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PWM-Arbeitszyklus zur Motorspannung

Wandeln Sie den PWM-Arbeitszyklus in die effektive Motorspannung um, berechnen Sie die Leerlaufdrehzahl und den Stillstandsstrom für die PWM-Steuerung von Gleichstrommotoren.

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Formel

V_eff = V_s × D, n₀ = V_eff × Kv

D— Duty cycle (0–1)
Kv— Motor speed constant (RPM/V)

Wie es funktioniert

Die Pulsweitenmodulation (PWM) steuert die durchschnittliche Spannung, die an einen Gleichstrommotor geliefert wird, indem die Stromversorgung mit einer festen Frequenz schnell ein- und ausgeschaltet wird. Der Arbeitszyklus (D) ist das Verhältnis zwischen Einschaltdauer und Dauer, ausgedrückt als Prozentsatz. Die durchschnittliche Motorspannung entspricht D × V_Supply, und die Durchschnittsgeschwindigkeit ist ungefähr proportional zu dieser Spannung für eine bestimmte Last. Bei niedrigen Einschaltzyklen muss immer noch ausreichend Strom fließen, um die Haftreibung zu überwinden (die Mindesteinschaltdauer für die Bewegung des Motors wird als Totzonenschwelle bezeichnet).

Bearbeitetes Beispiel

Ein 24-V-Gleichstrommotor muss mit einem PWM-Controller bei 20 kHz mit 60% seiner Nenndrehzahl laufen. Schritt 1 — Erforderlicher Arbeitszyklus: D = 60% → D = 0,60 Schritt 2 — Durchschnittliche am Motor anliegende Spannung: v_AVG = 0,60 × 24 V = 14,4 V Schritt 3 — PWM-Periode und Einschaltdauer: T = 1/20000 = 50 µs t_on = 0,60 × 50 µs = 30 µs t_off = 50 µs − 30 µs = 20 µs Schritt 4 — Schätzung der Motorstromwelligkeit (Motorinduktivität L = 2 mH): ΔI = (V_Versorgung × D × (1−D))/(L × f) ΔI = (24 × 0,60 × 0,40)/(0,002 × 20000) = 5,76/40 = 0,144 A Ergebnis: Stellen Sie den PWM-Timer auf einen 30 µs hohen Impuls in einem Zeitraum von 50 µs ein. Die Stromwelligkeit von 0,14 A ist für eine Motorwicklung mit 2 mH akzeptabel.

Praktische Tipps

  • ✓Wählen Sie eine PWM-Frequenz über 20 kHz, um hörbare Geräusche zu vermeiden. Verwenden Sie für große induktive Motoren 5—20 kHz, wenn Schaltverluste akzeptabel sind
  • ✓Fügen Sie einen Bootstrap- oder High-Side-Gate-Treiber hinzu, wenn Sie den High-Side-MOSFET einer H-Brücke ansteuern — ein MOSFET auf Logikebene kann von einer festen Versorgungsschiene aus nicht vollständig erweitert werden
  • ✓Messen Sie die Motortemperatur bei längerem Betrieb mit niedrigem Arbeitszyklus — bei niedrigen Drehzahlen erhält der Motor möglicherweise zu wenig Kühlluft von seinem eigenen Lüfter

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung einer zu niedrigen PWM-Frequenz (< 1 kHz) für Bürstenmotoren — hörbares Winseln und hohe Stromwelligkeit führen zu Überhitzung und Bürstenverschleiß
  • ✗Wenn Sie den Schwellenwert für die Mindesteinschaltdauer des Motors ignorieren — unter ~10— 20% dreht sich der Motor möglicherweise nicht, zieht aber trotzdem Stallstrom
  • ✗Antrieb eines Motors direkt mit einem GPIO-Pin statt mit einem Gate-Treiber — GPIO-Pins können nicht die maximale Gate-Ladung liefern, die für schnelles MOSFET-Schalten erforderlich ist

Häufig gestellte Fragen

Die mechanische Resonanzfrequenz des Motors kann durch die PWM-Schaltfrequenz oder deren Oberschwingungen angeregt werden. Versuchen Sie, die PWM-Frequenz zu überstreichen. Die Resonanz verschwindet normalerweise, wenn Sie sich 20— 30% von der Resonanzfrequenz entfernen. Bei einem Betrieb über 20 kHz werden hörbare Geräusche vollständig eliminiert.
Ja. Eine höhere PWM-Frequenz reduziert die Stromwelligkeit und damit die I²R-Verluste in der Wicklung, erhöht jedoch die MOSFET-Schaltverluste. Bei kleinen Motoren liegt die Frequenzweiche typischerweise bei 20—50 kHz. Große Industriemotoren werden mit niedrigeren Frequenzen (1—4 kHz) betrieben, wobei die Kernverluste dominieren.
Die Beziehung ist für eine bestimmte Last ungefähr linear, aber die Geschwindigkeit bei einem bestimmten Arbeitszyklus ändert sich mit dem Lastmoment. Bei höheren Lasten fällt die Spannung am Wicklungswiderstand stärker ab, sodass die tatsächliche Drehzahl niedriger ist als die geschätzte Drehzahl im offenen Regelkreis. Eine Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife (Encoder + PID) korrigiert diese Nichtlinearität.

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