क्या डीसी ब्रश मोटर्स के लिए एक आदर्श PWM आवृत्ति है?

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मैं मोटर नियंत्रण के लिए PWM सिग्नल बनाने के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करूंगा। मैं समझता हूं कि PWM और कर्तव्य चक्र कैसे काम करता है, हालांकि मैं एक आदर्श आवृत्ति के बारे में अनिश्चित हूं। मेरे पास अभी तक मेरी मोटर नहीं है, इसलिए मैं बस इसका परीक्षण कर सकता हूं और पता लगा सकता हूं।

मैं अलग-अलग वोल्टेज नहीं करूंगा, बस एक दिए गए वोल्टेज को प्राप्त करता है। तो क्या मैं एक रैखिक प्रतिक्रिया मान सकता हूं? 10% शुल्क और 24 V आपूर्ति पर यह 15 RPM की गति से चलेगा?

अगर इससे कोई फर्क पड़ता है, तो मैं सेटअप शामिल करूंगा। मैं 24 वी को सीधे एक एच-पुल पर चला रहा हूं जो मोटर को नियंत्रित करता है। जाहिर है कि मेरे पास दो PWM पिन हैं जो MCU से दो MOSFETS को सक्षम करते हैं।

संपादित करें: क्षमा करें, लिंक काम नहीं करता है। मुझे लगता है कि काम पर फ़ायरवॉल imgur पसंद नहीं है। चित्र में RPM बनाम वोल्टेज का ग्राफ दर्शाया गया है। यह 50 RPM @ 8 V से 150 RPM @ 24 V तक रैखिक है।

— नते सैन
स्रोत

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संक्षेप में:

आपके पास pwm सिग्नल लगाने से 'गति' का रैखिक नियंत्रण होता है, अब उस सिग्नल की आवृत्ति काफी अधिक होनी चाहिए ताकि आपका DC मोटर केवल PWM सिग्नल के DC घटक को पास करे, जो कि औसत है। मोटर को कम पास के फिल्टर के रूप में सोचें। यदि आप ट्रांसफर फ़ंक्शन या रिलेशनशिप कोणीय गति को वोल्टेज के लिए देखते हैं, तो यह आपके पास है:

\frac{ω (रों)}{वी (रों)} = \frac{कश्मीर}{τ रों + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$ यह DC मोटर का पहला ऑर्डर मॉडल है या कटऑफ फ्रीक्वेंसी साथ बस एक कम पास फिल्टर है

च_{सी} = \frac{1}{2 π τ}

$f_c=\frac{1}{2\pi\tau}$

जहां मोटर का समय स्थिर है। तो जब तक आपकी आवृत्ति कटऑफ से परे होती है, तब तक आपकी मोटर केवल डीसी भाग या पीडब्लूएम सिग्नल के औसत को देखती है और आपके पास पीडब्लूएम ड्यूटी सिलिंडर के साथ गति में गति होगी। बेशक, कुछ ट्रेडऑफ़ हैं जिन पर आपको विचार करना चाहिए यदि आप उच्च आवृत्ति के साथ जाते हैं ... $\tau$

लम्बी कहानी:

सैद्धांतिक रूप से, आपको 'सही' पीडब्लूएम आवृत्ति चुनने के लिए मोटर के समय को लगातार जानना होगा। जैसा कि आप शायद जानते हैं, मोटर को लगभग 100% तक पहुंचने में लगने वाला समय इसका अंतिम मूल्य

{टी}_{च मैं n ए एल} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

आपकी पीडब्लूएम आवृत्ति इतनी अधिक होनी चाहिए कि मोटर (अनिवार्य रूप से एक कम पास फिल्टर) आपके इनपुट वोल्टेज को बाहर कर दे, जो एक चौकोर तरंग है। उदाहरण के लिए, मान लें कि आपके पास एक मोटर है जिसमें निरंतर । मैं कई PWM अवधियों में अपनी प्रतिक्रिया का अनुकरण करने के लिए पहले ऑर्डर मॉडल का उपयोग करने जा रहा हूं। यह DC मोटर मॉडल है: $\tau=10ms$

\frac{ω (रों)}{वी (रों)} = \frac{कश्मीर}{10^{- 3} रों + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{10^{-3} s+1}$

आइए सरलता के लिए दें । $k=1$

लेकिन इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि प्रतिक्रियाएँ हम देख रहे हैं। इस पहले उदाहरण के लिए, PWM की अवधि और कर्तव्य चक्र 50% है। यहाँ मोटर से प्रतिक्रिया है: $3\tau$

पीला ग्राफ PWM सिग्नल (50% ड्यूटी चक्र और अवधि ) है और बैंगनी मोटर की गति है। जैसा कि आप देख सकते हैं, मोटर की गति व्यापक रूप से घूमती है क्योंकि पीडब्लूएम की आवृत्ति पर्याप्त रूप से अधिक नहीं है। $3\tau=30ms$

अब चलो PWM आवृत्ति बढ़ाते हैं। PWM की अवधि अब और कर्तव्य चक्र अभी भी 50% है। $0.1\tau=1ms$

जैसा कि आप देख सकते हैं, अब गति बहुत अधिक स्थिर है क्योंकि pwm सिग्नल के उच्च आवृत्तियों घटकों को फ़िल्टर किया जा रहा है। अंत में, मैं एक आवृत्ति जो कम से कम । $f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

यह पीडब्लूएम आवृत्ति का चयन करने के तरीके पर सिर्फ एक बहुत ही सैद्धांतिक व्याख्या है। आशा करता हूँ की ये काम करेगा!

— Big6
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अच्छा उत्तर। आप स्पष्ट कर सकते हैं कि " यह समय मोटर को लगभग 100% अपने अंतिम मूल्य तक पहुंचने में ले जाता है " यह कहने में आपका मतलब है कि अंतिम या पूर्ण वर्तमान मूल्य। पाठक इसे 100% गति के साथ भ्रमित कर सकते हैं या कौन जानता है-क्या?

— ट्रांजिस्टर

यह बहुत जानकारीपूर्ण था! मैं ईई नहीं हूं, इसलिए मैं इसमें बहुत शिक्षित नहीं हूं। मैं संभवतः तब तक अलग-अलग आवृत्तियों की कोशिश करूंगा जब तक मुझे एक प्रतिक्रिया नहीं मिल जाती है कि मुझे उस स्पेक्ट्रम के बारे में पसंद है जिसे मुझे संचालित करने की आवश्यकता है। हालांकि, मैं उस सेटअप को करते समय इसे ध्यान में रखूंगा! । हालांकि मेरे पास भी एक प्रश्न है। आपने कहा कि ये संख्याएँ बहुत ही सैद्धांतिक थीं, लेकिन क्या आप अपेक्षित समय की एक बॉल पार्क दे सकते हैं? यह एक 24 वी डीसी मोटर है जो सबसे अधिक 300 एमए पर खींचती है।

— नैट सैन

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@NateSan धन्यवाद! उत्तर में से एक के रूप में, जो वास्तव में अच्छे हैं, आप जो सबसे अच्छा कर सकते हैं वह उदाहरण के लिए 2KHz की तरह KHz रेंज में आवृत्तियों के साथ शुरू होता है। दी गई जानकारी के आधार पर निरंतर समय का अनुमान लगाने का कोई तरीका नहीं है या कम से कम मुझे नहीं पता है। आप इसे प्रयोगात्मक रूप से पा सकते हैं, लेकिन जब तक आप जो चाहते हैं, उसके करीब पहुंचने तक आप अलग-अलग आवृत्तियों की कोशिश कर रहे हैं।

— बिग 6

प्रस्तुत तथ्य निष्कर्ष का समर्थन नहीं करते हैं: दोनों ग्राफ़ में औसतन 0.5 है। मुझे लगता है कि यह वास्तविकता को दर्शाता है, रैखिकता PWM आवृत्ति पर निर्भर नहीं करता है। केवल समझौता किया जाना वर्तमान / टॉर्क रिपल और निचले पक्ष पर शोर है, और एड़ी वर्तमान और उच्च पक्ष पर नुकसान स्विच करना है।

— एलन

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@PageDavid यह एक क्षण हो गया है क्योंकि मैंने ऐसा किया है, लेकिन आप इस प्रयोगात्मक को मोटर में एक इनपुट वोल्टेज लगाकर माप सकते हैं और यह देख सकते हैं कि कोणीय गति के लिए इसे अंतिम मूल्य तक पहुंचने में कितना समय लगता है। आपको कुछ समय के लिए इसे अलग करना होगा और एवीजी को ढूंढना होगा (हालांकि यह माप से माप के काफी करीब होना चाहिए)। इसके लिए आपको सही उपकरण चाहिए, जैसे टैकोमीटर / अन्य उपकरण। हो सकता है कि यह लिंक मदद करेगा: mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf या Google "ढूँढें डीसी मोटर समय स्थिर" -यह इंट्रो नियंत्रण पाठ्यक्रम में सबसे आम प्रयोगों में से एक है।

— बिग 6

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आपकी मोटर की संभावना कम हो जाती है, क्योंकि 150 आरपीएम प्रति सेकंड केवल 2.5 क्रांतियां होती हैं। 50 आरपीएम पर, आपकी मोटर को एक क्रांति करने के लिए एक सेकंड से अधिक की आवश्यकता होगी।

यह कहा गया है कि, आपके h- ब्रिज में स्विच बहुत अधिक शक्ति को नष्ट नहीं करते हैं जब वे चालू होते हैं (अनिवार्य रूप से शून्य वोल्ट) या जब वे बंद होते हैं (शून्य वर्तमान)। जब वे स्विच करते हैं तो उनके पास केवल वोल्टेज और वर्तमान दोनों होते हैं, इसलिए उच्चतर स्विचिंग आवृत्ति का मतलब आपके FET में अधिक गर्मी है।

5-20 KHz रेंज में रहें और आप शायद सुरक्षित रहेंगे। यदि आप बहुत कम जाते हैं, तो मोटर चालू तरंग (और टोक़ तरंग) ध्यान देने योग्य हो सकती है, लेकिन आप इसके लिए प्रयोग कर सकते हैं। बहुत अधिक है और आप अपने स्विच को गर्म करेंगे। आप श्रव्य सीमा से बाहर निकलने के लिए उच्च अंत की ओर भी जाना चाह सकते हैं।

— जॉन बिर्कहेड
स्रोत

यह एक क्रमिक वृत्तों में सिकुड़नेवाला पंप के लिए एक मोटर है, मैं गियरिंग के बारे में निश्चित नहीं हूं। तो आप कह रहे हैं कि अगर मैंने 20KHz पर PWM चलाया तो मैं RPM में एक निकट रैखिक परिवर्तन (जो मेरे लिए पंप प्रवाह दर का अनुवाद करता है) प्राप्त करने के लिए 0 और 100 के बीच कर्तव्य चक्र को भिन्न कर सकता है।

— नैट सैन

यदि स्विचेस गर्म होता है तो यह ऑपरेटिंग फ़्रीक्वेंसी (वैसे भी 1MHz से नीचे नहीं) के कारण होता है। जैसा कि आपने बताया, जब FET न तो पूरी तरह से चालू होता है और न ही बंद होता है। उन्हें ठंडा रखने की तरकीब यह है कि वे अपने गेट को पूरी तरह से चलाएं ताकि टन और टोफ को कम से कम किया जा सके। कम गेट चार्ज और कम टन टोफ और कम आरडीएसओएन के साथ एफईटी चुनें।

— नशे में कोड बंदर

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एक व्यावहारिक मोटर एक वास्तविक मोटर के साथ श्रृंखला में एक रोकनेवाला और प्रारंभ करनेवाला की तरह व्यवहार करता है। कुशल संचालन के लिए आपको मोटर को आपूर्ति से जोड़ने और इसे छोटा करने के बीच स्विच करना चाहिए। जबकि मोटर आपूर्ति से जुड़ा हुआ है, वर्तमान अधिक सकारात्मक हो जाएगा। जब छोटा होगा, तो यह अधिक नकारात्मक हो जाएगा। यदि वर्तमान ध्रुवीयता स्विच करती है, तो दक्षता स्पष्ट रूप से ढलान पर जाएगी, क्योंकि मोटर प्रत्येक चक्र का हिस्सा यंत्रवत् रूप से लड़ने की कोशिश कर रहा है जो अन्य भागों में कर रहा है।

मोटर के दृष्टिकोण से, पीडब्लूएम दर यथासंभव अधिक होने पर दक्षता अपने सबसे अच्छे रूप में होगी। हालाँकि, दो कारक इष्टतम PWM दर को सीमित करते हैं:

विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम करने के प्रयास में उनके साथ समानांतर में कई मोटर्स का संधारित्र है। प्रत्येक PWM चक्र को उस कैप को चार्ज और डिस्चार्ज करने की आवश्यकता होगी, जिससे ऊर्जा का पूरा भार नष्ट हो जाएगा। यहां नुकसान आवृत्ति के लिए आनुपातिक होगा।
कई एच-ब्रिज स्विच को स्विच करने के लिए एक निश्चित मात्रा में समय लगता है; जब वे स्विच कर रहे हैं, तो उनमें जाने वाली बहुत सारी शक्ति बर्बाद हो जाएगी। चूंकि पीडब्लूएम ऑन और ऑफ ड्यूरेशन उस बिंदु की ओर सिकुड़ जाता है, जहां पुल अपने सक्रिय या निष्क्रिय समय स्विचिंग का सबसे अधिक खर्च कर रहा है, स्विचिंग घाटे में वृद्धि होगी।

सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि पीडब्लूएम दर इतनी तेज है कि मोटर खुद नहीं लड़ती है। इससे आगे तेजी से जाने से मोटर दक्षता में कुछ हद तक सुधार होगा, लेकिन अन्य उपरोक्त नुकसान को बढ़ाने की कीमत पर। बशर्ते बहुत अधिक समानांतर समाई नहीं है, आम तौर पर आवृत्तियों की काफी बड़ी रेंज होगी पीडब्लूएम के नुकसान न्यूनतम हैं और मोटर वर्तमान ध्रुवीयता आगे रहती है; उस रेंज के मध्य के पास कहीं एक आवृत्ति शायद सबसे अच्छी होगी, लेकिन उस सीमा के भीतर कुछ भी पर्याप्त होना चाहिए।

— supercat
स्रोत

मैं वास्तव में इसे बंद अवधि के दौरान ग्राउंडिंग नहीं करूंगा, घर्षण मोटर को बहुत जल्दी बंद कर देगा। इसलिए मुझे ड्यूटी पीरियड्स के बीच इसे न छोड़ने का कोई कारण नहीं दिख रहा था।

— नैट सैन

@NateSan: क्योंकि मोटर प्रेरण है, वर्तमान जाएगा भी प्रवाह के लिए जब आप इसे बंद करने की कोशिश जारी है। मोटर को छोटा करने से ऊर्जा को बंद अवधि के दौरान उपयोगी कार्य जारी रखने की अनुमति मिलेगी, और मोटर के बाहर आपको ऊर्जा की मात्रा कम करने की आवश्यकता होगी

— सुपरकैट

वैकल्पिक रूप से, एक फ्लाईबैक डायोड का उपयोग करें। एक आगमनात्मक भार (जैसे मोटर) के लिए यह महत्वपूर्ण है कि करंट के लिए एक रास्ता हो जब आपूर्ति बंद हो, तो वोल्टेज स्पाइक से बचने के लिए जो आपके स्विचिंग ट्रांजिस्टर को मार सकता है।

— क्रेग मैकक्वीन

@ क्रेगमक्यूक्यूएन: एक फ्लाईबैक डायोड प्रभावी रूप से मोटर को शॉर्ट आउट करेगा जबकि आगे की ओर चालू है, कम से कम 0.7-वोल्ट की गिरावट। 24VDC में 0.7V की गिरावट एक समस्या नहीं हो सकती है, लेकिन इसके बिना प्रदर्शन बेहतर होगा।

— सुपरकैट

@ सुपरकैट: "ऑफ" स्थिति में मोटर के शॉर्ट होने के लिए आपका अनुशंसित विकल्प क्या है? एक दूसरा FET? क्या आप एक उदाहरण सर्किट आरेख दिखा या संदर्भित कर सकते हैं?

— क्रेग मैकक्वीन

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मैंने एक PWM गति / स्थिति नियंत्रण प्रणाली पर डिजाइन और काम किया है जिसने कुछ साल पहले 16 ब्रश डीसी मोटर्स को चला दिया था। हम माबुची से खरीद रहे थे, जो उस समय एक साल में 350M मोटर बेचती थी। उन्होंने 2 kHz पीडब्लूएम आवृत्ति की सिफारिश की, जो उस समय के आर / सी हवाई जहाज सहित अन्य स्रोतों से सिफारिशों के साथ लंबा हो गया। हमारे पास अच्छे परिणाम थे और मैंने इसका इस्तेमाल किया है।

एक सिद्धांत है कि 20 kHz से ऊपर की आवृत्ति का मतलब कोई सीटी / शोर नहीं है, लेकिन हमने पाया कि यह सच नहीं है। मैं इसका सही भौतिकी नहीं जानता, लेकिन एक यांत्रिक आंदोलन है जिसे आप सुन सकते हैं। मैं, सही या गलत तरीके से, इसे आवृत्ति के उप-हार्मोनिक्स (सही वाक्यांश) के रूप में लिया क्योंकि कॉइल या घटक के रूप में उच्च आवृत्ति पर कभी-कभी थोड़ा आगे बढ़ने की कोशिश करते हैं लेकिन रख नहीं पाते हैं। मेरे पास घर पर मोबाइल फोन चार्जर हैं जिन्हें मैं स्पष्ट रूप से सीटी सुन सकता हूं और मुझे पता है कि उनके पीडब्लूएम ऑसिलेटर्स 100 किलोहर्ट्ज से ऊपर की ओर अच्छे से चल रहे हैं। (वास्तव में, मैं अक्सर अतीत में चलने पर रसोई में एक को बंद कर देता हूं क्योंकि मैं उच्च-पिच वाली 'नो लोड' सीटी सुनता हूं जब कोई फोन जुड़ा नहीं होता है। मैं फोन के पहले प्लग किए जाने पर टोन को क्विटर और कम करने के लिए भी सुनता हूं। ।)

— TonyM
स्रोत

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कभी-कभी इसके वांछनीय आवृत्ति (20KhZ) से ऊपर रहने के लिए यदि मोटर और चालक इसका समर्थन करते हैं। यदि इसके व्यक्ति इसे सुन सकते हैं, तो लगातार उच्च गति वाली आवृत्ति कष्टप्रद हो सकती है। छोटे लोग इसे सुन सकते हैं, 40 वर्ष की आयु के बाद, यह बंद हो जाता है।

— BrianK
स्रोत