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Cycle de service PWM par rapport à la tension du moteur

Convertissez le rapport cyclique PWM en tension effective du moteur, calculez la vitesse à vide et le courant de blocage pour la commande PWM du moteur à courant continu.

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Formule

V_eff = V_s × D, n₀ = V_eff × Kv

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

Comment ça marche

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) régule la tension moyenne fournie à un moteur à courant continu en activant et en désactivant rapidement l'alimentation à une fréquence fixe. Le cycle de service (D) est le rapport entre le temps de fonctionnement et la période, exprimé en pourcentage. La tension moyenne du moteur est égale à D × V_supply, et la vitesse moyenne est approximativement proportionnelle à cette tension pour une charge donnée. À des cycles de service faibles, un courant suffisant doit encore circuler pour surmonter la friction statique (le cycle de service minimum pour déplacer le moteur est appelé seuil de zone morte).

Exemple Résolu

Un moteur 24 V DC doit fonctionner à 60 % de sa vitesse nominale à l'aide d'un contrôleur PWM à 20 kHz. Étape 1 — Cycle de service requis : D = 60 % → D = 0,60 Étape 2 — Tension moyenne appliquée au moteur : V_moyenne = 0,60 × 24 V = 14,4 V Étape 3 — Période PWM et ponctualité : T = 1/20 000 = 50 µs t_on = 0,60 × 50 µs = 30 µs t_off = 50 µs − 30 µs = 20 µs Étape 4 — Estimation de l'ondulation du courant du moteur (inductance du moteur L = 2 mH) : ΔI = (V_Alimentation × D × (1−D))/(L × f) ΔI = (24 × 0,60 × 0,40)/(0,002 × 20 000) = 5,76/40 = 0,144 A Résultat : Réglez le temporisateur PWM pour une impulsion haute de 30 µs sur une période de 50 µs. L'ondulation de courant de 0,14 A est acceptable pour un enroulement moteur de 2 mH.

Conseils Pratiques

  • ✓Choisissez une fréquence PWM supérieure à 20 kHz pour éviter les bruits audibles ; pour les gros moteurs inductifs, utilisez 5 à 20 kHz lorsque les pertes de commutation sont acceptables
  • ✓Ajoutez un pilote bootstrap ou un driver de grille côté haut lorsque vous pilotez le MOSFET côté haut d'un pont en H : un MOSFET de niveau logique ne peut pas être complètement amélioré à partir d'un rail d'alimentation fixe
  • ✓Mesurez la température du moteur pendant un fonctionnement prolongé à faible cycle de service : le moteur peut recevoir un débit d'air de refroidissement insuffisant de son propre ventilateur à basse vitesse

Erreurs Fréquentes

  • ✗Utilisation d'une fréquence PWM trop basse (< 1 kHz) pour les moteurs à balais : des gémissements audibles et des ondulations de courant élevées provoquent une surchauffe et une usure des balais
  • ✗Ignorer le seuil de cycle de service minimal du moteur : en dessous de 10 à 20 % environ, le moteur peut ne pas tourner mais continuer à consommer du courant de blocage
  • ✗Piloter un moteur avec une broche GPIO directement au lieu d'un pilote de grille : les broches GPIO ne peuvent pas générer la charge de grille maximale nécessaire à une commutation MOSFET rapide

Foire Aux Questions

La fréquence de résonance mécanique du moteur peut être excitée par la fréquence de commutation PWM ou ses harmoniques. Essayez de balayer la fréquence PWM ; la résonance disparaît généralement lorsque vous vous éloignez de 20 à 30 % de la fréquence de résonance. Le fonctionnement au-dessus de 20 kHz élimine complètement les bruits audibles.
Oui Une fréquence PWM plus élevée réduit l'ondulation du courant et donc les pertes I²R dans l'enroulement, mais augmente les pertes de commutation du MOSFET. Pour les petits moteurs, le croisement est généralement compris entre 20 et 50 kHz. Les gros moteurs industriels sont entraînés à des fréquences plus basses (1 à 4 kHz) où les pertes de cœur sont dominantes.
La relation est approximativement linéaire pour une charge donnée, mais la vitesse à un rapport cyclique donné varie en fonction du couple de charge. À des charges plus élevées, une plus grande chute de tension se produit aux bornes de la résistance de l'enroulement, de sorte que la vitesse réelle est inférieure à l'estimation en boucle ouverte. Une boucle de retour de vitesse (encodeur + PID) corrige cette non-linéarité.

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