Criteri alla base della selezione della frequenza pwm per il controllo della velocità di un motore a corrente continua?

Sto lavorando a un circuito di controllo della velocità per un motore a corrente continua spazzolato (24v, 500rpm, 2A, 4kgcm).

I componenti principali che intendo utilizzare sono PIC16f873, fotoaccoppiatore 4n25, MOSFET IRFZ44N, diodo BY 500-800 (per ruote libere).

• Quali sono i criteri alla base della scelta della frequenza PWM?
• Quali sono gli effetti delle frequenze PWM molto alte e molto basse sul sistema?
• Quali sono gli svantaggi e i miglioramenti da apportare all'hardware fornito qui?

Esistono diversi problemi causati dalla frequenza PWM durante la guida di un motore:

1. Gli impulsi devono arrivare abbastanza velocemente da consentire la media del sistema meccanico del motore. Di solito da qualche 10 Hz a qualche 100 Hz è abbastanza buono per questo. Questo è raramente il fattore limitante.

2. In alcuni casi, è importante che il lamento non possa essere ascoltato alla frequenza PWM. Anche se il sistema meccanico nel suo insieme non reagisce ai singoli impulsi, i singoli avvolgimenti di una bobina possono. Un motore elettrico lavora su forze magnetiche, con ogni anello di filo in una bobina predisposto per creare queste forze. Ciò significa che ogni pezzo di filo in un avvolgimento ha una forza laterale su di esso proporzionale alla corrente, almeno parte del tempo. Il filo negli avvolgimenti non può spostarsi lontano, ma può comunque vibrare abbastanza da rendere udibile il risultato. La frequenza PWM a 1 kHz può andare bene sotto tutti gli altri aspetti, ma se questo sta entrando in un dispositivo dell'utente finale, il lamento a quella frequenza potrebbe essere inaccettabile. Per questo motivo, la PWM per il controllo motorio del consumatore finale viene spesso eseguita a 25 kHz, un po 'oltre ciò che la maggior parte delle persone può ascoltare.

3. Corrente media della bobina. Questo può essere un problema difficile. Le bobine individuali del motore sembreranno per lo più induttive al circuito di pilotaggio. Volete che la corrente attraverso le bobine sia principalmente ciò che vi aspettereste dalla media applicata dal PWM e non andare su e giù sostanzialmente per ogni impulso.

   Ogni bobina avrà una certa resistenza finita, che provoca una perdita di potenza proporzionale al quadrato della corrente attraverso di essa. Le perdite saranno maggiori alla stessa corrente media quando si verifica un grande cambiamento di corrente su un impulso. Considera l'esempio estremo della bobina che reagisce alla tensione pulsata quasi istantaneamente e la stai guidando con un'onda quadra del 50%. La dissipazione resistiva sarà di 1/2 per tutto il tempo in cui la bobina sarà piena, con la corrente media (quindi la risultante coppia del motore) pari a 1/2 di piena. Tuttavia, se la bobina fosse pilotata con una corrente costante di 1/2 invece degli impulsi, la dissipazione resistiva sarebbe 1/4 della piena piena ma con la stessa 1/2 della corrente piena e quindi la coppia.

   Un altro modo di pensare a questo è che non si desidera una corrente AC significativa al di sopra del livello DC medio. La corrente AC non fa nulla per spostare il motore, solo la media lo fa. Il componente AC causa quindi solo perdite resistive nelle bobine e in altri luoghi.

4. Cambio di perdite. L'interruttore ideale è completamente acceso o completamente spento, il che significa che non dissipa mai alcuna potenza. Gli interruttori reali non cambiano istantaneamente e quindi trascorrono del tempo finito in una regione di transizione dove dissipano una potenza notevole. Parte del lavoro dell'elettronica dell'azionamento è ridurre al minimo questo tempo di transizione. Tuttavia, indipendentemente da ciò che fai, ci sarà un po 'di tempo per fronte in cui l'interruttore non è l'ideale. Questo tempo è di solito fisso per fronte, quindi la sua frazione del periodo PWM totale aumenta con la frequenza. Ad esempio, se l'interruttore spende un totale di 1 µs in transizione per ciascun impulso, quindi a una frequenza PWM di 25 kHz, che è un periodo di 40 µs, il tempo di transizione è 1/40 del totale. Questo potrebbe essere accettabile. Tuttavia, se la frequenza di commutazione fosse aumentata a 100 kHz, il che significa un periodo di 10 µs, quindi il tempo di transizione sarebbe del 10%. Ciò probabilmente causerà problemi.

Per quanto riguarda il tuo circuito, la mia più grande preoccupazione è quanto lentamente sarà guidato Q1. Gli optoisolatori sono notoriamente lenti (rispetto alla maggior parte degli altri componenti come i singoli transistor), soprattutto quando si spengono. Hai solo R2 (anche se posso leggerne il valore) che si abbassa sul gate FET per spegnerlo. Sarà lento. Potrebbe essere OK se puoi tollerare una frequenza PWM lenta, considerando tutti gli altri compromessi che ho menzionato sopra.

Potresti considerare di mettere un PIC sul lato motore dell'opto. Puoi comunicare digitalmente con quel PIC tramite un'interfaccia UART o qualcosa che non deve funzionare alla frequenza PWM. Quel PIC genera quindi la PWM appropriata localmente e fa accendere e spegnere il Q1 con circuiti extra a tale scopo. In questo modo i segnali ad alta velocità e i bordi veloci non passano attraverso un isolatore ottico.

Consiglierei un gate driver optoisolato come questo: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Ho usato qualcosa del genere nell'amplificatore di classe D a una frequenza di commutazione di ~ 200kHz.

Inoltre, per commentare la resistenza dell'avvolgimento, la corrente nel motore continuerà a rotolare attraverso il diodo, e aumenterà esponenzialmente quando viene accesa, e si espanderà. decadimento quando spento, quindi il calore negli avvolgimenti non sarà così male.