Есть ли способ сказать, на какой частоте мне нужен ШИМ?

У меня есть двигатель 12 В постоянного тока, который вращается со скоростью 60 об / мин или 1 Гц. Нужен ли мне ШИМ, соответствующий частоте, чтобы он работал? Большинство из тех, что я видел, имеют частоту около 25 кГц для двигателя 12 В 20 А.

Нет. Вы не сопоставляете число оборотов в секунду с частотой ШИМ. Это должно быть намного выше. Вы хотите, чтобы он был достаточно высоким, чтобы двигатель работал плавно (инерция двигателя сглаживает движение, а индуктивность двигателя помогает сгладить ток), но не настолько высоки потери переключения в вашей электронике. Часто по крайней мере 8-10 кГц, но вы можете захотеть> 20 кГц, если слышен шум. У вас есть немного свободы, прежде чем она станет "неправильной" частотой.

Вы хотите, чтобы индуктивность двигателя приводила к достаточно низкой пульсации тока во время цикла ШИМ. Вот правило одного из производителей дисков :

$f_{PWM} \ge \frac {0.6V_{SUPPLY} }{L_{MOTOR}\cdot I_{NOMINAL}}$

Эта формула приводит к некоторой пульсации, около 40% пика на пределе и D = 50%, поэтому может быть желательна чуть более высокая частота, особенно если двигатель будет работать с низким рабочим циклом.

В любом случае оптимальная частота ШИМ, таким образом, может зависеть от конструкции двигателя (для эффективности переключения и низкой стоимости не требуется, чтобы частота ШИМ была выше необходимой. Излишне высокая частота ШИМ может привести к чрезмерным потерям в двигателе, так как также как и в драйвере. С другой стороны, если частота слишком низкая, RMS-драйвер и ток двигателя будут чрезмерными и приведут к большим потерям драйвера (и медным потерям в двигателе и проводке). могут быть акустические эффекты, такие как раздражающий скулящий, если частота слышна или если она возбуждает вибрационные моды, которые слышны, и на очень низких частотах пульсация крутящего момента может быть даже нежелательной.

Например, для блинных двигателей с очень низкой индуктивностью может потребоваться внешний последовательный индуктор, чтобы можно было использовать разумную частоту ШИМ.

Несмотря на практические правила и т. Д., Вам, вероятно, придется проверить двигатель и драйвер, чтобы получить хорошую оценку эффективности. 20 кГц-25 кГц, вероятно, является разумной отправной точкой для обычного щеточного двигателя постоянного тока с зубчатой ​​головкой, как я думаю, вы описываете.

Частота выбора зависит от применяемого фильтра (например, как RC-фильтр). Ваш двигатель постоянного тока, вероятно, не будет нуждаться ни в каких фильтрах, потому что его инерция будет служить этой цели, пока частота ШИМ достаточно высока (достаточно нескольких кГц). В конечном итоге двигатель будет издавать нежелательный шум, в этом случае вы можете добавить конденсатор для сглаживания.

Те 25 кГц, о которых вы упомянули, вероятно, полагаются на стандарт Intel для фанатов ПК. Но обратите внимание: 25 кГц не пропорциональны оборотам в любом виде. При диммировании с помощью ШИМ рабочий цикл определяет энергопотребление двигателя . Если вы хотите контролировать фактические обороты, вам нужно реализовать цикл управления. Если вы не используете один из упомянутых 4-контактных вентиляторов для ПК, установка оборотов только с помощью ШИМ невозможна.

Ответ Шепро показывает способ оценки нижнего предела для $f_{PWM}$, Я хотел бы добавить, что верхний предел обычно зависит от вашего мертвого времени, которое представляет искажение мертвого времени (DTD). В игру вступают несколько аспектов, в том числе ошибка регулирования (которая обычно компенсируется), гармоники (которые иногда необходимо отфильтровывать) и повышенное рассеивание мощности MOSFET (во время паузы ток двигателя протекает через диоды корпуса MOSFET, которые имеют намного более высокое падение напряжения, чем у полностью открытого MOSFET).

Как правило, вы хотите, чтобы ваш период ШИМ был примерно в 50 раз больше, чем мертвое время, поэтому мертвое время, которое происходит дважды во время цикла ШИМ, занимает только 4% времени. Тогда вам нужно будет запрограммировать компенсацию мертвого времени, только если вам нужна хорошая точность, и будет достаточно очень простых методов компенсации (таких как добавление постоянного смещения к рабочему циклу).

Звуковой диапазон уже упоминался. Обычно вы хотите$f_{PWM}$быть выше слышимых частот, чтобы избежать шума. Как правило, шум выше 16 кГц считается достаточно слабым, чтобы большинство людей его не различали, особенно за обычным механическим шумом работающего двигателя.