Prečo môj jednosmerný motor (DC) píska pri nižšej frekvencii PWM?

Dodávanie signálov PWM do jednosmerného motora aktuátora je bežná metóda na úpravu rýchlosti pohybu, no v niektorých prípadoch môže viesť k akustickému hluku v podobe pískania motora. Počas testovania vášho projektu ste si možno všimli, že ten istý jednosmerný motor môže pri pripojení k rôznym regulátorom rýchlosti generovať pískanie s rôznou hlasitosťou. Dôvodom môžu byť rozdielne frekvencie PWM nastavené v jednotlivých regulátoroch rýchlosti alebo programoch pre Arduino. V tomto článku si prejdeme výhody a nevýhody úpravy frekvencie PWM a to, ako ovplyvňuje pískanie motora.

 

Bežné a často kladené otázky

 

Nižšie nájdete prehľad bežných a často kladených otázok, ktorý stručne pokrýva základy Pracovného cyklu, PWM a to, aké účinky majú zmeny frekvencie PWM na jednosmerné motory.

 

• Čo je Pracovný cyklus?

Pracovný cyklus je pomer času zapnutia k času vypnutia, zvyčajne vyjadrený v percentách. To znamená, že ak sa váš aktuátor 20 sekúnd vysúva a zasúva a potom ďalších 40 sekúnd zostáva v pokoji, kým sa proces zopakuje, „Pracovný cyklus“ bude 33 %. Čas jedného „plného cyklu“ v tomto príklade bude 60 sekúnd.

Pracovný cyklus = Čas zapnutia / (Čas zapnutia + Čas vypnutia)

 

• Čo znamená PWM?

Pulsná šírková modulácia (PWM) je technika bežne používaná pri prevádzke motorov, kde sa elektrické signály prepínajú medzi 0 % a 100 % napájacieho napätia pripojeného na motor, podobne ako zapnuté a vypnuté v Pracovnom cykle. Umožňuje to regulovať priemernú hodnotu napätia privádzaného na motor a tým upravovať rýchlosť motora. Riadením Pracovného cyklu viete ovládať priemernú hodnotu napätia na úpravu rýchlosti motora.

Pracovný cyklus * Napätie zo zdroja = Priemerná hodnota napätia

 

• Čo je frekvencia PWM a ako ovplyvňuje výkon jednosmerných motorov?

Frekvencia PWM predstavuje, ako rýchlo je jeden cyklus PWM dokončený vaším zariadením na riadenie motora. Nie je nezvyčajné, že jednosmerné motory pri nižších nastaveniach frekvencie PWM v použitom regulátore motora vydávajú pískajúci zvuk.

 

• Je možné úplne odstrániť pískanie motora, alebo je určitá úroveň hluku očakávaná?

To sa môže líšiť, keďže výrobcovia zvyčajne počítajú s určitými toleranciami, ktoré spôsobujú škálu rôznych zvukov a vlastností motora. Niektoré konštrukcie motorov môžu mať rotory, ktoré spôsobia určité pískanie bez ohľadu na použitú frekvenciu PWM. Nastavenie frekvencie PWM čo najvyššie, ako je prakticky možné, pri jednosmerných motoroch v dobrom stave má zvyčajne priaznivý vplyv na zníženie pískania motora (tomu sa budeme podrobnejšie venovať neskôr).

 

• Môže mať úprava frekvencie PWM na zníženie pískania negatívny vplyv na motor alebo celkový výkon systému?

Zvýšenie frekvencie PWM vedie k nárastu strát výkonu na H-mostíku použitom s vaším mikrokontrolérom Arduino a môže spôsobiť prehriatie dosky ovládača motora. Na zabránenie poškodeniu komponentov budú používatelia potrebovať spôsob chladenia svojho H-mostíka alebo ovládača motora.

Čo spôsobuje pískanie jednosmerných motorov?

 

Budeme sa venovať akustickému hluku motora, ktorý je počuteľný ľudským uchom, nie elektrickému šumu. Ekvivalentná schéma bežiaceho jednosmerného motora je uvedená vyššie. V dôsledku spätného elektromotorického napätia (EMF) vzniká napätie v smere opačnom k smeru prúdenia prúdu v dôsledku pohybu cievok motora voči magnetickému poľu. V pokoji alebo pri nízkych otáčkach má ekvivalentná schéma komutátorového jednosmerného motora malú alebo žiadnu spätnú EMF a podobá sa RL obvodu prvého rádu zobrazenému nižšie.

 

Pískanie motora, ktoré počujeme, je spôsobené zvlnením momentu, ktoré vzniklo zo zvlnenia prúdu i. Vieme tiež, že horná odrezávacia frekvencia RL dolnopriepustného filtra má nasledujúci vzorec:

Hraničná frekvencia = 1 / (2π𝜏)

 

Kde:

𝜏 = L / R

L = indukčnosť (H)

R = odpor (Ω)

𝜏 = časová konštanta (sekundy)

Teoreticky ideálna frekvencia PWM závisí od indukčnosti a odporu motorového obvodu, pričom sa očakáva, že bude najmenej 5-násobkom odrezávacej frekvencie. Tento vyšší rozsah frekvencie PWM umožní, aby prúd pretekajúci jednosmerným motorom dosiahol 99,3 % (takmer 100 %) maximálnej hodnoty prúdu, čím sa minimalizuje zvlnenie prúdu a zníži pískanie motora.

 

Straty výkonu na H-mostíku a odvod tepla

 

Keď spínač prechádza medzi stavmi zapnuté a vypnuté, napätie aj prúd sú nenulové, čo vedie k rozptylu výkonu na spínačoch. H-mostík má pri prepínaní prítomné napätie aj prúd, preto vyššia spínacia frekvencia v dôsledku zvýšenia frekvencie PWM znamená viac tepla a väčší rozptyl výkonu. Aby ste predišli poškodeniu a zaistili správnu prevádzku, odporúčame na dosky ovládača motora, ktoré tieto chladiace prvky nemajú, nainštalovať chladiče alebo ventilátory.

 

Náš LC-81 MegaMoto GT H-mostík – štít pre Arduino má integrovaný chladiaci ventilátor a chladiče na ďalšie zníženie prehrievania, vďaka čomu je ideálny pre vysoké prúdové zaťaženia. Pre aktuátory s nižšími nárokmi na odber prúdu ponúkame aj LC-80 MegaMoto Plus H-mostík pre Arduino. Obe H-mostíky možno používať s Arduino mikrokontrolérmi a majú menovité frekvencie PWM až do 20 kHz pre jednosmerné napätie.

Ako znížiť pískanie jednosmerného motora úpravou frekvencie PWM pomocou Arduina?

 

Rýchlosť hodinového signálu čítača určuje frekvenciu PWM výstupného signálu. Pri našom najobľúbenejšom Arduino Uno sa systémové hodiny delia hodnotou preddeľovača, čím vzniknú hodiny čítača. CS02, CS01 a CS00 sú tri najmenej významné bity registrov Timer/Counter, ktoré uchovávajú 3-bitovú hodnotu preddeľovača.

Nastavte alebo vynulujte tieto tri najmenej významné bity v príslušnom registri TCCRnB nachádzajúcom sa v segmente void setup() vášho Arduino kódu. Zmenou preddeľovačov časovača kódom možno upraviť frekvenciu PWM, ako je vidieť v tomto referenčnom videu.

Arduino PWM Tutoriál #1 – Ako zmeniť frekvenciu PWM:

 

Priemerný človek zvyčajne počuje zvuky medzi 20 Hz a 20 000 Hz.

Frekvencia = cyklus/čas

1 Hz = 1 cyklus/sekunda

20 Hz = 1 cyklus / (Čas)

20 Hz * (Čas) = 1 cyklus

Čas = 1 cyklus / 20 Hz

Čas = 0,05 sekundy

Čas = 50 ms

Pri frekvencii PWM 20 Hz prebehne jeden cyklus v priebehu 50 milisekúnd, ako je vidieť nižšie.

 

Pri frekvenciách nad 20 kHz je každý cyklus kratší než reakčný čas priemerného človeka, takže väčšina ľudí nebude počuť žiadne pískanie motora. Rozsah frekvencie PWM 16 kHz až 20 kHz vo všeobecnosti vyrieši väčšinu problémov s pískaním jednosmerného motora. Tento rozsah možno použiť ako východiskový bod testovania pred postupnými úpravami na doladenie optimalizácie frekvencie PWM špecificky pre správanie a vlastnosti vášho motora.

Frekvencia = cyklus/čas

20 kHz = 1 cyklus / (Čas)

20000 Hz * (Čas) = 1 cyklus

Čas = 1 cyklus / 20000 Hz

Čas = 0,00005 sekundy

Čas = 50 µs

Pri frekvencii PWM 20 kHz prebehne jeden cyklus v priebehu 50 mikrosekúnd, ako je vidieť nižšie.

 

 

ZHRNUTIE  

Úprava frekvencie PWM môže pomôcť minimalizovať nežiadaný zvuk pískania motora, no musíme si byť vedomí jej výhod a nevýhod. Je dôležité nájsť vhodnú frekvenciu PWM, ktorá ponúkne najlepší kompromis medzi stratami výkonu ovládača motora, odvodom tepla a pískaním motora tak, aby vyhovovala vašim potrebám.

Dúfame, že ste to našli rovnako poučné a zaujímavé ako my, najmä ak ste hľadali viac informácií o pískaní jednosmerných motorov pri nižšej frekvencii PWM. Ak máte akékoľvek otázky alebo chcete podrobnejšie prediskutovať naše produkty, neváhajte nás kontaktovať! Sme odborníci v tom, čo robíme, a radi vám pomôžeme, ako len budeme vedieť.

 

sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123