Kriteria di balik pemilihan frekuensi PWM untuk kontrol kecepatan motor dc?

Saya sedang mengerjakan sirkuit kontrol kecepatan untuk motor dc yang disikat (24v, 500rpm, 2A, 4kgcm).

Komponen utama yang saya rencanakan untuk digunakan adalah PIC16f873, optocoupler 4n25, IRFZ44N MOSFET, OLEH 500 - 800 dioda (untuk pengemudian gratis).

• Apa kriteria di balik pemilihan frekuensi PWM?
• Apa efek dari frekuensi PWM yang sangat tinggi & sangat rendah pada sistem?
• Apa kelemahan dan perbaikan yang harus dilakukan pada perangkat keras yang disediakan di sini?

Ada beberapa masalah yang disebabkan oleh frekuensi PWM saat mengendarai motor:

1. Denyut nadi harus datang cukup cepat sehingga sistem mekanis motor rata-rata keluar. Biasanya beberapa 10 Hz hingga 100 Hz cukup baik untuk ini. Ini jarang menjadi faktor pembatas.

2. Dalam beberapa kasus, penting bahwa rengekan tidak dapat didengar pada frekuensi PWM. Sekalipun sistem mekanis secara keseluruhan tidak bereaksi terhadap pulsa tunggal, belitan individu dari sebuah koil dapat. Motor listrik bekerja pada gaya magnet, dengan setiap loop kawat di koil diatur untuk menciptakan kekuatan ini. Itu berarti setiap bit kawat pada belitan memiliki gaya samping yang sebanding dengan arus, setidaknya sebagian waktu. Kawat di belitan tidak bisa bergerak jauh, tetapi masih bisa bergetar cukup agar hasilnya terdengar. Frekuensi PWM 1 kHz mungkin baik-baik saja dalam semua hal lain, tetapi jika ini masuk ke perangkat pengguna akhir rengekan pada frekuensi itu bisa tidak dapat diterima. Untuk alasan ini, PWM untuk kontrol motor konsumen akhir sering dilakukan pada 25 kHz, hanya sedikit di luar apa yang kebanyakan orang dapat dengar.

3. Arus kumparan rata-rata. Ini bisa menjadi masalah yang rumit. Kumparan motor individu akan terlihat sebagian besar induktif ke sirkuit penggerak. Anda ingin arus melalui kumparan menjadi sebagian besar yang Anda harapkan dari rata-rata yang diterapkan oleh PWM dan tidak naik dan turun secara substansial setiap pulsa.

   Setiap kumparan akan memiliki beberapa hambatan hingga, yang menyebabkan kehilangan daya sebanding dengan kuadrat arus yang melaluinya. Kerugian akan lebih tinggi pada arus rata-rata yang sama ketika ada perubahan besar dalam arus melalui pulsa. Pertimbangkan contoh ekstrim dari koil yang bereaksi terhadap tegangan berdenyut hampir secara instan dan Anda mengendarainya dengan gelombang persegi 50%. Disipasi resistif akan menjadi 1/2 mengemudi penuh pada setiap saat, dengan arus rata-rata (karenanya menghasilkan torsi motor) juga menjadi 1/2 penuh. Namun, jika koil digerakkan dengan arus 1/2 yang stabil alih-alih pulsa, disipasi resistif akan menjadi 1/4 dari penuh tetapi dengan 1/2 yang sama dari arus skala penuh dan karenanya torsi.

   Cara lain untuk berpikir tentang ini adalah bahwa Anda tidak ingin arus AC signifikan di atas tingkat DC rata-rata. Arus AC tidak melakukan apa pun untuk menggerakkan motor, hanya rata-rata yang melakukannya. Karenanya komponen AC hanya menyebabkan kerugian resistif pada koil dan tempat lain.

4. Mengganti kerugian. Sakelar yang ideal dapat dihidupkan atau dimatikan sepenuhnya, yang berarti ia tidak pernah menghilangkan daya apa pun. Saklar nyata tidak beralih secara instan dan karenanya menghabiskan waktu yang terbatas di wilayah transisi tempat mereka menghilangkan daya yang cukup besar. Bagian dari tugas drive elektronik adalah untuk meminimalkan waktu transisi ini. Namun, apa pun yang Anda lakukan akan ada beberapa waktu per tepi di mana saklar tidak ideal. Waktu ini biasanya diperbaiki per edge, sehingga fraksinya dari periode PWM total naik seiring frekuensi. Misalnya, jika sakelar menghabiskan total 1 μs dalam transisi setiap pulsa, maka pada frekuensi PWM 25 kHz, yaitu periode 40 μs, waktu transisi adalah 1/40 dari total. Itu mungkin bisa diterima. Namun, jika frekuensi switching ditingkatkan menjadi 100 kHz, yang berarti periode 10 μs, maka waktu transisi akan menjadi 10%. Itu kemungkinan akan menyebabkan masalah.

Adapun sirkuit Anda, kekhawatiran terbesar saya adalah seberapa lambat Q1 akan didorong. Opto-isolator terkenal lambat (relatif terhadap sebagian besar komponen lain seperti transistor individu), terutama ketika mematikan. Anda hanya memiliki R2 (walaupun saya bisa membaca nilainya) menarik ke bawah pada gerbang FET untuk mematikannya. Itu akan lambat. Itu mungkin OK jika Anda bisa mentolerir frekuensi PWM yang lambat, mengingat semua pertukaran yang saya sebutkan di atas.

Anda mungkin mempertimbangkan untuk meletakkan PIC di sisi motor opto. Anda dapat berkomunikasi secara digital dengan PIC itu melalui antarmuka UART atau sesuatu yang tidak harus dijalankan pada frekuensi PWM. PIC itu kemudian menghasilkan PWM yang sesuai secara lokal dan mendorong Q1 keras dan mematikan dengan sirkuit tambahan untuk tujuan itu. Dengan cara itu sinyal kecepatan tinggi dan tepi cepat tidak melintasi isolator opto.

Saya akan merekomendasikan driver gerbang terisolasi-opto seperti ini: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Saya telah menggunakan sesuatu seperti ini di penguat kelas D pada ~ 200kHz frekuensi switching.

Juga, untuk mengomentari hambatan berliku, arus di motor akan terus bergulir melalui dioda, dan itu akan meningkat secara eksponensial ketika dihidupkan, dan exp. membusuk saat dimatikan, sehingga panas dalam belitan tidak akan seburuk itu.