Att mata en ställdons likströmsmotor med PWM-signaler är en vanlig metod för att justera rörelsehastigheten. I vissa fall kan det dock uppstå akustiskt brus genom motorns vinande ljud. Någon gång under testfasen av ditt projekt kanske du har märkt att din likströmsmotor genererar motorns vinande ljud med varierande styrka när du ansluter den till olika hastighetsregulatorer. Detta kan bero på de olika PWM-frekvenserna som ställts in i varje hastighetsregulator eller Arduino-program. I den här artikeln kommer vi att gå igenom för- och nackdelarna med att justera PWM-frekvensen och hur det påverkar motorns vinande.
Vanliga och ofta ställda frågor
Nedan följer en översikt över vanliga frågor vi får för att kortfattat täcka grunderna i duty cycle, PWM, och vilka förändringar i PWM-frekvensen har vilka effekter på likströmsmotorer.
- Vad är arbetscykel?
Driftscykel är förhållandet mellan på- och av-tid, vanligtvis uttryckt som en procentandel. Det betyder att om ditt ställdon förlängs och dras in i 20 sekunder och sedan tillbringar ytterligare 40 sekunder i vila innan processen upprepas, skulle "arbetscykeln" uttryckas som 33 %. Tiden det tar för en "full cykel" i detta exempel blir 60 sekunder.
Driftcykel = På-tid / (På-tid + Av-tid)
- Vad betyder PWM?
Pulsbreddsmodulering (PWM) är en teknik som vanligtvis används vid motordrift där elektriska signaler växlar mellan 0 % och 100 % av matningsspänningen som appliceras på motorn, ungefär som att slå på och av från en arbetscykel. Detta möjliggör möjligheten att styra medelvärdet av den spänning som appliceras på en motor för att justera motorhastigheten. Att styra arbetscykeln möjliggör möjligheten att styra medelspänningsvärdet för att justera motorhastigheten.
Driftscykel * Spänning från källa = Genomsnittligt spänningsvärde
- Vad är PWM-frekvens och hur påverkar den en likströmsmotors prestanda?
PWM-frekvensen representerar hur snabbt en PWM-cykel slutförs av din motorstyrenhet. Det är inte ovanligt att likströmsmotorer upplever ett vinande ljud när motorstyrenheten som användes var inställd på lägre PWM-frekvenser.
- Är det möjligt att helt eliminera motorljudet, eller kan man förvänta sig ett visst ljud?
Detta kan variera eftersom tillverkare vanligtvis har en viss inbyggd tolerans som orsakar en rad olika motorljud och egenskaper. Vissa motorkonstruktioner kan ha rotorer som resulterar i ett visst motorljud oavsett vilken PWM-frekvens som användes. Att ställa in PWM-frekvensen så högt som praktiskt möjligt för likströmsmotorer som var i gott skick tenderar att bidra till att minska motorljudet (detta kommer att behandlas mer i detalj senare).
- Kan justering av PWM-frekvensen för att minska motorns gnällljud ha några negativa effekter på motorn eller systemets övergripande prestanda?
En ökning av PWM-frekvensen resulterar i en ökning av effektförlusten på H-bryggan som används med din Arduino mikrokontroller och kan orsaka att motordrivkortet överhettas. Användare behöver en metod för att kyla ner sin H-brygga eller motordrivare för att förhindra att komponenterna skadas.
Vad orsakar att likströmsmotorer gnäller?
Vi kommer att behandla motorns akustiska brus, vilket är hörbart för det mänskliga örat och inte elektriskt brus. Ekvivalentkretsen för en likströmsmotor som går visas ovan. På grund av motelektromotorisk kraft (EMF) kommer spänning i motsatt riktning mot strömflödet att uppstå på grund av att motorns spolar rör sig i förhållande till ett magnetfält. I vila eller låga hastigheter har den borstade likströmsmotorns ekvivalenta krets liten eller ingen motelektromotorisk kraft och liknar en första ordningens RL-krets som visas nedan.
Motorns vinande ljud vi hör orsakas av momentrippeln som genererades från strömrippeln (i). Vi vet också att den övre gränsfrekvensen för ett RL-lågpassfilter har formeln nedan:
Frekvensgräns = 1 / (2π𝜏)
Där:
𝜏 = V / H
L = induktans (H)
R = Resistans (Ω)
𝜏 = tidskonstant (sekunder)
Den teoretiskt ideala PWM-frekvensen beror på induktansen och resistansen i en motorkrets, men förväntas vara större än eller lika med 5 gånger gränsfrekvensen. Detta högre PWM-frekvensområde gör att strömmen genom likströmsmotorn når 99,3 % (nära 100 %) av det maximala strömvärdet för att undvika strömrippel och minska motorns gnäll.
H-bryggans effektförlust och värmeavledning
När en brytare växlar mellan på och av är spänning och ström inte noll, vilket resulterar i att brytarna förbrukar effekt. En H-brygga har både spänning och ström närvarande när de växlar, så en högre switchfrekvens från ökande PWM-frekvens innebär att mer värme och effekt förbrukas. Det rekommenderas att installera kylflänsar eller fläktar på motordrivkort som inte redan medföljer dessa kylenheter för att undvika skador och säkerställa korrekt drift.
Vår LC-81 MegaMoto GT H-brygga Arduino-sköld har en inbyggd kylfläkt och kylflänsar för att ytterligare minska överhettning, vilket gör den idealisk för höga strömbelastningar. För ställdon med lägre strömförbrukningskrav erbjuder vi även LC-80 MegaMoto Plus H-brygga för ArduinoBåda H-bryggan kan användas med Arduino mikrokontroller och har PWM-frekvensklassningar som går upp till 20 kHz för likspänning.
Hur man minskar DC-motorns gnäll genom att justera PWM-frekvensen med Arduino?
Hastigheten på en räknares klocka bestämmer utsignalens PWM-frekvens. För våra mest populära Arduino Uno, kommer systemklockan att divideras med ett förskalarvärde för att resultera i räknarens klocka. CS02, CS01 och CS00 är de tre minst signifikanta bitarna i timer-/räknarregistren som lagrar förskalarens 3-bitarsvärde.
Ställ in eller rensa dessa tre minst signifikanta bitar i det relevanta TCCRnB-registret som finns i void setup()-segmentet i din Arduino-kod. ändra timerförskalare genom kodning, PWM-frekvensen kan justeras som visas i den här referensvideon.
Arduino PWM-handledning #1 - Hur man ändrar PWM-frekvens:
Den genomsnittliga människan hör vanligtvis ljud mellan 20 Hz och 20 000 Hz.
Frekvens = cykel/tid
1 Hz = 1 cykel/sekund
20 Hz = 1 cykel / (tid)
20 Hz * (Tid) = 1 cykel
Tid = 1 cykel/20 Hz
Tid = 0,05 sekunder
Tid = 50 ms
För en PWM-frekvens på 20 Hz kommer en cykel att ske under en period av 50 millisekunder som visas nedan.
Vid frekvenser över 20 kHz blir varje cykel kortare än en genomsnittlig människas reaktionstid och det resulterar i att de flesta individer inte kan höra något motorljud. PWM-frekvensområdet på 16 kHz till 20 kHz löser generellt de flesta problem med likströmsmotorljud. Detta område kan användas som utgångspunkt för testning innan man gör gradvisa justeringar för att finjustera PWM-frekvensoptimeringen specifikt för ditt motorbeteende och dina egenskaper.
Frekvens = cykel/tid
20 kHz = 1 cykel / (tid)
20000 Hz * (Tid) = 1 cykel
Tid = 1 cykel/20000 Hz
Tid = 0,00005 sekunder
Tid = 50 µs
För en PWM-frekvens på 20 kHz kommer en cykel att ske under en period av 50 mikrosekunder som visas nedan.
I SAMMANFATTNING
Att justera PWM-frekvensen kan bidra till att minimera det oönskade ljudet från motorns gnällande, men vi måste vara medvetna om för- och nackdelarna med att göra det. Det är viktigt att hitta den lämpliga PWM-frekvensen som har den bästa balansen mellan motordrivarens effektförlust, värmeavledning och motorns gnällande, vilket fungerar för dig.
Vi hoppas att du tyckte att detta var lika informativt och intressant som vi gjorde, särskilt om du ville veta mer om DC-motorers vibration vid lägre PWM-frekvens. Om du har några frågor eller vill diskutera våra produkter ytterligare, tveka inte att kontakta oss! Vi är experter på det vi gör och hjälper dig gärna på alla sätt vi kan.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123