Motore CC - PWM vs tensione

Quando controllo un motore DC valutato teoricamente a 5 V, posso guidare il motore in questi modi:

5 V con PWM duty cycle 100%.
10 V con PWM duty cycle 50%.
20 V con PWM duty cycle 25%.

C'è una differenza tra i due? L'uso dell'opzione 2/3 ridurrà la durata del motore? La modifica della frequenza PWM migliorerebbe la durata della vita del motore? La ragione di ciò è che è possibile guidare il motore molto più lentamente con una tensione più alta.

motor pwm

— Gilad
fonte

Non sono sicuro di seguire l'ultima affermazione del perché pensi di poter guidare il motore più lentamente con una tensione più elevata?

— PeterJ,

Il 25% delle volte applicherai 4 volte la tensione nominale. Avrai picchi di corrente più grandi insieme alla tensione più elevata ed entrambi potrebbero danneggiare il tuo motore anche se vengono applicati solo il 25% delle volte.

— EwokNightmares

Potresti voler considerare ciò che sta realmente accadendo: la tensione è solo un mezzo per spingere la corrente attraverso il tuo motore, il prodotto dei due è la potenza effettiva. Il controllo della tensione è un modo molto vago di controllare un servomotore DC.

— Giovanni U

Penso che sia anche possibile che tu possa avere anche più ondulazione di coppia di conseguenza.

— EwokNightmares

Qual è la tua frequenza di servizio? C'è più impatto se fosse 1Hz, anziché 1kH :-)

— shuckc

Risposte:

Sì, questo è molto diverso. L'unità PWM e l'unità di tensione separatamente non significano molto, ma se combinate in questo modo otterrai prestazioni significativamente diverse.

Elettricamente, è possibile modellare un motore come induttore (avvolgimenti), resistenza e sorgente di tensione (EMF, proporzionale alla velocità del motore). Quando si applica una tensione inferiore rispetto a una tensione superiore, si dovrà:

ottenere un rallentamento attraverso gli avvolgimenti del motore, riducendo la coppia $dI/dt$
avere una velocità massima inferiore a causa di EMF posteriore

Con PWM e una tensione più elevata, sarai in grado di raggiungere velocità di picco più elevate e spesso una coppia molto più elevata a parità di velocità.

Non esiste alcun motivo reale per cui un motore si danneggi quando si applicano tensioni più elevate. Il danno al motore è causato da:

Sovraccarico del cuscinetto (ad es. Spinta lateralmente sull'albero di un asse del cuscinetto reggispinta)
Velocità eccessiva del cuscinetto (dipende principalmente dall'olio utilizzato)
Archi a spazzola (causati da alte velocità e, in misura molto minore, anche da una corrente più elevata)
deformazione e delaminazione delle strutture interne a causa del surriscaldamento

Inoltre, il surriscaldamento o il funzionamento di un motore a correnti molto elevate provocherà una (significativa) riduzione della coppia a causa della saturazione magnetica.

Se puoi garantire di mantenere il tuo motore entro limiti di velocità, coppia e forza, nonché di raffreddarlo correttamente, non c'è alcun aspetto negativo nel farlo funzionare a tensioni più elevate con PWM.

— user36129
fonte

d I / d t

$dI/dt$

d I / d t

$dI/dt$

Sei sicuro che DCM sia la norma per il controllo del motore (ben progettato)? Wikipedia afferma che le frequenze di controllo del motore PWM vanno da "pochi kilohertz (kHz) a decine di kHz per un azionamento del motore"; questo non è ciò che definirei "estremamente basso", e con la maggior parte dei motori con cui ho lavorato, anche nella regione operativa CCM.

— Phil Frost,

Questo dipende completamente dalla tua applicazione. In un certo senso supponevo che le tipiche applicazioni con piccoli motori a corrente continua - cose per hobby, aerei RC, ecc. Per quel dominio, DCM è la norma. Di solito funzionano al massimo a un paio di kHz, con induttanze del motore molto basse (spesso <1mH). Man mano che le dimensioni fisiche e attuali aumentano, è difficile fare DCM e CCM è tutto ciò che fanno le persone. E per frequenza estremamente bassa, intendo regione udibile. Avrei dovuto quantificarlo.

— user36129

Grazie per una risposta dettagliata Il mio obiettivo è quello di rompere il motore il più lentamente possibile e ho già una marcia 1: 1000. Sto usando un piccolo motore. Il motore funziona bene ma sono preoccupato per la sua durata.

— Gilad,

Un motore PWM è un convertitore buck . Nella misura in cui il tuo circuito e motore sono un buon convertitore buck, non c'è differenza tra ciascuna delle tue opzioni.

Alcune cose da tenere a mente:

$1000V$ $20V$

Se la frequenza PWM è troppo bassa per l'induttanza dell'avvolgimento del motore, la corrente su ciascun ciclo PWM cambierà significativamente, si avrà un'increspatura della coppia elevata e non si avrà più un buon convertitore buck. Prestazioni ed efficienza ne risentiranno. In casi estremi, potresti anche non far girare il motore .

Proprio come con un convertitore buck, un'unità PWM coinvolge transistor e altri circuiti che comporta necessariamente ulteriori perdite. L'azionamento PWM è anche più complesso da progettare, più difficile da far funzionare correttamente, è più costoso da implementare, ecc. Alcune di queste perdite (ad esempio, perdite di isteresi) si trovano all'interno del motore e comporteranno una temperatura del motore più elevata, che è di solito il parametro limite per le prestazioni del motore e una temperatura più elevata ridurranno complessivamente la durata del motore. Tuttavia, occorrerebbe un design molto scarso per far sì che queste perdite si avvicinino alle perdite che già si verificano a CC, come le perdite resistive negli avvolgimenti, quindi la differenza tra efficienza PWM e efficienza dell'inverter CC non è molto.

— Phil Frost
fonte

Ci sono un paio di cose a cui devi fare attenzione quando usi PWM.

Innanzitutto, la tensione PWM che vedrà il tuo motore avrà armoniche ad alta frequenza. Queste armoniche introdurranno perdite nel tuo motore che non sarebbero presenti se si utilizzasse la tensione CC. Ciò significa che il tuo motore diventerà più caldo quando con PWM vs DC (tutte le altre cose sono uguali). In che modo ciò influisce sulla vita del tuo motore dipende da molte cose. Esiste una regola empirica molto rigida nel mondo dei motori che dice che ogni aumento di 10 ° C della temperatura della bobina del motore, si riduce della metà la durata dell'isolamento del motore. Dovresti fare un test di valutazione sul motore con l'azionamento PWM che stai utilizzando per declassare il motore o per dirti quanto sarebbe più caldo usando PWM alla valutazione della targhetta. Molte persone sono davvero attrezzate per fare questo test, comunque.

In secondo luogo, supponendo che tu stia parlando di basse tensioni come il tuo esempio (5 V-20 V), l'aumento della tensione stessa probabilmente non avrà un grande effetto sulla durata dell'isolamento. Ovviamente dipende dal motore, ma generalmente l'isolamento nei motori può sopportare tensioni fino ad almeno 1000 V per brevi periodi di tempo. Dati i picchi di tensione dovuti al PWM, ciò significa che non è necessario preoccuparsi della riduzione della durata dell'isolamento fino a quando non si parla di motori con una potenza nominale di ~ 400 V-600 V o superiore. Le tensioni più elevate con PWM potrebbero influire sulla durata della spazzola ma è davvero difficile dirlo senza test.

— Eric
fonte