Motor DC - PWM vs Voltagem

Ao controlar um motor DC classificado em 5V, teoricamente, posso acionar o motor das seguintes maneiras:

5V com 100% de ciclo de trabalho PWM.
10V com ciclo de trabalho de 50% PWM.
20V com ciclo de trabalho de 25% PWM.

Existe alguma diferença entre os dois? A opção 2/3 reduzirá a vida útil do motor? Alterar a frequência do PWM melhoraria a vida útil do motor? A razão para fazer isso é que é possível acionar o motor muito mais devagar com tensão mais alta.

motor pwm

— Gilad
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Não sei se segui a última declaração de por que você acha que pode dirigir o motor mais devagar com uma tensão mais alta?

— precisa saber é

25% do tempo você aplicará 4 vezes a tensão nominal. Você terá picos de corrente maiores, juntamente com a tensão mais alta, e ambos podem danificar o seu motor, mesmo que sejam aplicados apenas 25% das vezes.

— EwokNightmares

Você pode considerar o que realmente está acontecendo - a tensão é apenas um meio de empurrar a corrente pelo seu motor, sendo o produto dos dois a potência real. Controlar a tensão é uma maneira muito vaga de controlar um servo motor CC.

— você

Eu acho que também é possível que você também tenha mais ondulações de torque.

— EwokNightmares

Qual é a sua frequência de serviço? Há mais impacto se fosse 1 Hz, em vez de 1kH :-)

— shuckc

Respostas:

Sim, isso é muito diferente. A unidade PWM e a unidade de tensão separadamente não significam muito, mas quando combinadas dessa maneira, você obtém um desempenho significativamente diferente.

Eletricamente, você pode modelar um motor como indutor (enrolamentos), resistor e fonte de tensão (EMF, proporcional à velocidade do motor). Quando você aplica uma tensão mais baixa em comparação com uma tensão mais alta, você:

obter um mais lento através dos enrolamentos do motor, reduzindo o torque $dI/dt$
tem uma velocidade máxima mais baixa por causa da EMF traseira

Com o PWM e uma tensão mais alta, você poderá atingir velocidades de pico mais altas e, muitas vezes, torque muito maior em velocidades iguais.

Não há motivo real para que um motor danifique ao aplicar tensões mais altas. Os danos no motor são causados por:

Sobrecarga do rolamento (por exemplo, empurrar lateralmente no eixo de um eixo do rolamento axial)
Excesso de velocidade do rolamento (depende principalmente do óleo usado)
Arco em escova (causado por altas velocidades e, em menor grau, também por corrente mais alta)
deformação e delaminação de estruturas internas devido ao superaquecimento

Além disso, o superaquecimento ou a operação de um motor em correntes muito altas causará uma redução (significativa) no torque devido à saturação magnética.

Se você pode garantir que você mantenha seu motor dentro dos limites de velocidade, torque e força, além de resfriá-lo adequadamente, não há desvantagem em executá-lo em tensões mais altas com o PWM.

— user36129
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Exatamente como um mais lento reduz o torque?

d I / d t

$dI/dt$

— Phil Geada

@ PhilFrost eu deveria ter dito: mais baixo combinado com PWM. Uma inclinação mais lenta significa um valor médio mais baixo da corrente durante a duração do ciclo PWM. Isso é mais verdadeiro para a operação do DCM (que geralmente ocorre com o controle do motor PWM, como você está usando frequências PWM extremamente baixas), mas também é válido até certo ponto para o CCM, embora o efeito seja muito menor.

d I / d t

$dI/dt$

— user36129

Você tem certeza de que o DCM é a norma para o controle de motores (bem projetado)? A Wikipedia diz que as frequências de controle do motor PWM variam de "de poucos quilowatts (kHz) a dezenas de kHz para um acionamento de motor"; isso não é o que eu chamaria de "extremamente baixo" e com a maioria dos motores com os quais trabalhei, bem na região de operação do CCM.

— Phil Geada

Isso depende completamente da sua aplicação. Eu meio que assumi pequenas aplicações típicas de motores DC - coisas de hobby, aviões RC etc. Para esse domínio, o DCM é a norma. Eles geralmente são operados no máximo a alguns kHz, com indutâncias motoras muito baixas (geralmente <1mH). À medida que o tamanho atual e físico aumenta, é difícil fazer o DCM e o CCM é tudo o que as pessoas fazem. E com frequência extremamente baixa, quero dizer região audível. Eu deveria ter quantificado isso.

— user36129

Obrigado por uma resposta detalhada. Meu objetivo é acelerar o motor o mais devagar possível e eu já tenho uma marcha de 1: 1000. Estou usando o pequeno motor. O motor funciona frio, mas estou preocupado com sua vida útil.

— Gilad

Um motor acionado por PWM é um conversor buck . Na medida em que seu circuito e seu motor são um bom conversor de buck, não há diferença entre cada uma das suas opções.

Algumas coisas a ter em mente:

A uma tensão muito mais alta, talvez em torno de , o isolamento nos enrolamentos falhará. é muito baixo para que isso seja uma preocupação. $1000V$ $20V$

Se a sua frequência PWM for muito baixa para a indutância do motor no enrolamento, a corrente em cada ciclo PWM mudará significativamente, você terá uma alta ondulação de torque e não terá mais um bom conversor de torque . Desempenho e eficiência sofrerão. No caso extremo, você pode nem fazer o motor girar .

Assim como em um conversor buck, um inversor PWM envolve transistores e outros circuitos, o que necessariamente gera perdas adicionais. O inversor PWM também é mais complexo de projetar, mais difícil de funcionar corretamente, mais caro de implementar etc. Algumas dessas perdas (por exemplo, perdas de histerese) estão dentro do motor e resultam em uma temperatura mais alta do motor, o que é geralmente o parâmetro limitador do desempenho do motor, e uma temperatura mais alta reduzirá a vida útil do motor. No entanto, você precisaria de um projeto muito ruim para fazer com que essas perdas se aproximem das perdas que você já tem na CC, como perdas resistivas nos enrolamentos, portanto a diferença entre a eficiência do inversor PWM e CC não é grande.

— Phil Frost
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Há algumas coisas que você precisa observar ao usar o PWM.

Primeiro, a tensão PWM que o seu motor verá terá harmônicos de alta frequência. Esses harmônicos introduzirão perdas no seu motor que não estariam lá se você estivesse usando tensão DC. O que isto significa é que o seu motor ficará mais quente com PWM vs. DC (todas as outras coisas são iguais). Como isso afeta a vida do seu motor depende de muitas coisas. Existe uma regra geral muito grosseira no mundo dos motores que diz que, a cada 10 ° C de aumento na temperatura da bobina do motor, você reduz a metade da vida útil do isolamento do motor. Você teria que fazer um teste de classificação no motor com o inversor PWM que você está usando para reduzir o motor ou informar quanto mais quente ficaria usando o PWM na classificação da placa de identificação. A maioria das pessoas está realmente equipada para fazer esse teste.

Segundo, supondo que você esteja falando de baixas tensões como o seu exemplo (5V-20V), o aumento da tensão em si provavelmente não terá muito efeito na vida útil do isolamento. Obviamente, depende do motor, mas geralmente o isolamento nos motores pode suportar tensões de até pelo menos 1000 V por curtos períodos de tempo. Dados os picos de tensão devido ao PWM, isso significa que você realmente não precisa se preocupar com a redução da vida útil do isolamento até falar de motores com classificação de ~ 400V-600V ou acima. As tensões mais altas com o PWM podem afetar a vida útil da escova, mas é realmente difícil dizer sem testar.

— Eric
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