Pošiljanje signalov PWM enosmernemu motorju aktuatorja je pogosta metoda za prilagajanje hitrosti hoda, vendar lahko v nekaterih primerih povzroči akustični hrup zaradi cviljenja motorja. Med fazo testiranja vašega projekta ste morda opazili, da isti enosmerni motor ob priklopu na različne regulatorje hitrosti proizvaja cviljenje različne glasnosti. To je lahko posledica različnih frekvenc PWM, nastavljenih v posameznem regulatorju hitrosti ali programu Arduino. V tem članku bomo obravnavali prednosti in slabosti prilagajanja frekvence PWM ter kako to vpliva na cviljenje motorja.
Pogosta vprašanja
Spodaj je pregled pogostih vprašanj, s katerimi na kratko pokrijemo osnove, kot so delovni cikel, PWM in kako spremembe frekvence PWM vplivajo na enosmerne motorje.
- Kaj je delovni cikel?
Delovni cikel je razmerje med časom vklopa in časom izklopa, običajno izraženo v odstotkih. To pomeni, da če se vaš aktuator 20 sekund izteguje in vrača, nato pa je naslednjih 40 sekund v mirovanju, preden se postopek ponovi, bi bil »delovni cikel« 33 %. Čas, potreben za en »poln cikel«, v tem primeru znaša 60 sekund.
Delovni cikel = Čas vklopa / (Čas vklopa + Čas izklopa)
- Kaj pomeni PWM?
Pulzno-širinska modulacija (PWM) je tehnika, ki se pogosto uporablja pri delovanju motorjev, kjer se električni signali preklapljajo med 0 % in 100 % napajalne napetosti, ki se dovaja motorju, podobno kot vklop in izklop pri delovnem ciklu. To omogoča nadzor povprečne vrednosti napetosti, ki se dovaja motorju, za prilagoditev hitrosti motorja. Z nadzorom delovnega cikla lahko nadzorujemo povprečno napetost in tako prilagodimo hitrost motorja.
Delovni cikel * Napetost vira = Povprečna napetost
- Kaj je frekvenca PWM in kako vpliva na delovanje enosmernih motorjev?
Frekvenca PWM predstavlja, kako hitro vaš krmilnik motorja zaključi en cikel PWM. Ni nenavadno, da enosmerni motorji oddajajo cvileč zvok, kadar je uporabljeni krmilnik nastavljen na nižje frekvence PWM.
- Ali je mogoče cviljenje motorja popolnoma odpraviti ali je določena stopnja hrupa pričakovana?
To se lahko razlikuje, saj proizvajalci običajno dopuščajo določene tolerance, ki povzročijo razpon različnih zvokov in lastnosti motorja. Določene zasnove motorjev imajo rotorje, ki povzročajo nekaj cviljenja ne glede na uporabljeno frekvenco PWM. Nastavitev frekvence PWM čim višje, kolikor je praktično, pri dobro delujočih enosmernih motorjih običajno pomaga zmanjšati cviljenje motorja (to bomo podrobneje obravnavali pozneje).
- Ali ima lahko prilagajanje frekvence PWM za zmanjšanje cviljenja motorja negativne učinke na motor ali celotno delovanje sistema?
Povečanje frekvence PWM povzroči večje izgube moči na H-mostu, ki ga uporabljate z vašim mikrokrmilnikom Arduino, in lahko povzroči pregrevanje krmilne plošče motorja. Uporabniki bodo potrebovali način hlajenja svojega H-mostu ali gonilnika motorja, da preprečijo poškodbe komponent.
Kaj povzroča cviljenje enosmernih motorjev?
Obravnavali bomo akustični hrup motorja, ki je slišen človeškemu ušesu, ne pa električnega šuma. Ekvivalentno vezje delujočega enosmernega motorja je prikazano zgoraj. Zaradi povratne elektromotorne sile (EMF) nastane napetost v nasprotni smeri toka, ker se navitja motorja gibljejo relativno glede na magnetno polje. V mirovanju ali pri nizkih hitrostih ima ekvivalentno vezje krtačnega enosmernega motorja malo ali nič povratne EMF in je podobno vezju RL prvega reda, prikazanemu spodaj.
Cviljenje motorja, ki ga slišimo, povzroča navorno valovanje, nastalo zaradi valovanja toka (i). Vemo tudi, da ima zgornja mejna frekvenca za RL nizkopasovni filter naslednjo enačbo:
Mejna frekvenca = 1 / (2π𝜏)
Kjer:
𝜏 = L / R
L = induktivnost (H)
R = upor (Ω)
𝜏 = časovna konstanta (sekunde)
Teoretično idealna frekvenca PWM je odvisna od induktivnosti in upornosti motornega tokokroga, vendar naj bo večja ali enaka petkratniku mejne frekvence. Ta višji razpon frekvenc PWM omogoča, da tok, ki teče skozi enosmerni motor, doseže 99,3 % (skoraj 100 %) največje vrednosti toka, da se izognemo valovanju toka in zmanjšamo cviljenje motorja.
Izgube moči H-mostu in odvajanje toplote
Ko stikalo prehaja med vklopom in izklopom, sta napetost in tok neničelna, zato se na stikalih disipira moč. Ker sta v H-mostu med preklapljanjem prisotni tako napetost kot tok, višja preklopna frekvenca zaradi povečane frekvence PWM pomeni več toplote in več disipirane moči. Na krmilne plošče motorjev, ki teh hladilnih naprav nimajo že vgrajenih, priporočamo namestitev hladilnih reber ali ventilatorjev, da se izognete poškodbam in zagotovite pravilno delovanje.
Naš LC-81 MegaMoto GT H-most Arduino Shield ima vgrajen hladilni ventilator in hladilna rebra, kar dodatno zmanjšuje pregrevanje, zato je idealen za visoke tokovne obremenitve. Za aktuatorje z nižjimi tokovnimi zahtevami ponujamo tudi LC-80 MegaMoto Plus H-most za Arduino. Oba H-mostu lahko uporabljamo z Arduino mikrokrmilniki in imata nazivno frekvenco PWM do 20 kHz za enosmerno napetost.
Kako zmanjšati cviljenje enosmernega motorja z nastavitvijo frekvence PWM z Arduinom?
Hitrost takta števca določa frekvenco PWM izhodnega signala. Pri našem najbolj priljubljenem Arduino Uno se sistemska ura deli z vrednostjo delilnika (prescaler), kar določi takt števca. CS02, CS01 in CS00 so trije najmanj pomembni biti registrov Timer/Counter, ki shranjujejo 3-bitno vrednost delilnika.
Nastavite ali počistite te tri najmanj pomembne bite v ustreznem registru TCCRnB, ki se nahaja v segmentu void setup() vaše kode Arduino. S spreminjanjem delilnikov časovnika s kodo lahko frekvenco PWM prilagodite, kot je prikazano v tem referenčnem videu.
Arduino PWM Tutorial #1 – Kako spremeniti frekvenco PWM:
Povprečen človek običajno sliši zvoke med 20 Hz in 20.000 Hz.
Frekvenca = cikel/čas
1 Hz = 1 cikel/sekundo
20 Hz = 1 cikel / (Čas)
20 Hz * (Čas) = 1 cikel
Čas = 1 cikel / 20 Hz
Čas = 0,05 sekunde
Čas = 50 ms
Pri frekvenci PWM 20 Hz se en cikel zgodi v obdobju 50 milisekund, kot je prikazano spodaj.
Pri frekvencah nad 20 kHz je vsak cikel krajši od časa reakcije povprečnega človeka, zato večina ljudi ne bo slišala cviljenja motorja. Frekvenčni razpon PWM med 16 kHz in 20 kHz bo na splošno odpravil večino težav s cviljenjem enosmernih motorjev. Ta razpon lahko uporabite kot izhodišče za testiranje, preden postopno prilagajate nastavitve za optimizacijo frekvence PWM glede na vedenje in lastnosti vašega motorja.
Frekvenca = cikel/čas
20 kHz = 1 cikel / (Čas)
20000 Hz * (Čas) = 1 cikel
Čas = 1 cikel / 20000 Hz
Čas = 0,00005 sekunde
Čas = 50 µs
Pri frekvenci PWM 20 kHz se en cikel zgodi v obdobju 50 mikrosekund, kot je prikazano spodaj.
POVZETEK
Prilagajanje frekvence PWM lahko pomaga zmanjšati neželeno cviljenje motorja, vendar se moramo zavedati prednosti in slabosti takšnega pristopa. Pomembno je najti ustrezno frekvenco PWM, ki ponuja najboljše ravnovesje med izgubami moči gonilnika motorja, odvajanjem toplote in cviljenjem motorja – tako, da ustreza vašim potrebam.
Upamo, da ste vsebino ocenili kot informativno in zanimivo, še posebej, če ste želeli izvedeti več o cviljenju enosmernih motorjev pri nižjih frekvencah PWM. Če imate kakršna koli vprašanja ali želite podrobneje razpravljati o naših izdelkih, nas prosimo brez oklevanja kontaktirajte! Smo strokovnjaki na svojem področju in z veseljem pomagamo na vsak način, ki ga lahko.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123