Dobieranie częstotliwości PWM w silniku prądu stałego.

Chciałbym podyskutować z kolegami jak dobiera się częstotliwość
PWM w zasilaniu silników prądu stałego.
Dla przykładu niech będzie popularny ostatnio
w napędach rowerów chiński silnik MY1020 zasilany 36V i mocy 500W.
Obroty znamionowe 2500RPM i max.3150RPM

Ma on cztery szczotki, cztery magnesy i komutator jest dzielony chyba na 16 lub 20. -nie wiem

Przyznam, że nie wiem jak dobrać Fpwm aby w układzie napędowym nie było drgań, nie zachodziły rezonanse i moment był przyzwoity.
Teoria i doświadczenia własne mile widziane.

Generalna zasada jest taka, że każde z kolejno przełączanych uzwojeń powinno być zasilone, czyli Fpwm=obroty_max/liczba_uzwojeń*2. Należy też brać poprawkę na to, że silnik będzie piszczał, więc wskazane jest sterownie go częstotliwościami ponad-akustycznymi.

Minn Kota w swoich najdroższych elektrycznych silnikach zaburtowych serii Maxxum z elektroniczną regulacją prędkości obrotowej stosuje częstotliwość 28kHz. Z kolei w tanich akumulatorowych wkrętarkach jest to zaledwie 500Hz, przez co wydają z siebie bardzo uciążliwy pisk, tyle że te narzędzia same z siebie są dość głośne i nie są przeznaczone do długotrwałej pracy.

A może te 500Hz jest związane potrzebą dużego momentu aby ruszyć np. wkręt?
MinnKota startuje w wodzie i opory są praktycznie zerowe i dlatego producent pozwolił sobie na f ponad akustyczne.

Podczas startu tego silnika w wodzie pobór prądu dochodzi do 35A, gdy pracuje w powietrzu prąd nie przekracza 4A... nie powiedziałbym więc, że opory są prawie zerowe. W trakcie płynięcia prąd spada do 22-24A. Powyżej 15% wypełnienia silnika nie da się zatrzymać ręką, więc moment mały nie jest. Oczywiście wszystko zależy od budowy silnika, ale to jest prosty 2 szczotkowy silnik z magnesami stałymi. Oczywiście wraz ze wzrostem częstotliwości coraz bardziej problematyczne staje się przełączanie bramek tranzystorów MOSFET oraz gaszenie przepięć z silnika, ale nie wyobrażam sobie siedzieć przez 30-40min 1m od silnika piszczącego z częstotliwością kilkuset Hz czy kilku kHz.
Podczas testów z tym silnikiem do łódki zauważyłem rzecz wręcz odwrotną od tego co piszesz, przy bardzo niskich częstotliwościach, rzędu 160-280Hz poza tym że silnik wpadał w mocne wibracje, był też bardzo słaby a obroty przy analogicznym wypełnieniu były dużo niższe.
Swoją drogą mogę zmodyfikować program tak, by częstotliwość pracy PWM zależała od stanów logicznych na obecnie nieużywanych pinach i dokonać pomiarów dla różnych częstotliwości.

Teoretycznie im wieksza czestotliwość PWM, tym bardziej zblizamy się do ideału, gdzie prąd płynący przez uzwojenia silnika jest stały - dzięki indukcyjności uzwojeń. Z drugiej strony - im większa czestotliwość - tym większe straty na elementach przełączających; co gorsza regułą jest, że tranzystory przełączające są tym wolniejsze, im większe prądy przełączają. Tak więc wybór właściwej częstotliwości pracy jest kompromisem, zależnym od konkretnego silnika i zastosowanego układu sterującego. Spotkałem się ze sterowanikami PWM do silników o mocy ok. 250W pracującymi z częstotliwością ok. 60kHz. Sam bawiłem się z układami średniej i małej mocy przy częstotliwościach pomiędzy 10 a 20 kHz.

Pozdrawiam
Mariusz

Zatem wnioskuję, że:
1. Szukam elementu przełączającego na np. 100A
2. Potrzebuję przełączać max. 40A i odczytuję z PDFa, że te 40A tranzystor jest w stanie przełączać z f=max 20kHz.
3. Robimy sterownik PWM o f=20kHz
4. A generalnie stosujemy jak największą F i oczywiście pilnujemy żeby nam harmoniczne nie poszły na 225kHz.
Jakieś propozycje? Coś nie tak?
Chciałbym aby ten temat zamknął się ogólnie przyjętym wnioskiem.

Nie bardzo rozumiem, dlaczego harmoniczne nie mają "pójść" na 225 kHz. Sprawność elementu przełączającego jest tym większa, im bardziej sygnał kluczujący silnik (PWM) jest zbliżony do przebiegu prostokątnego. A to wg. mojej wiedzy oznacza bardzo wysoki poziom harmonicznych.

Pozdrawiam

Mariusz

Harmoniczne są krotnościami sygnału podstawowego i mi chodzi o to aby żadna z nich nie wchodziła na 225kHz I_PR Polskiego Radia bo będzie ludziom burczało w radiu. O ile ktoś słucha jeszcze długich fal.
Jak by nie było to operujemy silnym sygnałem.

Ciekazwy temat, ale ogólnie im wyższa indukcyjność wirnika tym niższe częstotliwości moża kluczować.

W niektórych chińskich sterownikach częstotliwość się zmienia, ponieważ impuls dodatni jest stały, a przerwa jest zmienna, przez to częstotliwość jest od ok 4kHz (start) do 30kHz (maksymalna prędkość) , a w tych droższych to częstotliwość jest stała około 25kHz - zmienia się wypełnienie .
A w sumie to czym większa częstotliwość tym lepiej, bo indukcyjność silnika w uproszczeniu zamienia te szpile w stałe napięcie i harmonicznych jest wtedy najmniej. Niestety czasy przełączania przy dużych prądach są kłopotliwe dla tranzystorów, przez to ceny ich lawinowo rosną wraz ze wzrostem częstotliwości i tu jest największy kłopot i silnik raczej nie ma nic wspólnego z częstotliwością PWM.
Kiedyś bawiłem się na poważnie silnikiem wyciągarki samochodowej 12V i obciążona tylko samą przekładnią lekko przyhamowaną pobierała 8A i przy niskich częstotliwościach tranzystory były zimne, ale silnik się grzał i nie za szybko kręcił (wypełnienie 1/1) a przy częstotliwości ponad 20kHz silnik zimny, ciut szybsze obroty, ale tranzystory (zwykłe IRFy) były ciepłe

PS
Przy okazji warto pomyśleć nad zabezpieczeniami
- ogranicznik prądu dla silnika
- ogranicznik przed przeciążeniem akumulatorów
- ograniczenie przed minimalnym napięciem na akumulatorze pod obciążeniem.

I jeszcze jedno, napotkałem tekst;
As far as switching frequency goes, keep in mind that our inductor in this case is a motor winding, not some ferrite core optimized to be an inductor thing. Due to the iron laminations in the motor core, you don't want the switching frequency to be too high as you will start heating up the motor with hysteresis losses in the core. Depending on the motor, you should probably keep it just barely above the audible range, like 22khz. A motor with very few turns and low inductance may need a higher frequency.
Może warto zwrócić uwagę na straty w materiale rdzenia w związku ze zbyt szybkim przełączaniem prądu w silniku. To przecież będzie dodatkowa strata energii i zagrożenie w bilansie cieplnym silnika.