Gleichstrommotor - PWM gegen Spannung

Bei der Steuerung eines Gleichstrommotors mit einer theoretischen Nennspannung von 5 V kann ich den Motor folgendermaßen antreiben:

5 V mit 100% Einschaltdauer PWM.
10 V mit 50% Einschaltdauer PWM.
20 V mit 25% Einschaltdauer PWM.

Gibt es einen Unterschied zwischen den beiden? Verkürzt die Verwendung von Option 2/3 die Lebensdauer des Motors? Würde eine Änderung der PWM-Frequenz die Lebensdauer des Motors verbessern? Der Grund dafür ist, dass es möglich ist, den Motor mit höherer Spannung viel langsamer anzutreiben.

motor pwm

— Gilad
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Ich bin mir nicht sicher, ob ich der letzten Aussage folge, warum Sie glauben, dass Sie den Motor mit einer höheren Spannung langsamer fahren können?

— PeterJ

In 25% der Fälle legen Sie das 4-fache der Nennspannung an. Sie haben größere Stromspitzen zusammen mit der höheren Spannung und beide können Ihren Motor beschädigen, selbst wenn sie nur 25% der Zeit angelegt werden.

— EwokNightmares

Vielleicht möchten Sie überlegen, was wirklich passiert - Spannung ist nur ein Mittel, um Strom durch Ihren Motor zu leiten. Das Produkt der beiden ist die tatsächliche Leistung. Das Steuern der Spannung ist eine sehr vage Methode zum Steuern eines DC-Servomotors.

— John U

Ich denke, es ist auch möglich, dass Sie dadurch auch mehr Drehmomentwelligkeit haben.

— EwokNightmares

Was ist Ihre Dienstfrequenz? Es gibt mehr Auswirkungen, wenn es 1 Hz wäre, anstatt 1 kH :-)

— shuckc

Antworten:

Ja, das ist ganz anders. PWM-Antrieb und Spannungsantrieb getrennt bedeuten nicht wirklich viel, aber wenn sie auf diese Weise kombiniert werden, erhalten Sie eine signifikant unterschiedliche Leistung.

Elektrisch können Sie einen Motor als Induktor (Wicklungen), Widerstand und Spannungsquelle (EMK, proportional zur Motordrehzahl) modellieren. Wenn Sie eine niedrigere Spannung als eine höhere Spannung anlegen, werden Sie:

Holen Sie sich ein langsameres durch die Motorwicklungen, wodurch das Drehmoment reduziert wird $dI/dt$
haben eine niedrigere Höchstgeschwindigkeit wegen Gegen-EMK

Mit PWM und einer höheren Spannung können Sie bei gleichen Drehzahlen höhere Spitzengeschwindigkeiten und häufig ein viel höheres Drehmoment erzielen.

Es gibt keinen wirklichen Grund, warum ein Motor beim Anlegen höherer Spannungen beschädigt wird. Motorschäden werden verursacht durch:

Lagerüberlastung (z. B. seitliches Drücken der Welle einer Axiallagerachse)
Lagerüberdrehzahl (hängt hauptsächlich vom verwendeten Öl ab)
Bürstenlichtbogen (verursacht durch hohe Geschwindigkeiten und in viel geringerem Maße auch höheren Strom)
Verformung und Delaminierung innerer Strukturen durch Überhitzung

Außerdem führt eine Überhitzung oder ein Betrieb eines Motors mit sehr hohen Strömen aufgrund der magnetischen Sättigung zu einer (signifikanten) Verringerung des Drehmoments.

Wenn Sie sicherstellen können, dass Sie Ihren Motor innerhalb der Drehzahl-, Drehmoment- und Kraftgrenzen halten und ihn ordnungsgemäß kühlen, hat der Betrieb mit PWM bei höheren Spannungen keinen Nachteil.

— user36129
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d I / d t

$dI/dt$

d I / d t

$dI/dt$

Sind Sie sicher, dass DCM die Norm für (gut konzipierte) Motorsteuerung ist? Laut Wikipedia reichen die Steuerfrequenzen für PWM-Motoren von "wenigen Kilohertz (kHz) bis zu einigen zehn kHz für einen Motorantrieb". Dies ist nicht das, was ich als "extrem niedrig" bezeichnen würde, und mit den meisten Motoren, mit denen ich gearbeitet habe, bis weit in den CCM-Betriebsbereich hinein.

— Phil Frost

Dies hängt vollständig von Ihrer Anwendung ab. Ich habe typische Anwendungen kleiner Gleichstrommotoren angenommen - Hobbyartikel, RC-Flugzeuge usw. Für diesen Bereich ist DCM die Norm. Sie werden normalerweise mit höchstens ein paar kHz und sehr niedrigen Motorinduktivitäten (oft <1 mH) betrieben. Mit zunehmender aktueller und physischer Größe ist es schwierig, DCM überhaupt durchzuführen, und CCM ist alles, was Menschen tun. Und mit extrem niedriger Frequenz meine ich hörbare Region. Ich hätte das quantifizieren sollen.

— user36129

Vielen Dank für eine ausführliche Antwort. Mein Ziel ist es, den Motor so langsam wie möglich zu fahren, und ich habe bereits einen 1: 1000-Gang. Ich benutze einen kleinen Motor. Der Motor läuft kühl, aber ich bin besorgt über seine Lebensdauer.

— Gilad

Ein PWM-angetriebener Motor ist ein Tiefsetzsteller . In dem Maße, in dem Ihre Schaltung und Ihr Motor einen guten Abwärtswandler darstellen, gibt es keinen Unterschied zwischen den einzelnen Optionen.

Einige Dinge zu beachten:

$1000V$ $20V$

Wenn Ihre PWM-Frequenz für die Wicklungsinduktivität des Motors zu niedrig ist, ändert sich der Strom über jeden PWM-Zyklus erheblich, Sie haben eine hohe Drehmomentwelligkeit und Sie haben keinen guten Abwärtswandler mehr. Leistung und Effizienz werden darunter leiden. Im Extremfall kann es sein, dass Sie den Motor nicht einmal zum Drehen bringen .

Genau wie bei einem Tiefsetzsteller beinhaltet ein PWM-Antrieb Transistoren und andere Schaltungen, was notwendigerweise zusätzliche Verluste mit sich bringt. PWM-Antriebe sind auch komplexer zu konstruieren, schwieriger zu arbeiten, teurer zu implementieren usw. Einige dieser Verluste (z. B. Hystereseverluste) befinden sich im Motor und führen zu einer höheren Motortemperatur In der Regel verringert der Grenzparameter für die Motorleistung und eine höhere Temperatur insgesamt die Lebensdauer des Motors. Sie würden jedoch ein sehr schlechtes Design benötigen, um diese Verluste an Verluste heranzuführen, die Sie bereits bei Gleichstrom haben, wie z. B. Widerstandsverluste in den Wicklungen, sodass der Unterschied zwischen der Effizienz des PWM- und Gleichstromantriebs nicht groß ist.

— Phil Frost
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Es gibt einige Dinge, auf die Sie achten müssen, wenn Sie PWM verwenden.

Erstens hat die PWM-Spannung, die Ihr Motor sieht, Hochfrequenzoberwellen. Diese Oberwellen führen zu Verlusten in Ihrem Motor, die bei Verwendung von Gleichspannung nicht vorhanden wären. Dies bedeutet, dass Ihr Motor bei PWM vs. DC heißer wird (alle anderen Dinge sind gleich). Wie sich dies auf die Lebensdauer Ihres Motors auswirkt, hängt von vielen Faktoren ab. Es gibt eine sehr grobe Faustregel in der Motorwelt, die besagt, dass Sie mit jeder Erhöhung der Motorspulentemperatur um 10 ° C die Lebensdauer der Motorisolation um die Hälfte reduzieren. Sie müssten einen Bewertungstest für den Motor mit dem von Ihnen verwendeten PWM-Laufwerk durchführen, um entweder den Motor zu reduzieren oder um Ihnen mitzuteilen, wie viel heißer es mit PWM bei der Typenschildbewertung werden würde. Die meisten Leute sind jedoch wirklich für diesen Test gerüstet.

Zweitens, vorausgesetzt, Sie sprechen von niedrigen Spannungen wie in Ihrem Beispiel (5 V - 20 V), hat die erhöhte Spannung selbst wahrscheinlich keinen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Isolierung. Natürlich hängt es vom Motor ab, aber im Allgemeinen kann die Isolierung in Motoren für kurze Zeit Spannungen bis zu mindestens 1000 V standhalten. Angesichts von Spannungsspitzen aufgrund der PWM bedeutet dies, dass Sie sich nicht wirklich um eine Verkürzung der Isolationslebensdauer sorgen müssen, bis Sie über Motoren mit einer Nennspannung von ~ 400V-600V oder höher sprechen. Die höheren Spannungen mit PWM könnten sich auf die Lebensdauer der Bürste auswirken, sind jedoch ohne Prüfung nur schwer zu sagen.

— Eric
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