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Controllo dei motori DC spazzolati utilizzando PWM - frequenza ottimale, ondulazione di corrente e considerazioni sulla durata

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Introduzione

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Molte applicazioni che utilizzano i motori in miniatura DC spazzolati di Portescap richiedono di guidare i motori in più di un punto di carico o attraverso cicli di carico specifici

Il funzionamento del motore in punti di carico utilizzabili richiede una fonte di alimentazione variabile e controllabile, che può essere ottenuta tramite alimentatori a regolazione lineare continua o tramite modulazione di larghezza d'impulso (PWM). La regolazione lineare è generalmente inefficiente e richiede un maggiore spazio di alloggiamento. Inoltre, nelle applicazioni a batteria, diventa poco pratico usare la regolazione lineare a punti di carico variabili. La regolazione della tensione PWM, d'altra parte, è efficiente e può essere usata efficacemente con applicazioni a batteria o a corrente continua

La migliore efficienza dell'azionamento PWM aumenta la durata della batteria e riduce il riscaldamento dei componenti elettronici.

Un compromesso dell'uso del PWM con un motore è la comparsa di perdite di corrente parassita negli avvolgimenti del rotore a causa della continua commutazione PWM, che in generale non è presente nel caso di una fonte di alimentazione lineare. Tuttavia, con una corretta progettazione del PWM, gli effetti delle correnti parassite possono essere minimizzati, permettendo ai motori di essere pilotati in modo ottimale.

I motori DC spazzolati Portescap offrono un'inerzia molto bassa e una bassa induttanza. Questo permette l'uso del motore in un'applicazione dove si desidera un comportamento dinamico e risposte veloci. L'uso del PWM permette il controllo della corrente negli avvolgimenti. Quindi, la coppia di uscita, che è linearmente proporzionale alla corrente media dell'avvolgimento, può essere controllata correttamente; grazie al nostro design senza nucleo.

A differenza di un carico resistivo puro, per un motore DC, la resistenza, l'induttanza e il back EMF sugli avvolgimenti del rotore sono fattori decisivi per ottimizzare la frequenza PWM e il duty cycle

Alimentazione lineare contro PWM

SORGENTE DC LINEARE

La Fig. 1 mostra un circuito equivalente di un motore azionato usando una sorgente DC lineare. Qui, la corrente è una funzione della sola resistenza dell'avvolgimento. L'induttanza non influisce sulla corrente perché a sorgente costante, l'impedenza di un induttore è zero.

I valori del catalogo Portescap e i risultati dei test di vita sono derivati con un'alimentazione DC lineare costante.

FONTE PWM

Oltre alla resistenza ohmica, l'avvolgimento di un motore DC offre induttanza al circuito PWM. Inoltre, un back EMF, equivalente alle caratteristiche del motore (KE) e alla velocità, viene generato attraverso il terminale. Questo complica la progettazione di un circuito PWM in quanto non solo il duty cycle ma anche la frequenza del PWM deve essere controllata con precisione per una prestazione ottimale del motore.

Quando il motore è a riposo o ruota a una velocità molto bassa, il back EMF può essere trascurato e viene mostrato un circuito equivalente semplificato del motore (Fig. 2).

Il diodo a ruota libera o snubber mostrato in Fig. 2 non dovrebbe mai essere omesso quando si usa una tensione variabile come nel caso del PWM che guida i motori. La presenza del diodo a ruota libera permette la dissipazione della carica senza arco al momento della commutazione.

Quando il motore funziona a velocità moderatamente alta, il back EMF è paragonabile alla tensione applicata, quindi un componente che rappresenta il back EMF deve essere aggiunto al circuito equivalente. Il circuito equivalente modificato è mostrato in Fig. 3.

La presenza del back EMF insieme al circuito RL in un motore DC spazzolato porta la non linearità al controllo PWM e sia la frequenza PWM che il duty cycle PWM diventano significativi per una potenza di uscita ottimale. Mentre si usa il PWM per pilotare il motore dove la EMC (compatibilità elettromagnetica) è critica, si raccomanda di analizzare gli effetti delle radiazioni poiché l'energia elettromagnetica irradiata è generalmente più alta con il PWM rispetto alle sorgenti lineari DC.

Caratteristiche tensione-corrente

Quando la tensione è applicata attraverso un circuito RL, l'induttore si oppone alla corrente attraverso il circuito. Come risultato, la corrente aumenta esponenzialmente fino a un valore di stato costante che dipende dal rapporto L/R del motore. La Fig. 4 mostra l'aumento schematico della corrente attraverso l'avvolgimento. Quando la tensione applicata viene rimossa dal circuito, la corrente arriva lentamente a zero, decadendo esponenzialmente.

La costante L/R, conosciuta come la costante di tempo per un circuito RL, definisce il tasso massimo di cambiamento della tensione applicata nel circuito. Lo stato stazionario, dopo qualsiasi cambiamento della tensione applicata, viene raggiunto dopo una durata pari a diverse costanti di tempo. La curva qui sotto mostra l'aumento esponenziale della corrente nel motore e rappresenta uno scenario ideale. Cinque volte la costante di tempo è generalmente considerata la quantità di tempo necessaria per raggiungere lo stato stazionario. Tuttavia, come illustrato di seguito, a cinque volte la costante di tempo, siamo circa al 99,33% della corrente massima. Quindi, diverse costanti di tempo è una scelta lasciata al progettista.

Ignorando la presenza di back EMF per semplicità, l'aumento di corrente in un semplice circuito RL può essere dato come

Formula 1-2

I0' è la corrente massima attraverso il circuito RL per una data tensione. 'τ' è la costante di tempo del circuito RL definita come il tempo necessario alla corrente per raggiungere (1/e ≈ 63,21%) della corrente massima. E 't' è il tempo.

Una volta raggiunto lo stato stazionario, se l'alimentazione viene scollegata, la corrente attraverso il circuito RL decade esponenzialmente come mostrato in Fig. 5.

Considerazioni sulla progettazione PWM

Quando si usa un azionamento PWM con motori DC spazzolati, l'induttanza interna del rotore agisce come un filtro di corrente ed è vantaggioso per il circuito di azionamento. Tuttavia, altri parametri di progettazione, come la frequenza PWM e il duty cycle, hanno un impatto sull'ondulazione di corrente e quindi sulla vita della commutazione spazzolata.

FREQUENZA OTTIMALE

Quando si usa un PWM per pilotare il motore, la corrente attraverso il motore sale e scende con ogni periodo del PWM. Ignorando il back EMF del motore, l'aumento di corrente è una funzione dell'induttanza del motore e della resistenza totale. Per ogni ciclo PWM, affinché la corrente raggiunga il suo valore di stato stazionario, la frequenza PWM dovrebbe essere scelta in modo da consentire un tempo sufficiente per il circuito RL, tipicamente più di 5τ.

Quando la frequenza PWM viene aumentata oltre un valore di soglia, il tempo di accensione e spegnimento del PWM diventa inferiore al tempo necessario al circuito RL per funzionare e alla corrente per raggiungere il suo stato stazionario. Quindi, la corrente oscilla tra due valori di stato non stazionario, il che dà origine all'ondulazione di corrente. La Fig. 6 mostra le condizioni in cui la frequenza PWM è sufficiente per raggiungere lo stato stazionario. La Fig. 7 mostra la condizione in cui la frequenza di PWM è superiore al tempo necessario per lo stato stazionario e la corrente attraverso il motore oscilla. Da un punto di vista progettuale, l'ondulazione di corrente dovrebbe essere ridotta ottimizzando la frequenza di pilotaggio in modo da ottenere un comportamento di coppia quasi lineare.

È anche consigliabile mantenere la frequenza PWM più alta della gamma udibile dall'uomo (20 Hz - 20 kHz) poiché un'ondulazione di corrente in quella gamma di frequenza può introdurre rumore durante il funzionamento del motore.

ONDULAZIONE DI CORRENTE

Per i motori senza nucleo Portescap, suggeriamo di mantenere il ripple di corrente il più basso possibile. Tipicamente, un'ondulazione di

<10% è considerato un valore basso. Un'ondulazione più alta influenzerebbe le prestazioni:

I. La coppia di uscita del motore è proporzionale alla corrente, mentre il riscaldamento ohmico (resistivo) nell'avvolgimento è proporzionale al quadrato della corrente. Quindi, alle correnti di picco, il riscaldamento nell'avvolgimento dominerebbe e ridurrebbe le prestazioni e la durata del motore.

II. I motori DC spazzolati Portescap non usano laminazioni di ferro, quindi le perdite di corrente parassita e di isteresi nel circuito magnetico sono direttamente proporzionali all'ondulazione di corrente e ridurrebbero il rendimento complessivo del motore.

III. Per la commutazione dei metalli preziosi, l'aumento dell'elettroerosione influenzerebbe la vita del motore, poiché l'elettroerosione è proporzionale al fattore L.Ieff 2 . Dove L è l'induttanza e Ieff è la corrente effettiva attraverso l'avvolgimento.

IV. Per la commutazione delle spazzole di carbone, l'aumento dell'ondulazione di corrente aumenta l'accumulo di patina. (La patina o pellicola è lo strato di ossido di rame che si forma sulla superficie del commutatore della spazzola di carbone e che è utile per migliorare la commutazione e ridurre l'attrito) Quindi, a basse velocità, il contatto della spazzola si deteriora. A velocità moderate o alte, la patina non influenzerebbe significativamente le prestazioni del motore.

La tensione induttiva attraverso il terminale può essere data come

Formula 3

Dove L è l'induttanza, UL è la tensione generata attraverso l'induttore e T è il tempo infinitesimale in cui la corrente è cambiata di ∆I.

Per il funzionamento PWM del motore, la tensione attraverso il suo terminale è contrastata dal back EMF generato attraverso il terminale del motore. Quindi, l'eq. (3) può essere riscritta sia per l'aumento che per la diminuzione della corrente nelle operazioni PWM come:

Formula 4-5

Dove il pedice ON denota il tempo di 'on' e OFF denota il tempo di 'off' dell'impulso PWM in modo che il tempo totale TP sia dato come

Formula 6-10

Dove D è il duty cycle del segnale PWM.

Quindi, l'eq. (8) può essere riscritta come

Formula 11

L'eq. (11) può essere usata per estrarre l'ondulazione di corrente nel motore dovuta a un segnale PWM di duty cycle 'D' e frequenza '1/TP'.

È di particolare interesse notare dall'eq. (11) che l'ondulazione di corrente è massima quando il duty cycle è del 50%. Quindi, si suggerisce ai progettisti PWM di far funzionare il motore lontano dalla zona del 50% del duty cycle.

Inoltre, dall'equazione di cui sopra, l'ondulazione di corrente dipende solo dall'induttanza del motore e non dalla costante di tempo elettrica del motore.

Idealmente, per i motori senza nucleo di Portescap, la differenza (UON - UOFF), a volte indicata come ∆U, dovrebbe essere mantenuta più bassa possibile in funzione della massima tensione di ingresso del motore e della velocità di applicazione. L'induttanza del motore attraverso il suo terminale è una funzione della frequenza PWM. Il catalogo dei prodotti Portescap mostra l'induttanza del motore a 1 kHz. A 100 kHz, per esempio, l'induttanza può diminuire fino al 20% del valore di catalogo.

Rispetto a un motore con nucleo in ferro, l'induttanza dei motori Portescap è inferiore di un fattore due. Inoltre, il fattore di qualità è più scarso perché non ci sono laminazioni di ferro negli avvolgimenti del rotore. Quindi, l'azionamento PWM con un motore Portescap avrà perdite relativamente maggiori e offrirà meno stabilità elettronica.

CONSIDERAZIONI SULLA VITA DEL MOTORE

Nei motori DC spazzolati, la modalità di guasto dominante è la commutazione spazzolata. Durante la vita del motore, le spazzole, sia in carbonio-grafite che in metallo prezioso, sono caricate a molla e accoppiate meccanicamente con i segmenti del collettore per caricare le bobine. Quindi, l'usura delle spazzole è una funzione dell'attrito meccanico quando le spazzole scorrono sui segmenti del collettore e dell'elettroerosione causata dalle scariche elettriche al momento della commutazione.

Quando si usano azionamenti PWM per far funzionare il motore a varie velocità e punti di carico, la stima della vita del motore diventa una combinazione complessa di vari fattori che guidano le sue proprietà di usura. Questi fattori possono essere:

i. Densità di corrente più alta nella commutazione a causa di un'efficienza ridotta, alto attrito meccanico, lubrificazione insufficiente o ricircolo di corrente.

ii. Elevata elettroerosione durante i picchi di corrente quando si usano fonti PWM.

iii. Elevata temperatura di lavoro del motore dovuta alle condizioni ambientali o all'alta densità di potenza del motore che riduce la qualità della lubrificazione.

A seconda dell'applicazione e del tipo di sorgente utilizzata per alimentare il motore, l'aspettativa di vita può dipendere da uno o più dei fattori sopra descritti.

Per i progetti di motori in cui il punto di carico richiede che il motore funzioni a coppia e velocità moderate, senza carichi assiali e radiali che agiscono sull'albero e in un intervallo di temperatura moderato (tipicamente <60º C), l'usura è generalmente dominata dall'elettroerosione. Quindi la vita del motore è inversamente proporzionale all'induttanza e al quadrato della corrente:

Formula 12

L'equazione precedente considera una fonte di alimentazione lineare o una fonte PWM con un'ondulazione di corrente trascurabile rispetto alla corrente media attraverso il motore. In scenari pratici, l'ondulazione può contribuire a ridurre significativamente la vita del motore.

Caso-1: L'ondulazione di corrente è inferiore al 10%

Con i motori DC spazzolati Portescap, per ridurre l'ondulazione di corrente a meno del 10%, la gamma di frequenza può essere di 40 kHz - 120 kHz.

Formula 13

llosses sono le perdite nel diodo, le perdite dovute alla corrente parassita e l'isteresi sul tubo del motore. Questo ridurrebbe l'efficienza complessiva del motore. Tuttavia, un buon design produrrebbe circa l'85-90% di efficienza del PWM.

Dalle eq. (12) e (13), e considerando le perdite come 10% di Imotor, come 10% di Imotor,

Caso-2: L'ondulazione di corrente è significativa

L'equazione (14) è vera quando Ilosses è basso rispetto a Imotor. Quando l'ondulazione di corrente è alta, l'ondulazione di corrente istantanea attraverso il motore riscalda il motore e l'equazione dovrebbe essere modificata come

Considerando un PWM con un duty cycle del 50% dove l'ondulazione è massima e la potenza media del motore è 'P', la parte integrale può essere riscritta come

AUMENTARE LA VITA DEL MOTORE CON PWM

Ci sono un paio di cose che possono essere fatte per migliorare la vita del motore mentre si usa il PWM:

1. RIDURRE L'ONDULAZIONE DI CORRENTE DEL MOTORE

L'ondulazione di corrente può essere ridotta aumentando la frequenza PWM. Se la frequenza PWM è significativamente più alta della costante di tempo L/R del motore, l'ondulazione si riduce ulteriormente. Per il design Portescap coreless, un ripple di <10% è raccomandato in termini di vita del motore.

Un altro approccio intuitivo generale per ridurre l'ondulazione di corrente è quello di aggiungere un'induttanza esterna nel circuito del motore che agisce come un filtro di corrente. Questo generalmente migliora l'efficienza. Tuttavia, la presenza di un'induttanza peggiora l'elettroerosione globale del sistema spazzola-commutatore poiché l'elettroerosione è direttamente proporzionale all'induttanza del circuito. Quindi, a meno che l'efficienza e il riscaldamento del motore siano le uniche preoccupazioni, non raccomandiamo questa soluzione.

2. PROGETTAZIONE DEL CONVERTITORE DC-DC

In progetti come quello mostrato in Fig. 8, l'efficienza del sistema migliora drasticamente, e la durata delle spazzole del motore è migliore rispetto alla soluzione in cui un'induttanza esterna viene aggiunta al circuito.

Per ottimizzare il circuito, l'ondulazione di tensione, data dall'eq. 18, dovrebbe essere minimizzata. Un valore inferiore al 10% è abbastanza buono dal punto di vista del funzionamento pratico del motore.

Dall'equazione di cui sopra, a frequenze più alte il valore dell'induttore e del condensatore si ridurrebbe e quindi l'imballaggio complessivo dell'azionamento PWM si ridurrebbe. Inoltre, le vibrazioni ultrasoniche possono essere indotte nel rotore quando si guida il motore a frequenze più basse. Si suggerisce quindi di pilotare il motore a frequenze superiori a 20kHz.

Conclusione

Per le applicazioni a batteria dove si usano motori in miniatura, l'efficienza dell'applicazione guida il ciclo di carica delle batterie. Un azionamento PWM è vantaggioso e permette al motore di funzionare a diverse velocità. Un design PWM accurato è comunque necessario per garantire che le ondulazioni di corrente e tensione siano trascurabili e che la vita del motore non ne risenta.

Gli ingegneri di Portescap possono aiutarvi a progettare il giusto PWM in base alle vostre esigenze applicative e a selezionare il giusto motore dalla vasta gamma di prodotti offerti. Parlate con uno degli ingegneri di Portescap per discutere della vostra applicazione. Sulla base dei requisiti dell'ondulazione di corrente e dell'aspettativa di vita, vi aiuteremo a progettare la giusta frequenza PWM e il duty cycle. Questo vi aiuterà a massimizzare le prestazioni della vostra applicazione e a prolungare la durata della batteria.