Что такое pwm в двигателе

Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:
1. Аналоговый.

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

Блок питания 0…30 В / 3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

• Ton — время высокого уровня
• Toff — время низкого уровня
• T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.
Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B … U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат – использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Двигатель постоянного тока

Для начала рассмотрим повнимательней обычный двигатель постоянного тока. Любой двигатель имеет две основные части — ротор и статор. В коллекторном двигателе статор — неподвижная часть, состоит из постоянных магнитов (или в более мощных двигателях электромагнитов). Ротор (якорь) — вращается, совмещён с валом двигателя и состоит из многих катушек (как минимум трех). Коллектор (щёточно-коллекторный узел) отвечает за переключение выводов катушек ротора. Ток в таком двигателе подводится к катушкам ротора через скользящие контакты (или щётки). В один момент времени подключена только одна катушка, она и создаёт момент вращения двигателя за счет проходящего тока.

С точки зрения базовых элементов схемотехники любой двигатель можно представить в виде следующей эквивалентной схемы:

Когда мотор подключён источнику постоянного тока и еще не начал вращаться, то он представляет из себя обычное сопротивление. То есть через него течет ток согласно закону Ома и сопротивлению его обмотки. Преобладает компонента R. Индуктивность начинает влиять когда напряжение не постоянное, например, если мотор питается от ШИМ (PWM) сигнала.

Сопротивление ротора и индуктивность, как правило, очень малы. Его можно померить обычным мультиметром. Небольшие модельные моторы имеют сопротивление 1-10 Ом. Поэтому, при старте мотора (когда он ещё не начал вращаться), ток сильно превышает рабочий ток мотора и если мотор долго будет неподвижен (его заклинило), то такой высокий ток может привести к перегреву мотора и выходу из строя.

Индуктивность катушек ротора пытается поддерживать ток протекающий через обмотки постоянным. Ее влияние заметно только когда напряжение меняется. Когда мотор начинает вращаться, то коллектор начинает переключать катушки ротора, что вызывает изменение напряжения. Индуктивность пытается в эти моменты поддерживать ток протекающий через мотор на постоянном уровне за счет напряжения.

Во время вращения катушки ротора начинают вырабатывать ток (как генератор) — возникает обратная ЭДС. Чем быстрее вращается ротор, тем выше обратная ЭДС возникающая в катушках, а так как она направлена против напряжения питания, то ток потребляемый мотором снижается.

В дальнейшем нам понадобятся следующие выводы:

• пока мотор не начал вращаться он является сопротивлением
• если приложить к мотору изменяющееся напряжение (например PWM), то индуктивность будет иметь большое влияние, она будет сопротивляться изменению тока через мотор
• когда мотор вращается, то он является генератором, и за счет этого потребляемый ток снижается (итоговое напряжение равно V — Vbemf).

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат – значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы – доступность и простота элементов. Недостатки – сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных источников питания для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.

Влияние несущей частоты ПЧ на работу электродвигателя

Преобразователи частоты (ПЧ, частотники, инверторы) давно используются в промышленности для управления скоростью и повышения КПД асинхронных и синхронных электродвигателей. К ним давно привыкли, их возможности существенно выросли за последние 20 лет и с трудом вмещаются в руководства с тысячей страниц, но есть базовые функции, о которых следует помнить. Эта статья об одной из них — несущей частоте (carrier frequency) широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM) ПЧ и ее влиянии на работу и КПД электродвигателя.

Несущая частота в ПЧ и ее влияние на ШИМ.

Повышение несущей частоты — меньше шума

При повышении несущей частоты ШИМ которой задается частота на двигатель снижается количество высших гармоник и уменьшается амплитуда бросков тока при питании двигателя. Уменьшение высших гармоник тока снижает паразитное намагничивание статора, которое является источником слышимого шума, насыщения железа и потерь в обмотках, вызывающих снижения КПД двигателя являющегося причиной его нагрева.

Снижение шума двигателя за счет повышения частоты

Например, при несущей частоте ШИМ более 8 кГц происходит существенное снижение шума от электродвигателя, что позволяет применять их при автоматизации офисных и жилых зданий, медицинских и научных учреждений.

Негативные последствия и рекомендации по устранению

Помехи действуют на окружающие устройства

Рост радиочастотных и электромагнитных помех может влиять на другое оборудование. Чтобы уменьшить помехи постепенно понижайте несущую частоту до нужного уровня.

Так же стоит понижайте несущую частоту, если скорость и момент нестабильны на низкой скорости работы.

Срабатывание встроенных защит по перегрузке

Если это произошло, а других причин не обнаружено, рекомендуем понизить несущую частоту.

Обращайте внимание на качество изоляции кабелей питания. При низком качестве изоляции оборудование может выйти из строя из-за возникшего коронного разряда.

Повреждения кабеля при коронарном разряде

Перенапряжения из-за длины кабеля

При увеличении длины кабеля питания растет количество запасенной энергии, что при высокой частоте переключений вызывает появление перенапряжений и усиления эффектов, связанных с емкостью кабеля между фазами.

Выбор длины кабеля между ПЧ и двигателем

Рекомендации по выбору частоты для инверторов YASКAWA GA700 и GA500:

ШИМ-регулятор оборотов вентилятора печки (отопителя)

Схемотехника ШИМ- регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

• микропроцессора (генерация ШИМ-сигнала, измерение тока и температуры, индикация режимов);
• силового транзистора (коммутация тока, исполнительный элемент ШИМ-регулятора оборотов электровентилятора);
• фильтра (устранение электромагнитных помех).

Частоту вращения коллекторного двигателя можно регулировать, изменяя подаваемое на него напряжение. При постоянном значении напряжения источника питания – аккумуляторной батареи, напряжение на двигателе можно менять, изменяя сопротивление в цепи двигателя, к примеру, с помощью реостата или транзистора. Однако такой способ при управлении мощными приводами приводит к выделению большой тепловой мощности на сопротивлении (транзисторе) и снижению КПД системы.
Повысить КПД можно, подавая на двигатель полное напряжение, но на ограниченное время. Если это делать с большой частотой, то, управляя длительностью включения, можно фактически менять среднее напряжение, подаваемое на двигатель.

Изменение длительности импульсов при неизменном периоде их следования (постоянной частоте) и называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, в англоязычных текстах: PWM-Pulse Width Modulation).

При регулировании скорости вращения двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции на двигатель подается полное напряжение питание, но регулируется время, в течение которого оно подается. Условно говоря, ШИМ-регулятор оборотов вентилятора замыкает силовой ключ каждую секунду на десятую долю секунды, если нам нужно 10% мощности двигателя, если нам нужно 25% мощности, то ШИМ-регулятор оборотов замыкает силовой ключ на четверть секунды, если 50% мощности — то полсекунды и т. д. Когда же нам нужно раскрутить двигатель на полную мощность, ШИМ-регулятор оборотов замыкает силовой ключ на полную секунду, то есть фактически силовой ключ не размыкается совсем.
Конечно же, реально микропроцессор управляет силовым ключом с частотой много выше, чем один раз в секунду, но принцип остается тем же. При достаточно высокой частоте происходит сглаживание пульсаций тока при индуктивной нагрузке, и фактически на двигатель подается некоторое эффективное напряжение. Скажем, при напряжении питания 12В и длительности импульса 50% от периода, получается точно такой же результат, как и при подаче на двигатель напряжения 6В.
При эксплуатации автомобиля в городском цикле с повышенной температурой окружающего воздуха, когда вероятность перегрева двигателя максимальна (особенно в «пробках»), режим плавного изменения скорости вращения вентилятора в пределах 30-60% с помощью ШИМ-регулятора оборотов достаточен для ограничения температуры двигателя автомобиля. Применение блока управления ЭВСО в системе охлаждения автомобиля устраняет необходимость включения вентилятора на мощность выше 60% (тем более на полную мощность), тем самым обеспечивая практически полное отсутствие шума в салоне автомобиля в отличие от раздражающего рева работающего на «всю катушку» электровентилятора в обычной системе охлаждения двигателя автомобиля.

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Урок 73. ПИД-регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока. Разработка аппаратной части.

Первый из серии уроков, посвященных разработке регулятора скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока. Рассматривается аппаратное подключение двигателя к плате Ардуино.

Игорь из Москвы заказал мне разработку контроллера- регулятора скорости вращения двигателя постоянного тока.

Это продолжение бесконечной разработки интеллектуального сверлильного станка. Сначала я написал для него общую управляющую программу. Затем мы создали электронный прицел для станка на OSD-генераторе. Пришла очередь до двигателя, который вращает шпиндель.

Используется коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 500 Вт и номинальным напряжением 100 В. Необходимо задавать и стабилизировать его скорость вращения.

Тема показалась мне очень интересной, и я решил в качестве уроков описать последовательность своих действий по разработке контроллера двигателя. Тем более в интернете эта тема ограничивается теоретическими рассуждениями.

Должен получиться учебный материал на несколько разных тем:

• аппаратное подключение двигателя постоянного тока к Ардуино;
• измерение частоты и периода сигнала ;
• управление нагрузкой с помощью ШИМ;
• ПИД-регулятор;
• этапы разработки подобных устройств.

Кроме того, я надеюсь, что получится законченный аппаратно-программный блок – ПИД-регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока. Его можно будет использовать в различных приложениях.

У Игоря используется достаточно мощный мотор 500 Вт, с номинальным напряжением питания 100 В. У меня такого двигателя нет. Поэтому я проведу разработку и испытания на компьютерном вентиляторе с номинальным напряжением 12 В. Не сомневаюсь, что все написанное и разработанное будет справедливо и для гораздо более мощных устройств. По крайней мере, Игорь проверит контроллер на 500 ваттном моторе.

Аппаратное подключение двигателя постоянного тока к Ардуино.

Существуют две основные задачи:

• Необходимо управлять двигателем, изменяя на нем напряжение, а значит и мощность. Т.е. нужно создать регулирующий элемент, с помощью которого регулятор будет изменять состояние двигателя, увеличивать или уменьшать его скорость вращения.
• Надо измерять скорость вращения двигателя, чтобы регулятор мог ее контролировать.

Сошлюсь на Урок 39, раздел ”Общие сведения о регуляторах”. Там написано, что необходимо выделить:

• регулируемый параметр – что мы регулируем;
• регулирующий элемент – с помощью чего мы регулируем.

Аппаратную часть этих компонентов регулятора и будем разрабатывать в этом уроке.

Подключение двигателя к ШИМ Arduino.

Естественно для управления двигателем будем использовать ШИМ. Это значительно упростит схему, повысит КПД. Практически, независимо от мощности и напряжения мотора, для управления им достаточно одного ключа. Конечно, передельно-допустимые параметры ключа должны соответствовать двигателю. Для моего двигателя-вентилятора я выбрал такие элементы.

ШИМ с выхода Ардуино открывает и закрывает ключ, собранный на MOSFET-транзисторе. Можно, конечно, использовать и биполярный транзистор, но:

• полевым проще управлять;
• у него меньше падение напряжения в открытом состоянии, а значит он меньше греется;
• в отличие от биполярного транзистора, он работает на высоких частотах 100 кГц и выше.

Я выбрал MOSFET-транзистор IRF7341: N-канал, 55 В, 4 А. Кроме предельно-допустимых параметров необходимо учитывать то, что транзистор должен быть низкопороговым, т.е. открываться при небольшом напряжении (не более 5 В). Иначе необходимо использовать дополнительный элемент – драйвер.

Диод в схеме абсолютно необходим. Двигатель – это индуктивная нагрузка, а иногда и электрогенератор. Поэтому при закрытии транзистора на выводах двигателя могут возникать броски высокого напряжения. Они должны замыкаться через диод, чтобы не сжечь транзистор.

В некоторых подобных схемах используют низкочастотные выпрямительные диоды, например, 1N4007. Это допустимо только для дискретного управления двигателем: включить или выключить. При управлении с помощью ШИМ, особенно с высокой частотой, диод должен быть высокочастотным, лучше с барьером Шоттки.

При закрытом транзисторе диод находится в открытом состоянии, через него течет ток размагничивания обмотки двигателя. Затем транзистор открывается. А диод закрывается только через время восстановления обратного сопротивления. Даже у “быстрых” (FR307) диодов это время составляет 150-500 нс, у “супербыстрых” 35 нс, а у выпрямительных 1N4007 этот параметр не нормируется. Представьте себе, что при частоте ШИМ 100 кГц 100000 раз в секунду будет происходить короткое замыкание. Это приведет к жутким помехам, уменьшению КПД и нагреву диода и транзистора.

При высоком напряжении все значительно усугубиться. В общем рекомендации по выбору диода:

• Лучше всего диод Шоттки.
• Если высокое напряжение (более 150 В) не позволяет использовать диод Шоттки, то лучшим вариантом будет карбидокремиевые диоды Шоттки.
• Следующим приемлемым вариантом могут быть HEXFRED-диоды с ограничением обратного тока обратного восстановления;
• На крайний случай остаются супербыстрые и ультрабыстрые диоды.

У меня напряжение всего 12 В. Я выбрал диод Шоттки SS16.

Наверное, понятно, что меняя коэффициент заполнения ШИМ, мы будем изменять среднее напряжения на двигателе, я значит, и его мощность. Частоту ШИМ определим экспериментально.

Измерение скорости вращения.

Традиционным компонентом для измерения числа оборотов мотора служит датчик Холла. Это датчик, который показывает наличие магнитного поля, например, присутствие рядом с ним постоянного магнита. Для наших целей необходимы цифровые или дискретные датчики Холла. В отличие от аналоговых они срабатывают при превышении магнитным полем определенного порога и имеют гистерезис.

Конструкции измерителей скорости могут быть самыми разными. Можно закрепить на валу двигателя металлический диск с радиальными прорезями и использовать автомобильный датчик Холла.

Диск будет прерывать магнитное поле между датчиком Холла и постоянным магнитом. На прорезях магнитное поле будет проходить к датчику и таким образом, при вращении, будут формироваться импульсы.

Я поступил проще. Использовал дешевый, миниатюрный датчик Холла TLE4905L. В самых дорогих магазинах он стоит до 50 руб, а на АлиЭкспресс от 25 руб.

Это цифровой датчик Холла, настроенный на определенный порог магнитного поля. Он прекрасно срабатывает на расстоянии 8 мм от миниатюрного магнита диаметром 5 мм и толщиной 1 мм.

Конструкция измерителя очевидна. Я приклеил 2 магнита к диску вентилятора и над линией, по которой они двигаются при вращении, расположил датчик Холла.

Когда магниты проходят под датчиком, на его выходе формируются импульсы. Измерив частоту этих импульсов можно определить скорость вращения двигателя. На один оборот вырабатываются 2 импульса. Я использовал 2 магнита для того чтобы не нарушить балансировку вентилятора. Возможно, хватило бы и одного.

Как у датчика, так и у магнитов есть полярности. Поэтому перед тем, как устанавливать эти компоненты надо проверить в каком положении срабатывает датчик.

Датчик TLE4905L имеет выход с открытым коллектором. Он не формирует напряжение на выходе, а только замыкает или размыкает выход на землю. Со стороны приемника необходим внешний подтягивающий резистор.

Подключение датчика необходимо производить отдельными проводами. Все связи должны соединяться непосредственно на плате Ардуино. С точки зрения помехозащищенности это самое узкое место в системе.

Для задания скорости будем использовать переменный резистор. Подключим его к аналоговому входу платы Ардуино. Добавим еще сигнал включения/выключения двигателя и выход для тестовых импульсов. С помощью него будем проверять работу устройства без мотора.

С учетом всего вышесказанного окончательная схема контроллера-регулятора оборотов двигателя будет выглядеть так.

В реальных приложениях обороты можно задавать напряжением на аналоговом входе A0. Получится стандартный аналоговый интерфейс 0…5 В. Если необходим диапазон 0…10 В, то достаточно добавить резисторный делитель напряжения.

Состояние контроллера для отладки ПИД-регулятора будем передавать на компьютер через последовательный порт. Я разработаю программу верхнего уровня с регистрацией данных и отображением их в графическом виде. Регистратор значительно облегчает настройку любого ПИД-регулятора.

В следующем уроке начнем “оживлять” контроллер.