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使用 PWM 控制有刷直流电机–获得最佳频率、 电流纹波和寿命

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-07-26 10:03:11



许多使用刷直流微电机的应用需要在多个负载点或特定负载周期下驱动电机。在这些可用的负载点运行电机需要一个可变和可控的电源 连续线性调节电源或脉宽调制(以下简称脉宽调制)PWM)来实现。线性调节通常效率低下,需要更大的外壳结构。而且在电池驱动的应用中,在变化的负载点使用线性调节是不现实的。另一方面,PWM稳压方法有效,可用于电池或直流电源驱动的各种应用。PWM 驱动具有较高的效率,可延长电池寿命并减少电子组件的发热。

通过PWM驱动电机的一个缺点是转子绕组PWM连续切换会导致涡流损耗,通常不会出现在线性电源中。但是,适当使用PWM涡流效应可以降到最低,从而实现电机的最佳驱动。


刷直流电机具有极低的惯性和低电感。该电机可用于需要动态特性和快速响应的应用。PWM绕组中的电流控制可以实现。因此,借助我们的空心杯 可正确控制与平均绕组电流成线性比的输出扭矩。


与纯电阻负载不同,转子绕组上的电阻、电感和反电动势优化 PWM 频率和空比的决定性因素。


 恒定线性直流电源获得目录值和寿命测试结果。


PWM 电源


除了直流电阻,直流电机绕组也是对的PWM电路产生电感。另外,端子之间会产生等效 电机特性(KE)反电动势和速度。这使得PWM电路的设计变得有点复杂,因为它不仅需要 精确控制占空比,需要精确控制 PWM 频率可以获得最佳的电机性能。当电机静止或以非常低的速度旋转时,反电动势可以忽略。下图显示了电机的简化等效电 路。


使用变化电压时(例如PWM在驱动电机的情况下),图2中显示的续流或缓冲二极管是必要的部件。使用续流二极管可以在切换时消散电荷而不产生电弧。


当电机以较高的速度运行时,反电动势等于施加的电压,因此需要代表反电动势的部件 添加到等效电路中。


在刷直流电机中,存在和使用反电动势RL电路为PWM控制带来非线性特性,PWM频率和PWM获得最佳输出功率非常重要。


在EMC(电磁兼容)在要求较高的场合使用PWM由于与直流线性电源相比,我们建议在驱动电机时分析其辐射影响,PWM辐射电磁能通常更高。


电压电流特性


当在RL当电路两端施加电压时,电感器会抑制流过电路的电流。因此,这取决于电机L/R电流将以指数的形式上升到稳态值。图4显示了绕组中电流上升的示意图。当电路缓解施加的电压时,电流以指数的形式缓慢下降到零。


L/R 常数(称为RL电路了电路中施加电压的最大变化率。施加电压发 生变化后,电流需要经过相等于几个时间常数的持续时间后达到稳态。以下曲线显示了电机中电流指数的上升形式,并表示理想情况。通常将时间常数的五倍视为达 稳态所需的时间。但是,如下图所示,在五倍时间常数的情况下,我们获得了约99的最大电流.33%。所以设计师会选择需要多少时间。


为了简单起见,我们可以忽略反电动势的存在,简单起见 RL 电路中的电流上升表示为

“I在给定电压下通过0 RL 电路的最大电流。τ”是 RL 电路的时间常数定义为电流 最大电流(1/e ≈ 63.21%)所需时间。t是时候了。一旦达到稳态,如果断开电源,就会流经 RL 如图所示,电路的电流将以指数形式衰减 5 所示。


PWM 设计思考

当使用PWM当驱动器配备刷直流电机时,转子的内部电感器作为电流滤波器,对驱动电路 但是,其他设计参数(如PWM频率和空比)会影响电流纹波,从而影响电刷换向器 的寿命。


当使用PWM驱动电机时,电机的电流随之而来PWM每个周期都在上升和下降。忽略电机的反电势,电流上升是电机电感和总电阻的函数。对于每一个PWM为了使电流稳定 值,应选择 PWM 频率来为 RL 电路留出足够的时间,通常大于 5τ。


当 PWM 当频率增加到超过阈值时,PWM 开关时间变小RL电路运行和电流达到稳态所需的时间。因此,电流在两个非稳态值之间振荡,导致电流纹波。图6显示当PWM频率足以满足稳态条件。图7显示PWM当频率高于稳态时,流经电机的电流振荡时。从设计的角度来看,为了实现近似线性扭矩,应通过优化驱动频率来降低电流纹波。


我们还建议将军PWM频率保持在高于人类听0Hz–20kHz),因为在这个频率范围内 电机运行过程中可能会产生噪声。

电流纹波


对于的空心杯电机,我们建议保持电流纹波尽可能小。通常,纹波 < 10% 它被认为是一个较低的值。较高的纹波会影响性能:


I. 电机输出扭矩与电流成正比,绕组中的电阻加热与电流平方成正比。因此,绕组中的热量将在峰值电流下占主导地位,降低电机的性能和使用寿命。II.  有刷直流电机不使用铁芯叠片,因此磁路中的涡流、磁滞损失和电流纹波 成正比,并且会降低电机的整体性能。III. 由于电腐蚀和系数电蚀的增加会影响贵金属换相器的电机寿命 L.Ieff2 成正 比。其中 L 是电感,Ieff 是绕组的有效电流。IV. 对于碳刷换向器,电流纹波的增加会增加铜绿的积累(铜绿或薄层是碳刷换向器表面形成的氧化铜层,有助于改善换向动作,减少摩擦)。因此,在较低的速度下,速度下会变差。在中高速下,薄层不会显著影响电机的性能。


等式(11)可用于提取占空比D频率1/1/1TP”的PWM电机中的电流纹波是由信号引起的。等式(11)特别值得注意,当占空比为50%时,电流纹波最大。因此,我们建议PWM设计师应远离电机 50% 占空比区域运行。同样,电流纹波只取决于电机的电感,而不取决于电机的电气时间常数。理想情况下,对对于空心杯电机,差值应根据最大电机输入电压和应用速度进行(UON–UOFF,有时以 ?U 尽量保持低。电机两端的电感是PWM频率函数。产品目录显示1kHz 当时的电机电感。例如,在100kHz电感可降至目录值的20%。与铁芯电机相比,电机的电感降低了两倍。此外,由于转子绕组中没有铁叠片,质量因数较差。因此,配备电机的PWM驱动电路损耗较高,电子稳定性较低。


思考电机寿命


刷直流电机的主要故障模式是刷换向器。碳石墨或贵金在电机使用寿命内 电刷由弹簧加载,并与集电环各段机械耦合,对线圈充电。因此,当电刷在集电环上时 滑动时,刷子的磨损是机械摩擦的函数,换向时放电引起电蚀。


等式(11)可用于提取占空比D频率1/1/1TP”的PWM电机中的电流纹波是由信号引起的。等式(11)特别值得注意,当占空比为50%时,电流纹波最大。因此,我们建议PWM设计师应使电机远离占空比50%的区域。同样,电流纹波只取决于电机的电感,而不取决于电机的电气时间常数。理想情况下,对对于空心杯电机,应根据最大电机输入电压和应用速度 差值(UON–UOFF,有时以 ?U 尽量保持低。电机两端的电感是PWM频率函数。产品目录显示1kHz当时的电机电感。例如,在100kHz电感可降至目录值的20%。与铁芯电机相比,电机的电感降低了两倍。此外,由于转子绕组中没有铁叠片,质量因数较差。因此,配备电机的PWM驱动电路将有相对较高的损耗,且电子稳定性较低。


通过PWM延长电机寿命


使用PWM 可采取以下措施提高电机寿命:1. 减少电机电流纹波的增加PWM频率可以降低电流纹波。如果PWM频率明显高于电机 L/R 时间常数会进一步减少纹波。对于在空心杯设计方面,为了考虑电机的使用寿命,建议纹波<10%。另一种减少电流纹波的常规直观方法是在电机电路中添加一个外部电感器作为电流滤波器 器。这通常会提高效率。但由于电感的使用会使电刷换向器系统的整体电蚀更加严重, 与电路的电感成正比。因此,除非我们只考虑效率和电机加热,否则率和电机加热。 解决方案。2.DC-DC与将外部电感添加到电路中的解决方案相比,图8中设计的系统效率大大提高,电机刷寿命更长。


结论

使用微电机的电池驱动应用直接影响电池的充电周期。PWM驱动器具有使电机以不同速度运行的优点。然而,我们需要一个准确的PWM确保电流和电压纹波可以忽略不计,不影响电机的使用寿命。

工程师可以帮助您根据应用程序需要正确设计PWM,并从众多产品中选择正确的电机工程师讨论你的应用程序。我们将帮助您根据电流纹波和预期寿命的要求设置它 计正确的PWM频率和空比。这可以帮助您最大限度地发挥应用性能,延长电池寿命。


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