为直流电机的速度控制选择 pwm 频率的标准?

电器工程 场效应管 脉宽调制 直流电机 光隔离器 栅极驱动
2022-01-20 17:12:59

我正在研究用于有刷直流电机(24v、500rpm、2A、4kgcm)的速度控制电路。

我计划使用的主要组件是 PIC16f873、4n25 光耦合器、IRFZ44N MOSFET、BY 500 - 800 二极管(用于续流)。

  • 选择 PWM 频率的标准是什么?
  • 非常高和非常低的 PWM 频率对系统有何影响?
  • 此处提供的硬件有哪些缺点和需要改进的地方?

示意图

2个回答

驱动电机时,PWM 频率会影响几个问题:

  1. 脉冲需要足够快,以便电机的机械系统将它们平均掉。通常几十赫兹到几百赫兹就足够了。这很少是限制因素。

  2. 在某些情况下,重要的是不能在 PWM 频率下听到呜呜声。即使整个机械系统对单个脉冲没有反应,线圈的单个绕组也可以。电动机依靠磁力工作,线圈中的每个线圈都布置成产生这些力。这意味着绕组中的每一根导线都有一个与电流成正比的横向力,至少在部分时间是这样。绕组中的电线不能移动很远,但它仍然可以振动到足以让结果被听到。1 kHz PWM 频率在所有其他方面可能都很好,但如果这是进入最终用户设备,那么在该频率下的抱怨可能是不可接受的。出于这个原因,用于终端消费者电机控制的 PWM 通常以 25 kHz 的频率完成,略高于大多数人的听力范围。

  3. 平均线圈电流。这可能是一个棘手的问题。电机的各个线圈看起来对驱动电路大多是感应的。您希望通过线圈的电流主要是您对 PWM 应用的平均值所期望的电流,而不是在每个脉冲上大幅上升和下降。

    每个线圈都会有一些有限的电阻,这会导致损失的功率与通过它的电流的平方成正比。当一个脉冲内的电流变化很大时,在相同的平均电流下损耗会更高。考虑线圈几乎立即对脉冲电压做出反应的极端示例,并且您使用 50% 的方波驱动它。电阻耗散将是始终驱动线圈全开的 1/2,平均电流(因此产生的电机扭矩)也是全开的 1/2。然而,如果线圈是用稳定的 1/2 电流而不是脉冲驱动的,电阻耗散将是全开的 1/4,但具有相同的 1/2 满量程电流和扭矩。

    考虑这一点的另一种方法是,您不希望在平均直流电平之上有大量交流电流。交流电流对驱动电机没有任何作用,只有平均值可以。因此,交流分量只会在线圈和其他地方造成电阻损耗。

  4. 开关损耗。理想的开关要么完全打开,要么完全关闭,这意味着它永远不会消耗任何功率。真正的开关不会瞬间切换,因此会在过渡区域中花费一些有限的时间,在那里它们会消耗大量功率。驱动电子设备的部分工作是最小化这个转换时间。但是,无论您做什么,每个边缘都会有一段时间切换不理想。这个时间通常在每个边沿都是固定的,因此它在总 PWM 周期中的比例随着频率的增加而增加。例如,如果开关在每个脉冲的转换中总共花费 1 µs,那么在 25 kHz PWM 频率(即 40 µs 周期)下,转换时间为总时间的 1/40。这可能是可以接受的。但是,如果开关频率增加到 100 kHz,这意味着 10 µs 周期,那么过渡时间将是 10%。这很可能会导致问题。

至于你的电路,我最担心的是 Q1 的驱动速度有多慢。众所周知,光隔离器的速度很慢(相对于大多数其他组件,如单个晶体管),尤其是在关闭时。您只有 R2(尽管我可以读取它的值)拉下 FET 栅极以将其关闭。那会很慢。考虑到我上面提到的所有其他权衡,如果您可以容忍缓慢的 PWM 频率,那可能没问题。

您可以考虑将 PIC 放在光电的电机侧。您可以通过 UART 接口或不必以 PWM 频率运行的东西与该 PIC 进行数字通信。然后,该 PIC 在本地生成适当的 PWM,并为此目的使用额外的电路硬开和关断 Q1。这样,高速信号和快速边沿就不会通过光隔离器。

我会推荐这样的光隔离栅极驱动器: https ://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf 我在 D 类放大器中使用过类似的东西,开关频率约为 200kHz。

此外,为了评论绕组电阻,电机中的电流将继续通过二极管滚动,并且在接通时呈指数上升,并且 exp。关闭时衰减,因此绕组中的热量不会那么糟糕。