logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Optymalna częstotliwość PWM dla sterownika prędkości silnika DC dużej mocy?

Marek_Gorecki 23 Gru 2015 20:24 5007 21
  • #1 15265380
    Marek_Gorecki
    Poziom 16  
    Witam,
    Zrobilem sterownik do regulacji predkosci obrotowej PWM silnika DC.
    Rozdzielczosc dla mnie nie jest zbyt istotna, wystarczyloby mi nawet 20 krokow. Poniewaz slinik ma duza moc zaczelem sie zastanawiac jaka czestotliwosc jest najbardziej optymalna. Czy dazyc do zmaksymalizowania jej, czy wrecz przeciwnie?

    Pozdrawiam
  • #2 15265414
    BlueDraco
    Specjalista - Mikrokontrolery
    To zależy od modelu silnika - zwykle coś z zakresu 50 Hz do 50 kHz.
  • #4 15265557
    tmf
    VIP Zasłużony dla elektroda
    dondu napisał:
    Jak wspomniał BlueDraco to zależy. Niemniej jednak im mniejsza częstotliwość, tym większy moment obrotowy co w Twoim przypadku może mieć duże znaczenie.


    Ale wpływ, o ile się nie mylę, częstotliwości widać dopiero wtedy, gdy indukcyjność uzwojenia istotnie ogranicza szybkość narastania prądu. Dopóki impuls jest dużo szerszy niż czas narastania prądu problemu z wpływem na moment raczej nie ma. Słusznie prawię?
  • #5 15265837
    anders11
    Poziom 30  
    Częstotliwości poniżej 20kHz , bez odpowiednich filtrów na zasilaniu mogą
    audiofilom uprzykrzyć życie
  • #6 15266066
    Piotr Piechota
    Poziom 22  
    Większa częstotliwość to wyższe starty na tranzystorach. Jeżeli część silnoprądowa jest poprawnie zaprojektowana to można użyć 20 kHz i nie hałasować jak pisał andres11. Moment obrotowy praktycznie nie zależy od częstotliwości PWM tylko od średniej wartości prądu. Czym wyższa indukcyjność uzwojenia tym łatwiej. Przeszkadzają natomiast pojemności uzwojeń. To przez nie płyną naprawdę duże prądy w momencie przełączania kluczy.

    Powodzenia
  • #7 15266115
    szczywronek
    Poziom 28  
    Piotr Piechota napisał:
    Jeżeli część silnoprądowa jest poprawnie zaprojektowana to można użyć 20 kHz i nie hałasować
    A za pisk nie odpowiada magnetostrykcja, czy tam jakieś inne ciekawe zjawisko zachodzące w maszynie? Co ma do tego projekt części elektronicznej?
  • #8 15266463
    tmf
    VIP Zasłużony dla elektroda
    Piotr Piechota napisał:
    Większa częstotliwość to wyższe starty na tranzystorach. Jeżeli część silnoprądowa jest poprawnie zaprojektowana to można użyć 20 kHz i nie hałasować jak pisał andres11. Moment obrotowy praktycznie nie zależy od częstotliwości PWM tylko od średniej wartości prądu. Czym wyższa indukcyjność uzwojenia tym łatwiej. Przeszkadzają natomiast pojemności uzwojeń. To przez nie płyną naprawdę duże prądy w momencie przełączania kluczy.

    Powodzenia


    Owszem, moment zależy od średniego prądu, jednak indukcyjność uzwojenia ogranicza szybkość jego narastania. W efekcie po przekroczeniu pewnej częstotliwości ograniczy maksymalny prąd uzwojenia i zacznie spadać moment
  • #9 15266625
    jnk0le
    Poziom 18  
    szczywronek napisał:
    A za pisk nie odpowiada magnetostrykcja, czy tam jakieś inne ciekawe zjawisko zachodzące w maszynie? Co ma do tego projekt części elektronicznej?

    Magnetostrykcja zależy właśnie od częstotliwości prądu
  • #10 15266674
    szczywronek
    Poziom 28  
    @jnk0le ok, ale Piotr Piechota napisał, że przy poprawnie zaprojektowanej części silnoprądowej układ nie będzie hałasował nawet, gdy pwm będzie w słyszalnym zakresie częstotliwości. Albo ja coś źle zrozumiałem.
  • #11 15267839
    Piotr Piechota
    Poziom 22  
    szczywronek źle zrozumiałeś - napisałem, że "Jeżeli część silnoprądowa jest poprawnie zaprojektowana to można użyć 20 kHz i nie hałasować ..."

    tmf - To co, że ogranicza szybkość narastania prądu - ogranicza również szybkość opadania i prąd silnika jest zbliżony do prądu stałego (a nie pulsującego).
    Gdybyś chciał bardzo gwałtownie zmieniać moment - mogła by trochę przeszkadzać. Ograniczyła by szybkość zmian momentu ale na pewno nie ograniczyła by momentu maksymalnego. Jeżeli chcemy zmieniać wartość lub kierunek momentu w czasie np. 20 ms to indukcyjność może przeszkadzać ale będzie tak samo przeszkadzać niezależnie od częstotliwości PWM.
  • #12 15268194
    tmf
    VIP Zasłużony dla elektroda
    Piotr Piechota napisał:

    tmf - To co, że ogranicza szybkość narastania prądu - ogranicza również szybkość opadania i prąd silnika jest zbliżony do prądu stałego (a nie pulsującego).
    Gdybyś chciał bardzo gwałtownie zmieniać moment - mogła by trochę przeszkadzać. Ograniczyła by szybkość zmian momentu ale na pewno nie ograniczyła by momentu maksymalnego. Jeżeli chcemy zmieniać wartość lub kierunek momentu w czasie np. 20 ms to indukcyjność może przeszkadzać ale będzie tak samo przeszkadzać niezależnie od częstotliwości PWM.


    Przypuśćmy, że ze względu na indukcyjność prąd w uzwojeniu narasta do maksymalnego w ciągu 20 us. Załóżmy, że okres PWM wyniesie 1ms i ma 50% wypełnienie, w takim układzie ograniczona prędkość narastania prądu jest praktycznie bez znaczenia. A teraz załóżmy, że mamy PWM o okresie 20us i 50% wypełnienie. Mamy tylko 10us na uzyskanie maksymalnego prądu. Problem w tym, że w tym czasie osiągniemy trochę ponad połowę prądu maksymalnego i już wyłączamy klucz. Mimo, że PWM wynosi tak samo 50%, to w tym czasie osiągamy 25-30% prądu jaki osiągnęlibyśmy przy tym wypełnieniu dla niższej częstotliwości... Czyli analogicznie osiągamy mniejszy moment.
  • #13 15268280
    Piotr Piechota
    Poziom 22  
    Nie uwzględniłeś w Twoim rozumowaniu jednego faktu: prąd silnika nie spada do zera w każdym cyklu PWM tak jak np. w diodach LED. Popatrz na obrazek (źródło http://www.edn.com "Measure PWM motor efficiency"):
    Optymalna częstotliwość PWM dla sterownika prędkości silnika DC dużej mocy?
    Przy wyłączonym kluczu prąd silnika płynie dalej przez diodę zwrotną lub przez dodatkowy dobudowany klucz. Nie można przerwać prądu uzwojenia silnika bo powstałe przepięcie spali nam każdy tranzystor. Tak więc wyższa częstotliwość PWM nie ogranicza momentu silnika.
  • #14 15268314
    Pokrentz
    Poziom 22  
    Ja bym się doszukiwał też problemów w materiale z jakiego wykonane sa elementy magnetowodów silnika. Blacha transformatorowa, czy miękie magnetycznie żelazo mają spore pole nasycenia, ale niestety, niską dopuszczalną częstotliwość pracy - przy wyższych częstotliwościach zaczynają sie po prostu bardziej grzać niż pracować. Dlatego dławiki i transformatory impulsowe na częstotliwości rzędu dziesiątków kHz robi się z innych materiałów, np. ferryty, czy sproszkowane żelazo.
  • #15 15268317
    tmf
    VIP Zasłużony dla elektroda
    @Piotr Piechota Zakładasz, że narastanie i opadanie prądu jest symetryczne. Zobacz na rysunek:
    Optymalna częstotliwość PWM dla sterownika prędkości silnika DC dużej mocy?
    Jak widać, przy wyższej częstotliwości pole powierzchni pod krzywą prądu jest niższe.
    W efekcie odbija się to na momencie, najbardziej, jeśli jesteśmy przy średnim wypełnieniu PWM:
    Optymalna częstotliwość PWM dla sterownika prędkości silnika DC dużej mocy?

    To samo widzę na oscyloskopie i czuję bawiąc się silnikiem - zwiększając f niestety silnik słabnie. Do tego oczywiście dochodzą inne czynniki, jak straty na elementach przełączających. To wszystko powoduje, że f nie może być dowolnie wysokie, a przynajmniej trzeba to dobrze przemyśleć.
  • #16 15268332
    Piotr Piechota
    Poziom 22  
    Pokrentz w transformatorze pole zmienia kierunek zgodnie z częstotliwością zasilania. Przy sterowaniu PWM silnika DC pole magnetyczne nie zmienia kierunku z częstotliwością PWM tylko z wielokrotnością prędkości obrotowej wirnika i to niezależnie czy zasilany jest PWM'mem czy prądem stałym. Sam bawię się modelarstwem i używam silników z rdzeniami z blach a nie ferrytu przy częstotliwości kluczowania ok 20 kHz i nic się nie grzeje.

    Dodano po 11 [minuty]:

    tmf - masz racje, że ze wzrostem częstotliwości kluczowania rosną straty w tranzystorach ale przy dobrze zaprojektowanym układzie i częstotliwości PWM ok 20kHz i mocach poniżej kilku kilowatów straty nie są duże. Popatrz na to co sam pokazałeś na rysunku: niezależnie od częstotliwości PWM maksymalny prąd wynosi ok 380 mA. (zmienia się tylko charakterystyka sterowania) Zwiększenie częstotliwości PWM (w rozsądnym zakresie) nie zmniejsza maksymalnego momentu uzyskiwanego przez silnik DC.
  • #17 15268446
    tmf
    VIP Zasłużony dla elektroda
    @Piotr Piechota Przy PWM równym 0 lub 100% mamy sterowanie DC, więc f nie ma oczywiście żadnego znaczenia. Natomiast przy innych wypełnieniach nie mamy zależności liniowej prądu (a więc momentu) od wypełnienia. Czyli moment odpowiadający np. 50% PWM przy f1 to nie będziędzie ten sam moment co przy f2. W miarę linowo będzie tylko przy niskiej f. Jeśli f będziemy zwiększać to nieliniowość nam się pogłębi, być może uniemożliwiając sterowanie. Może się po prostu nie zrozumiejliśmy...
  • #18 15268488
    KJ
    Poziom 31  
    Nie wiadomo jaki kolega ma silnik. Wiadomo natomiast z praktyki że zazwyczaj najlepsza zależność momentu od wypełnienia w przypadku większości ogólnodostępnych silników DC jest przy nośnej w okolicach 3-4kHz i jeśli o mnie chodzi zrobił bym próby przy takiej. Większość akumulatorowych elektronarzędzi z silnikiem DC pracuje przy takiej nośnej z dobrym efektem. Zależność momentu od wypełnienia będzie liniowa chyba tylko wtedy kiedy na osi silnika zamontujemy enkoder a po drodze wstawimy bardziej skomplikowany regulator który będzie pilnował aby obroty nie spadały przy wzroście obciążenia mechanicznego ;)
  • #19 15268520
    Piotr Piechota
    Poziom 22  
    tmf napisał:

    Przypuśćmy, że ze względu na indukcyjność prąd w uzwojeniu narasta do maksymalnego w ciągu 20 us. Załóżmy, że okres PWM wyniesie 1ms i ma 50% wypełnienie, w takim układzie ograniczona prędkość narastania prądu jest praktycznie bez znaczenia. A teraz załóżmy, że mamy PWM o okresie 20us i 50% wypełnienie. Mamy tylko 10us na uzyskanie maksymalnego prądu. Problem w tym, że w tym czasie osiągniemy trochę ponad połowę prądu maksymalnego i już wyłączamy klucz. Mimo, że PWM wynosi tak samo 50%, to w tym czasie osiągamy 25-30% prądu jaki osiągnęlibyśmy przy tym wypełnieniu dla niższej częstotliwości... Czyli analogicznie osiągamy mniejszy moment.


    Wybacz ale to chyba Ty nie do końca rozumiesz sterowania PWM dla silników DC. To nie sterowanie grzałką lub LED'em.
    W układach z silnikami DC zawsze tworzy się drogę dla prądu płynącego w uzwojeniu przy wyłączonym kluczu zasilającym (czasem dioda, czasem dodatkowo tranzystor). Kolejne załączenia klucza nie wymusza prądu od zera jak się Tobie wydawało (a przynajmniej tak powyżej napisałeś). Różnice prądu dla 50% PWM przy wyższych f wynikają głównie ze strat w kluczu a nie z indukcyjności uzwojeń (jak niesłusznie sugerowałeś). Jeżeli chcemy dyskutować w oderwaniu od rzeczywistości to wysoka częstotliwość kluczowania np. 300 kHz ograniczy moment silnika gotując tranzystory szczególnie przy większych silnikach. Dla częstotliwości ok. 20 kHz straty przełączania na poziomie 30% mogą świadczyć o niekompetencji konstruktora.
  • #20 15268952
    tmf
    VIP Zasłużony dla elektroda
    Właśnie w układach z czystą rezystancją byłoby tak jak piszesz i f PWM nie miałoby znaczenia (pomijając element przełączający). To jak zamyka się prąd w układzie nie ma większego znaczenia, w końcu w fazie, kiedy sterowanie jest wyłączone prąd bierze się z indukcyjności silnika i jest to strata, którą w kolejnej fazie trzeba uzupełnić (pomijam sytuację w której mamy tzw. discontinuous current, kiedy przy wyłączonym kluczu prąd spada do zera). Tu dobry artykuł na ten temat:
    http://www.precisionmicrodrives.com/applicati...b-022-pwm-frequency-for-linear-motion-control
    Na dole masz oscylogramy.
    Tu też masz wyliczenia jak to działa:
    https://vamfun.wordpress.com/tag/884/
    Oprócz problemów ze skończonym narastaniem prądu, należałoby dodać czas przełączania klucza. Zakładając, że jest stały, w miarę wzrostu f, relatywny udział tego czasu rośnie, co też nie pozwoli osiągnąć maksymalnego prądu.
    A na końcu proponuję doświadczenie praktyczne - zwiększyć f PWM i sprawdzić czy moment jest taki sam.
  • #21 15269002
    tzok
    Moderator Samochody
    Parę lat temu walczyłem ze sterownikiem do elektrycznego silnika zaburtowego do łódki wędkarskiej. Moja wkrętarka pracuje z modulacją PWM o częstotliwości ok 200Hz i tak też początkowo próbowałem zrobić. Problemem był głośny pisk i wyczuwalne drgania silnika. Przy niskich wypełnieniach moment obrotowy był mniejszy niż przy częstotliwości kilkunastu kHz, zmienia się jednak rozkład momentu w zależności od wypełnienia. Nie jest to wielkim problemem, bo raz że można to korygować programowo, a dwa nie ma wpływu na maksymalny moment, uzyskiwany przy 100% wypełnieniu. Mój układ od początku miał dodatkowy przekaźnik obchodzący klucze tranzystorowe po ustawieniu max prędkości.
    Ostatecznie układ pracuje z nośną 24kHz. Przy mocy silnika około 400W miałem spore problemy z zakłóceniami przez niego generowanymi. Albo paliło mi drivery tranzystorów mocy albo zawieszał się procesor (ATMega8).
  • #22 15269526
    Piotr Piechota
    Poziom 22  
    tmf - artykuł dobry ale nie wynika z niego, że indukcyjność uzwojenia (ograniczająca czas narastania prądu) ani częstotliwość PWM (w rozsądnych wartościach) ogranicza maksymalny prąd/moment silnika. Oburzyłem się dlatego, że wiele godzin spędziłem nad budową czterokanałowego sterownika dla silników bezszotkowych (czyli w sumie DC z elektronicznym komutatorem) z prądem wyjściowym ok 60 A (przy 24V) i indukcyjność uzwojeń w niczym nie przeszkadzała. Przy tej mocy ciepło przełączania 24 kluczy z częstotliwością ok 16 kHz odprowadzał skutecznie naprawdę niewielki radiator. Ogromne problemy powodowały pojemności uzwojeń ale to zupełnie inny temat. Tak trochę poza tematem filmik robota do którego konstruowałem sterownik:


REKLAMA