DC 모터의 속도 제어를 위해 PWM 주파수를 선택하는 기준은 무엇입니까?


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브러시 DC 모터 (24v, 500rpm, 2A, 4kgcm)의 속도 제어 회로를 만들고 있습니다.

내가 사용할 주요 구성 요소는 PIC16f873, 4n25 옵토 커플러, IRFZ44N MOSFET, BY 500-800 다이오드 (프리 휠링)입니다.

  • PWM 주파수 선택의 기준은 무엇입니까?
  • 시스템에서 매우 높고 매우 낮은 PWM 주파수의 영향은 무엇입니까?
  • 여기에 제공된 하드웨어의 단점과 개선점은 무엇입니까?

개략도

답변:


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모터를 구동 할 때 PWM 주파수의 영향을받는 몇 가지 문제가 있습니다.

  1. 펄스는 모터의 기계 시스템이 평균을 내도록 충분히 빨라야합니다. 일반적으로 수십 Hz에서 수 100 Hz로 충분합니다. 이것은 거의 제한 요소가 아닙니다.

  2. 어떤 경우에는 PWM 주파수에서 징징 거리는 소리를들을 수없는 것이 중요합니다. 기계 시스템 전체가 단일 펄스에 반응하지 않더라도 코일의 개별 권선이 가능합니다. 전기 모터는 코일의 모든 와이어 루프가 이러한 힘을 생성하도록 배열 된 상태에서 자력에 작용합니다. 즉, 권선의 모든 비트는 적어도 시간의 일부에 전류에 비례하여 옆으로 힘을가합니다. 권선의 와이어는 멀리 움직일 수 없지만 결과를들을 수있을 정도로 충분히 진동 할 수 있습니다. 1 kHz PWM 주파수는 다른 모든 측면에서 괜찮을 수 있지만 이것이 최종 사용자 장치에 들어가면 해당 주파수에서 휘는 소리를 받아 들일 수 없습니다. 이러한 이유로, 최종 소비자 모터 제어를위한 PWM은 대부분의 사람들이들을 수있는 수준을 약간 넘는 25kHz에서 수행됩니다.

  3. 평균 코일 전류. 이것은 까다로운 문제 일 수 있습니다. 모터의 개별 코일은 대부분 구동 회로에 유도 적으로 보입니다. 코일을 통과하는 전류는 대부분 PWM에 의해 적용된 평균에서 기대하는 값이기를 원하며 각 펄스마다 실질적으로 위아래로 움직이지 않습니다.

    각 코일에는 유한 저항이 있으므로 코일을 통과하는 전류의 제곱에 비례하여 전력 손실이 발생합니다. 펄스에 걸쳐 전류에 큰 변화가있을 때 동일한 평균 전류에서 손실이 더 높아집니다. 펄스 전압에 거의 즉각적으로 반응하는 코일의 극단적 인 예를 생각 해보자. 50 % 구형파로 구동하고있다. 저항성 소실은 코일을 항상 최대로 구동하는 것의 1/2이며 평균 전류 (따라서 모터 토크 결과)도 1/2입니다. 그러나 코일 대신 펄스 대신 1/2 전류로 구동하는 경우 저항 소실은 최대 1/4의 풀 스케일 전류의 1/2과 동일하므로 토크가됩니다.

    이것에 대해 생각할 수있는 또 다른 방법은 평균 DC 레벨 위에 상당한 AC 전류를 원하지 않는다는 것입니다. AC 전류는 모터를 움직이지 않으며 평균치 만 작동합니다. 따라서 AC 구성 요소는 코일 및 기타 장소에서 저항 손실 만 발생시킵니다.

  4. 스위칭 손실. 이상적인 스위치는 완전히 켜져 있거나 완전히 꺼져있어 전원을 전혀 소모하지 않습니다. 실제 스위치는 순간적으로 전환되지 않으므로 상당한 전력을 소비하는 전환 영역에서 약간의 시간을 소비합니다. 드라이브 일렉트로닉스의 일의 일부는이 전환 시간을 최소화하는 것입니다. 그러나, 무엇을 하든지 스위치가 이상적이지 않은 에지 당 시간이 있습니다. 이 시간은 일반적으로 에지 당 고정되므로 전체 PWM주기의 일부가 주파수와 함께 올라갑니다. 예를 들어, 스위치가 각 펄스의 전환에 총 1µs를 소비하는 경우 40kHz주기 인 25kHz PWM 주파수에서 전환 시간은 총 1/40입니다. 허용 될 수 있습니다. 그러나 스위칭 주파수가 100 kHz로 증가하면 10 µs주기를 의미합니다. 전환 시간은 10 %입니다. 문제가 발생할 수 있습니다.

당신의 회로에 관해서, 나의 가장 큰 관심사는 Q1이 얼마나 천천히 구동되는지입니다. 옵토 아이솔레이터는 특히 꺼질 때 속도가 느립니다 (개별 트랜지스터와 같은 대부분의 다른 구성 요소와 관련됨). R2 (값을 읽을 수는 있지만)는 FET 게이트를 잡아 당겨 끄십시오. 느려질 것입니다. 위에서 언급 한 다른 모든 절충점을 고려하여 느린 PWM 주파수를 견딜 수 있다면 괜찮습니다.

옵토의 모터쪽에 PIC를 배치하는 것을 고려할 수 있습니다. UART 인터페이스 또는 PWM 주파수에서 실행할 필요가없는 것을 통해 PIC와 디지털 방식으로 통신 할 수 있습니다. 그런 다음 PIC는 적절한 PWM을 로컬로 생성하고이를 위해 추가 회로를 사용하여 Q1을 하드 온 / 오프합니다. 이렇게하면 고속 신호와 고속 에지가 광 분리기를 통과하지 않습니다.


포인트 # 3을 강조하는 것이 좋습니다. 토크는 평균 전류에 비례하는 반면 모터의 저항성 전력 손실은 전류의 평균에 비례합니다 (평균 전류의 제곱이 아님). 움직이지 않는 모터의 DC 저항이 1 옴이고 1A가 지속적으로 흐르면 1 와트가 소실됩니다. 전류가 2A의 절반이고 시간이 0A 인 경우, 토크는 거의 같지만 전력 손실은 2W입니다. 이러한 추가 전력은 증가 된 공급 전류로 나타납니다.
supercat

@olin Lathrop, 더 높은 스위칭 속도를 달성하기 위해 MOSFET을 구동하기 위해 옵토 커플러를 적합한 트랜지스터로 대체하면 어떨까요?
raforanz

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@rafo : 그러면 더 이상 격리가 없습니다. 실제로 격리가 필요하지 않은 경우 처음에는 옵토의 요점이 무엇입니까?
Olin Lathrop

모터를 다루기 때문에 절연을 생각했습니다. 그러나 당신은 그것이 고주파를 다룰 수 없다고 말했다.
raforanz

많은 경우 모터를 구동 할 수있는 두 가지 주파수 범위, 즉 모터 전류가 본질적으로 연속적인 높은 범위와 모터 전류가 DC 최대에서 완전히 흔들리는 낮은 범위가 있다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 모든 사이클을 0으로 만듭니다. 고주파수에서 플라이 백 다이오드는 전압 강하와 모터 전류에 비례하여 에너지를 낭비합니다. 저주파에서 플라이 백 다이오드는 사이클 당 고정 된 양의 에너지를 낭비합니다. 경우에 따라 플라이 백 다이오드를 MOSFET로 교체하면 효율이 향상 될 수 있습니다.
supercat

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다음과 같이 광 절연 게이트 드라이버를 권장합니다. https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf을 나는 ~ 200kHz의 스위칭 주파수에서 클래스 D 증폭기에서이 같이 사용 무언가를했습니다.

또한 권선 저항에 대해 언급하기 위해 모터의 전류는 다이오드를 통해 롤링을 유지하며 전원을 켤 때 지수 적으로 상승합니다. 스위치가 꺼지면 감쇄되므로 권선의 열이 나쁘지 않습니다.

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