Critères de sélection de la fréquence pwm pour le contrôle de la vitesse d'un moteur à courant continu?

Je travaille sur un circuit de contrôle de vitesse pour un moteur à courant continu brossé (24v, 500rpm, 2A, 4kgcm).

Les principaux composants que je prévois d'utiliser sont PIC16f873, optocoupleur 4n25, MOSFET IRFZ44N, BY 500 - 800 diode (pour roue libre).

• Quels sont les critères derrière le choix de la fréquence PWM?
• Quels sont les effets des fréquences PWM très hautes et très basses sur le système?
• Quels sont les inconvénients et les améliorations à apporter au matériel fourni ici?

La fréquence PWM entraîne plusieurs problèmes lors de la conduite d'un moteur:

1. Les impulsions doivent venir assez rapidement pour que le système mécanique du moteur les calcule. Habituellement, quelques 10s de Hz à quelques 100 Hz sont suffisants pour cela. C'est rarement le facteur limitant.

2. Dans certains cas, il est important que les gémissements ne soient pas entendus à la fréquence PWM. Même si le système mécanique dans son ensemble ne réagit pas à des impulsions uniques, les enroulements individuels d'une bobine peuvent le faire. Un moteur électrique fonctionne sur les forces magnétiques, chaque boucle de fil dans une bobine étant disposée pour créer ces forces. Cela signifie que chaque morceau de fil dans un enroulement a une force latérale proportionnelle au courant, au moins une partie du temps. Le fil dans les enroulements ne peut pas aller loin, mais il peut quand même vibrer suffisamment pour que le résultat soit audible. La fréquence PWM de 1 kHz peut convenir à tous les autres égards, mais si cela va dans un appareil d'utilisateur final, le gémissement à cette fréquence pourrait être inacceptable. Pour cette raison, le PWM pour le contrôle du moteur du consommateur final est souvent effectué à 25 kHz, ce qui est juste un peu au-delà de ce que la plupart des gens peuvent entendre.

3. Courant de bobine moyen. Cela peut être un problème délicat. Les bobines individuelles du moteur seront principalement inductives pour le circuit de conduite. Vous voulez que le courant à travers les bobines soit principalement ce que vous attendez de la moyenne appliquée par le PWM et ne monte pas et ne diminue pas sensiblement à chaque impulsion.

   Chaque bobine aura une résistance finie, ce qui entraîne une perte de puissance proportionnelle au carré du courant qui la traverse. Les pertes seront plus élevées au même courant moyen lorsqu'il y a un grand changement de courant sur une impulsion. Prenons l'exemple extrême de la bobine réagissant presque instantanément à la tension pulsée et vous la pilotez avec une onde carrée de 50%. La dissipation résistive sera la moitié de l'entraînement complet de la bobine en permanence, le courant moyen (donc le couple moteur résultant) étant également 1/2 de la pleine marche. Cependant, si la bobine était entraînée avec un 1/2 courant constant au lieu d'impulsions, la dissipation résistive serait de 1/4 de pleine marche mais avec le même 1/2 de courant à pleine échelle et donc de couple.

   Une autre façon de penser à cela est que vous ne voulez pas de courant alternatif significatif en plus du niveau DC moyen. Le courant alternatif ne fait rien pour déplacer le moteur, seule la moyenne le fait. Le composant AC ne provoque donc que des pertes résistives dans les bobines et autres endroits.

4. Pertes de commutation. L'interrupteur idéal est complètement allumé ou complètement éteint, ce qui signifie qu'il ne dissipe jamais aucune puissance. Les vrais commutateurs ne commutent pas instantanément et passent donc un temps limité dans une région de transition où ils dissipent une puissance substantielle. Une partie du travail de l'électronique d'entraînement est de minimiser ce temps de transition. Cependant, peu importe ce que vous faites, il y aura un certain temps par front où le commutateur n'est pas idéal. Ce temps est généralement fixé par front, de sorte que sa fraction de la période PWM totale augmente avec la fréquence. Par exemple, si le commutateur passe un total de 1 µs en transition à chaque impulsion, alors à une fréquence PWM de 25 kHz, qui est une période de 40 µs, le temps de transition est de 1/40 du total. Cela peut être acceptable. Cependant, si la fréquence de commutation était augmentée à 100 kHz, ce qui signifie une période de 10 µs, alors le temps de transition serait de 10%. Cela causera probablement des problèmes.

En ce qui concerne votre circuit, ma plus grande préoccupation est la vitesse à laquelle le Q1 sera conduit. Les opto-isolateurs sont notoirement lents (par rapport à la plupart des autres composants comme les transistors individuels), en particulier lors de la coupure. Vous n'avez que R2 (bien que je puisse lire sa valeur) tirant vers le bas sur la porte FET pour l'éteindre. Ça va être lent. Cela peut être OK si vous pouvez tolérer une fréquence PWM lente, compte tenu de tous les autres compromis que j'ai mentionnés ci-dessus.

Vous pourriez envisager de mettre un PIC sur le côté moteur de l'opto. Vous pouvez communiquer numériquement avec ce PIC via une interface UART ou quelque chose qui ne doit pas fonctionner à la fréquence PWM. Ce PIC génère ensuite localement le PWM approprié et entraîne et désactive Q1 avec des circuits supplémentaires à cet effet. De cette façon, les signaux haute vitesse et les bords rapides ne traversent pas un isolateur opto.

Je recommanderais un pilote de porte opto-isolé comme ceci: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf J'ai utilisé quelque chose comme ça dans un amplificateur de classe D à une fréquence de commutation de ~ 200 kHz.

De plus, pour commenter la résistance de l'enroulement, le courant dans le moteur continuera à rouler à travers la diode, et il augmentera de façon exponentielle lorsqu'il sera allumé, et exp. se désintègre lorsqu'il est éteint, de sorte que la chaleur dans les enroulements ne sera pas aussi mauvaise.