC?
A frequência PWM representa a rapidez com que um ciclo PWM é concluído pelo seu dispositivo de controle do motor. Não é incomum que motores de CC apresentem um zumbido quando o controlador de motor utilizado foi configurado com frequências PWM mais baixas.
- É possível eliminar completamente o zumbido do motor, ou é esperado algum nível de ruído?
Isso pode variar, pois os fabricantes geralmente têm alguma tolerância incorporada que causa uma variedade de ruídos e características diferentes do motor. Certos projetos de motores podem ter rotores que resultam em algum zumbido do motor independentemente da frequência PWM usada. Definir a frequência PWM tão alta quanto for viável para motores de CC em boas condições tende a ajudar na redução do zumbido do motor (isso será abordado com mais detalhes adiante).
- Ajustar a frequência PWM para reduzir o zumbido do motor pode ter algum efeito negativo no motor ou no desempenho geral do sistema?
Um aumento na frequência PWM resulta em aumento da perda de potência na ponte H usada com seu microcontrolador Arduino e pode fazer com que a placa controladora do motor superaqueça. Os usuários precisarão de um método para resfriar sua ponte H ou driver de motor para evitar que os componentes sejam danificados.
O que causa zumbido em motores de CC?
Abordaremos o ruído acústico do motor, que é audível ao ouvido humano, e não o ruído elétrico. O circuito equivalente de um motor de CC em funcionamento é visto acima. Devido à força contraeletromotriz (FEM), surgirá uma tensão no sentido oposto ao fluxo de corrente a partir do movimento das bobinas do motor em relação a um campo magnético. Em repouso ou em baixas velocidades, o circuito equivalente de um motor de CC com escovas tem pouca ou nenhuma FEM de retorno e é semelhante ao de um circuito RL de primeira ordem visto abaixo.
O zumbido do motor que ouvimos é causado pela ondulação de torque gerada a partir da ondulação da corrente (i). Também sabemos que a frequência de corte superior de um filtro passa‑baixa RL tem a fórmula vista abaixo:
Frequência de corte = 1 / (2π𝜏)
Onde:
𝜏 = L / R
L = indutância (H)
R = Resistência (Ω)
𝜏 = constante de tempo (segundos)
A frequência PWM teoricamente ideal dependerá da indutância e da resistência de um circuito de motor, mas espera-se que seja maior ou igual a 5 vezes a frequência de corte. Essa faixa mais alta de frequência PWM permitirá que a corrente que percorre o motor de CC atinja 99,3% (próximo de 100%) do valor máximo de corrente para evitar a ondulação de corrente e reduzir o zumbido do motor.
Perda de potência da ponte H e dissipação de calor
Quando um interruptor faz a transição entre ligado e desligado, a tensão e a corrente são diferentes de zero e resultam em potência sendo dissipada pelos interruptores. Uma ponte H tem tensão e corrente presentes enquanto está comutando; portanto, uma frequência de comutação mais alta devido ao aumento da frequência PWM significa mais calor e potência dissipados. Recomenda-se instalar dissipadores de calor ou ventiladores em placas controladoras de motor que ainda não venham com esses dispositivos de resfriamento para evitar danos e garantir o funcionamento adequado.
Nosso Shield Arduino LC-81 MegaMoto GT de ponte H possui um ventilador de resfriamento integrado e dissipadores de calor para reduzir ainda mais o superaquecimento, tornando-o ideal para altas cargas de corrente. Para atuadores com requisitos de consumo de corrente mais baixos, também oferecemos a ponte H LC-80 MegaMoto Plus para Arduino. Ambas as pontes H podem ser usadas com microcontroladores Arduino e têm classificações de frequência PWM que chegam a 20 kHz para tensão CC.
Como reduzir o zumbido de motores de CC ajustando a frequência PWM com Arduino?
A velocidade do clock de um contador determina a frequência PWM do sinal de saída. No nosso Arduino Uno mais popular, o clock do sistema será dividido por um valor de prescaler para resultar no clock do contador. CS02, CS01 e CS00 são os três bits menos significativos dos registradores do temporizador/contador que armazenam o valor de 3 bits do prescaler.
Defina ou limpe esses três bits menos significativos no registrador TCCRnB relevante, localizado no segmento void setup() do seu código Arduino. Ao alterar os prescalers do temporizador por meio de código, a frequência PWM pode ser ajustada, como mostrado neste vídeo de referência.
Tutorial de PWM no Arduino #1 - Como alterar a frequência PWM:
O ser humano médio costuma ouvir sons entre 20 Hz e 20.000 Hz.
Frequência = ciclo/tempo
1 Hz = 1 ciclo/segundo
20 Hz = 1 ciclo / (Tempo)
20 Hz * (Tempo) = 1 ciclo
Tempo = 1 ciclo/ 20 Hz
Tempo = 0,05 segundos
Tempo = 50 ms
Para uma frequência PWM de 20 Hz, um ciclo ocorrerá ao longo de um período de 50 milissegundos, como visto abaixo.
Em frequências acima de 20 kHz, cada ciclo fica mais curto do que o tempo de reação de um ser humano médio e fará com que a maioria das pessoas não consiga ouvir qualquer zumbido do motor. A faixa de frequência PWM de 16 kHz a 20 kHz geralmente resolve a maioria dos problemas de zumbido em motores de CC. Essa faixa pode ser usada como ponto de partida para testes antes de fazer ajustes graduais para ajustar finamente a otimização da frequência PWM especificamente para o comportamento e as características do seu motor.
Frequência = ciclo/tempo
20 kHz = 1 ciclo / (Tempo)
20000 Hz * (Tempo) = 1 ciclo
Tempo = 1 ciclo/ 20000 Hz
Tempo = 0,00005 segundos
Tempo = 50 µs
Para uma frequência PWM de 20 kHz, um ciclo ocorrerá ao longo de um período de 50 microssegundos, como visto abaixo.
EM RESUMO
Ajustar a frequência PWM pode ajudar a minimizar o som indesejado de zumbido do motor; no entanto, precisamos estar cientes dos prós e contras de fazê-lo. É importante encontrar a frequência PWM adequada que tenha o melhor equilíbrio entre perda de potência do driver do motor, dissipação de calor e zumbido do motor, e que funcione para você.
Esperamos que você tenha achado isto tão informativo e interessante quanto nós, especialmente se estava procurando saber mais sobre o zumbido de motores de CC em frequências PWM mais baixas. Se você tiver qualquer dúvida ou quiser discutir mais sobre nossos produtos, não hesite em nos contatar! Somos especialistas no que fazemos e teremos prazer em ajudar no que for possível.
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