Silnik prądu stałego - PWM a napięcie

Kontrolując silnik prądu stałego o wartości znamionowej 5 V teoretycznie, mogę napędzać silnik w następujący sposób:

5 V przy 100% cyklu pracy PWM.
10 V przy 50% cyklu pracy PWM.
20 V przy 25% cyklu pracy PWM.

Czy jest jakaś różnica między nimi? Czy użycie opcji 2/3 skróci żywotność silnika? Czy zmiana częstotliwości PWM poprawiłaby żywotność silnika? Powodem tego jest to, że silnik można napędzać znacznie wolniej przy wyższym napięciu.

motor pwm

— Gilad
źródło

Nie jestem pewien, czy podążam za ostatnim stwierdzeniem, dlaczego uważasz, że możesz napędzać silnik wolniej przy wyższym napięciu?

— PeterJ

25% czasu będziesz przykładał 4 razy napięcie znamionowe. Będziesz miał większe skoki prądu wraz z wyższym napięciem i oba mogą uszkodzić silnik, nawet jeśli są stosowane tylko przez 25% czasu.

— EwokNightmares

Możesz zastanowić się, co się naprawdę dzieje - napięcie jest tylko środkiem do przepychania prądu przez silnik, którego produktem jest faktyczna moc. Kontrolowanie napięcia to bardzo niejasny sposób sterowania serwosilnikiem prądu stałego.

— John U

Myślę, że jest również możliwe, że w wyniku tego możesz mieć więcej tętnień momentu obrotowego.

— EwokNightmares

Jaka jest twoja częstotliwość pracy? Większy wpływ ma 1 Hz, a nie 1 kH :-)

— shuckc

Odpowiedzi:

Tak, to jest zupełnie inne. Napęd PWM i napęd napięciowy osobno tak naprawdę nie oznaczają tak wiele, ale w połączeniu w ten sposób uzyskasz znacznie inną wydajność.

Elektrycznie można modelować silnik jako cewkę (uzwojenia), rezystor i źródło napięcia (pole elektromagnetyczne, proporcjonalne do prędkości silnika). Kiedy zastosujesz niższe napięcie w porównaniu do wyższego napięcia, będziesz:

zwolnij $dI/dt$ przez uzwojenia silnika, zmniejszając moment obrotowy
mają niższą prędkość maksymalną z powodu tylnego pola elektromagnetycznego

Dzięki PWM i wyższemu napięciu będziesz w stanie osiągnąć wyższe prędkości szczytowe i często znacznie wyższy moment obrotowy przy równych prędkościach.

Nie ma prawdziwego powodu, aby silnik uszkadzał się przy stosowaniu wyższych napięć. Uszkodzenie silnika jest spowodowane przez:

Przeciążenie łożyska (np. Popychanie na boki wału osi łożyska oporowego)
Nadmierna prędkość łożyska (zależy głównie od zastosowanego oleju)
Łuk szczotkowy (spowodowany dużymi prędkościami oraz, w znacznie, znacznie mniejszym stopniu, również wyższym prądem)
deformacja i rozwarstwienie struktur wewnętrznych z powodu przegrzania

Ponadto przegrzanie lub uruchomienie silnika przy bardzo dużych prądach spowoduje (znaczne) zmniejszenie momentu obrotowego z powodu nasycenia magnetycznego.

Jeśli możesz zagwarantować, że utrzymasz silnik w granicach prędkości, momentu obrotowego i siły, a także odpowiednio go ochłodzisz, nie ma negatywnej strony, aby pracować z wyższymi napięciami z PWM.

— użytkownik36129
źródło

Dokładnie jak działa wolniej

d I / d t

$dI/dt$ zmniejszyć moment obrotowy?

— Phil Frost

@PhilFrost Powinienem powiedzieć: niższe

d I / d t

$dI/dt$ w połączeniu z PWM. Wolniejsze nachylenie oznacza niższą średnią wartość prądu w czasie trwania cyklu PWM. Jest to najbardziej prawdziwe w przypadku działania DCM (co najczęściej ma miejsce w przypadku sterowania silnikiem PWM, ponieważ używasz bardzo niskich częstotliwości PWM), ale w pewnym stopniu dotyczy to również CCM, chociaż efekt jest znacznie mniejszy.

— user36129,

Czy na pewno DCM jest normą (dobrze zaprojektowanego) sterowania silnikiem? Wikipedia twierdzi, że częstotliwości sterowania silnikiem PWM wynoszą od „od kilku kiloherców (kHz) do dziesiątek kHz dla napędu silnikowego”; nie jest to coś, co nazwałbym „ekstremalnie niskim”, a przy większości silników, z którymi pracowałem, również w obszarze działania CCM.

— Phil Frost

Zależy to całkowicie od twojej aplikacji. Przyjąłem typowe małe zastosowania silników prądu stałego - hobby, samoloty RC itp. W tej dziedzinie DCM jest normą. Zazwyczaj działają one co najwyżej kilka kHz, z bardzo niskimi indukcyjnościami silnika (często <1 mH). Wraz ze wzrostem wielkości bieżącej i fizycznej trudno jest w ogóle korzystać z DCM, a CCM to wszystko, co ludzie robią. I przez bardzo niską częstotliwość rozumiem region słyszalny. Powinienem to określić ilościowo.

— user36129,

Dziękuję za szczegółową odpowiedź. Moim celem jest jak najszybsze uruchomienie silnika, a ja już mam na nim przekładnię 1: 1000. Używam małego silnika. Silnik pracuje fajnie, ale martwię się o jego żywotność.

— Gilad,

Silnik napędzany PWM jest konwerterem buck . W zakresie, w jakim obwód i silnik stanowią dobry konwerter buck, nie ma różnicy między każdą z opcji.

Kilka rzeczy, o których należy pamiętać:

Przy jakimś znacznie wyższym napięciu, może w pobliżu $1000V$ , izolacja uzwojeń ulegnie awarii. $20V$ jest zdecydowanie za niska, aby mogło to stanowić problem.

Jeśli twoja częstotliwość PWM jest zbyt niska dla indukcyjności uzwojenia silnika, prąd w każdym cyklu PWM zmieni się znacząco, będziesz mieć tętnienia o wysokim momencie i nie będziesz już mieć dobrej przetwornicy buck. Wydajność i wydajność ucierpią. W skrajnym przypadku silnik nawet się nie obraca .

Podobnie jak w przypadku konwertera buck, napęd PWM obejmuje tranzystory i inne obwody, co z konieczności powoduje dodatkowe straty. Napęd PWM jest również bardziej skomplikowany w projektowaniu, trudniejszy do prawidłowego działania, jest droższy w implementacji itp. Niektóre z tych strat (na przykład straty histerezy) znajdują się wewnątrz silnika i spowodują wyższą temperaturę silnika, która jest zwykle parametr ograniczający wydajność silnika, a wyższa temperatura ogólnie skraca żywotność silnika. Wymagałoby to jednak bardzo złej konstrukcji, aby straty te zbliżyły się do strat już istniejących w DC, takich jak straty rezystancyjne w uzwojeniach, więc różnica między wydajnością PWM i DC nie jest duża.

— Phil Frost
źródło

Jest kilka rzeczy, na które musisz uważać podczas korzystania z PWM.

Po pierwsze, napięcie PWM, które zobaczy Twój silnik, będzie miało harmoniczne wysokiej częstotliwości. Te harmoniczne wprowadzą straty w silniku, których nie byłoby, gdybyś używał napięcia stałego. Oznacza to, że twój silnik nagrzeje się, gdy PWM kontra DC (wszystkie inne rzeczy są równe). To, jak wpływa to na życie twojego silnika, zależy od wielu rzeczy. W świecie motoryzacyjnym obowiązuje bardzo surowa zasada, która mówi, że każdy wzrost temperatury cewki silnika o 10 ° C powoduje zmniejszenie żywotności izolacji silnika o połowę. Musiałbyś wykonać test znamionowy silnika z napędem PWM, którego używasz, aby obniżyć wartość znamionową silnika lub powiedzieć, o ile będzie cieplej, używając PWM przy znamionowej wartości znamionowej. Jednak większość ludzi jest naprawdę przygotowana do wykonania tego testu.

Po drugie, zakładając, że mówisz o niskich napięciach, takich jak twój przykład (5 V-20 V), samo zwiększenie napięcia prawdopodobnie nie będzie miało większego wpływu na żywotność izolacji. Oczywiście zależy to od silnika, ale ogólnie izolacja w silnikach może wytrzymać napięcia do co najmniej 1000 V przez krótki czas. Biorąc pod uwagę skoki napięcia spowodowane PWM, oznacza to, że tak naprawdę nie musisz się martwić o zmniejszenie żywotności izolacji, dopóki nie mówisz o silnikach o napięciu ~ 400 V-600 V lub powyżej. Wyższe napięcia z PWM mogą mieć wpływ na żywotność pędzla, ale naprawdę trudno powiedzieć bez testowania.

— Eric
źródło