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Motor

Ciclo de trabajo PWM a voltaje del motor

Convierta el ciclo de trabajo PWM en voltaje efectivo del motor, calcule la velocidad sin carga y la corriente de parada para el control PWM del motor de corriente continua.

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Fórmula

Veff=Vs×D,n0=Veff×KvV_eff = V_s × D, n₀ = V_eff × Kv
D— Ciclo de trabajo (0—1)
Kv— Constante de velocidad del motor (RPM/V)

Cómo Funciona

Esta calculadora determina el ciclo de trabajo del PWM, el voltaje promedio y los parámetros de temporización para el control de velocidad del motor de corriente continua. Los ingenieros de sistemas integrados, los programadores de robótica y los diseñadores de control de motores la utilizan para configurar los temporizadores de los microcontroladores para una regulación precisa de la velocidad. El PWM permite un control eficiente de la velocidad: los reguladores de voltaje lineales desperdician entre el 30 y el 60% de la energía en forma de calor, mientras que la conmutación PWM alcanza una eficiencia del 90 al 98%.

Según los fundamentos del control de motores (Krishnan, «accionamientos con motores eléctricos»), el ciclo de trabajo D representa la fracción de tiempo que la fuente está conectada: V_avg = D × V_supply. Para una carga determinada, la velocidad del motor es aproximadamente proporcional a la tensión media dentro de la región de funcionamiento lineal. La frecuencia PWM debe equilibrar dos restricciones: lo suficientemente alta como para superar el rango audible (>18-20 kHz por límite de audición humana) y lo suficientemente baja como para limitar las pérdidas de conmutación (<50 kHz para los controladores de motor típicos).

La ondulación actual depende de la inductancia del motor y de la frecuencia PWM: ΔI = V × D × (1-D)/(L × f). Según las directrices de control de motores de Texas Instruments, la ondulación de la corriente debe ser inferior al 20% de la corriente continua para minimizar las pérdidas adicionales de cobre. Un motor de 24 V con una inductancia de 2 mH a 20 kHz y una potencia del 50% muestra una ondulación ΔI = 24 × 0,5 × 0,5/ (0,002 × 20000) = 0,15 A, lo que es aceptable para un motor de más de 1 A. Las frecuencias más bajas o las inductancias más bajas requieren un filtrado LC o la aceptación de pérdidas por ondulación más altas.

Ejemplo Resuelto

Configure PWM para un motor de corriente continua de 36 V que debe funcionar al 40% de la velocidad máxima. La inductancia del motor es de 5 mH, la corriente nominal es de 8 A. Ondulación de corriente objetivo < 10%.

Paso 1: calcule el ciclo de trabajo requerido: Para una velocidad del 40%: D = 0.40 (suponiendo una relación lineal de velocidades en V) V_avg = 0.40 × 36 V = 14.4 V

Paso 2: Determine la frecuencia PWM mínima para el objetivo de ondulación: ΔI_target = 10% × 8 A = 0,8 A Desde ΔI = V × D × (1-D)/(L × f): f_min = V × D × (1-D)/(L × ΔI) f_min = 36 × 0,4 × 0,6/(0,005 × 0,8) = 8,64/0,004 = 2160 Hz

Paso 3 — Seleccione la frecuencia PWM práctica: Mínimo de ondulación: 2,16 kHz Mínimo de inaudible: 20 kHz Seleccione 20 kHz para un funcionamiento sin ruido

Paso 4: calcule la ondulación actual real a 20 kHz: ΔI = 36 × 0,4 × 0,6/(0,005 × 20000) = 8,64/100 = 0,086A Ripple = 0,086/ 8 × 100 = 1,1% (muy por debajo del objetivo del 10%)

Paso 5: Calcule los parámetros del temporizador para una MCU de 72 MHz: Período = 72 MHz/ 20 kHz = 3600 cuentas Puntualidad = 0,40 × 3600 = 1440 cuentas Ancho de pulso = 1440/72 MHz = 20 µs ACTIVADO, 30 µs DESACTIVADO

Resultado: configure el temporizador para 20 kHz (período de 3600 recuentos a 72 MHz) con un ciclo de trabajo del 40% (valor de comparación de 1440 recuentos). La ondulación actual es de solo el 1,1%, lo que garantiza una pérdida de eficiencia mínima debido al calentamiento por ondulación.

Consejos Prácticos

  • ✓Según las directrices de EMC, seleccione una frecuencia PWM superior a 20 kHz para un funcionamiento sin ruido; muchas impresoras 3D y controladores CNC utilizan 25 kHz como estándar para equilibrar la eliminación del ruido audible con pérdidas de conmutación aceptables
  • ✓Para la conducción de MOSFET de alta gama, utilice controladores de puerta de arranque (IR2104, IR2184) que generen V_gate = V_supply + 10-15 V para una mejora total; los MOSFET de nivel lógico requieren V_gs > V_supply para la saturación
  • ✓Según las directrices de gestión térmica, controle la temperatura del motor durante un funcionamiento prolongado con un ciclo de trabajo bajo: una velocidad reducida significa una reducción del autoenfriamiento de los ventiladores montados en el eje, lo que podría provocar un aumento de temperatura entre un 30 y un 50%

Errores Comunes

  • ✗Uso de una frecuencia PWM inferior a 1 kHz: según la práctica de control del motor, frecuencias <1 kHz cause audible whining at 80-100 dB and current ripple >del 50%, lo que aumenta las pérdidas de cobre en más de un 25% y acelera el desgaste de las escobillas en los motores con escobillas
  • ✗Ignorando el umbral mínimo del ciclo de trabajo: según la física del motor, por debajo del 10 al 20% del ciclo de trabajo, el voltaje promedio puede ser insuficiente para superar la fricción estática: el motor consume corriente de parada sin girar, lo que desperdicia energía en forma de calor
  • ✗Controlar las puertas MOSFET directamente desde el GPIO: según los requisitos del controlador de puerta, las transiciones PWM requieren una corriente máxima de puerta de 1 a 10 A para una conmutación rápida; los pines GPIO con una potencia de 10 a 25 mA provocan transiciones lentas (100 a 500 ns frente a 10 a 50 ns), lo que aumenta las pérdidas de conmutación de 5 a 10 veces

Preguntas Frecuentes

Según los fundamentos del análisis de vibraciones: la resonancia mecánica del motor (normalmente de 50 a 200 Hz) puede combinarse con los armónicos o fundamentales de PWM. El motor actúa como un altavoz y convierte los pulsos eléctricos en vibraciones acústicas. Soluciones: (1) Opere a temperaturas superiores a 18-20 kHz cuando los armónicos superen el rango audible; (2) Utilice un PWM de amplio espectro que distribuya la energía entre las frecuencias; (3) Añada un filtro LC para suavizar la forma de onda de la corriente. La mayoría de las quejas se producen entre 1 y 5 kHz, donde el factor fundamental es el más alto.
Sí, dos efectos contrapuestos según el análisis de electrónica de potencia: (1) Una frecuencia más alta reduce la ondulación de la corriente, lo que reduce las pérdidas de I²R entre un 2 y un 10% en los puntos de operación típicos; (2) una frecuencia más alta aumenta proporcionalmente las pérdidas de conmutación del MOSFET (p_SW ∝ f). La frecuencia óptima depende de la inductancia del motor y de las características del controlador: normalmente de 15 a 25 kHz para los motores con escobillas y de 10 a 20 kHz para los BLDC. Por encima de los 30 kHz, las pérdidas de conmutación predominan en la mayoría de los controladores, lo que reduce la eficiencia del sistema.
Fundamentos según el motor: la relación es aproximadamente lineal para cargas ligeras a moderadas, pero se desvía significativamente con cargas pesadas debido a la caída de voltaje de I×R_a. Con un ciclo de trabajo del 50% y una relación de resistencia del blindaje del 10%, la velocidad real puede ser del 45% de la velocidad sin carga. Para un control preciso de la velocidad, implemente una retroalimentación de bucle cerrado mediante un codificador o una detección de contraelectromotriz; los controladores PID suelen lograr una regulación de velocidad de entre un 0,5 y un 2%, frente a entre un 10 y un 20% en el caso de los PWM de circuito abierto.

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