モーター電圧へのPWMデューティサイクル
PWMデューティサイクルを実効モーター電圧に変換し、DCモーターPWM制御の無負荷速度とストール電流を計算します。
公式
仕組み
この計算機は、DCモーター速度制御のPWMデューティサイクル、平均電圧、およびタイミングパラメーターを決定します。組み込みシステムエンジニア、ロボットプログラマー、およびモーター制御設計者は、これを使用してマイクロコントローラーのタイマーを構成し、正確な速度調整を行います。PWM は効率的な速度制御を可能にします。リニア電圧レギュレータは電力の 30 ～ 60% を熱として浪費しますが、PWM スイッチングは 90 ～ 98% の効率を実現します。
モーター制御の基礎 (クリシュナン、「電気モーター・ドライブ」) によると、デューティ・サイクル D は電源が接続されている時間の割合を表し、V_avg = D × V_Supply となります。与えられた負荷では、モーター速度は線形動作領域内の平均電圧にほぼ比例します。PWM 周波数は 2 つの制約のバランスを取る必要があります。1 つは、可聴範囲を超えるほど高い (人間の聴覚限界あたり 18 ～ 20 kHz 以上)、もう 1 つはスイッチング損失を制限できるほど低い (一般的なモータードライバーでは 50 kHz 未満) です。
電流リップルはモーターのインダクタンスと PWM 周波数に依存します。ΔI = V × D × (1-D)/(L × f) です。テキサス・インスツルメンツのモーター制御ガイドラインによると、追加の銅損失を最小限に抑えるため、電流リップルは DC 電流の 20% 未満にする必要があります。20 kHz でインダクタンスが 2 mH で、デューティが 50% の 24V モーターは、ΔI = 24×0.5×0.5/ (0.002×20000) = 0.15A のリップルを示します。これは 1A+ のモーターでは許容範囲です。低周波数または低インダクタンスでは、LC フィルタリングまたはより高いリップル損失を受け入れる必要があります。
計算例
最大速度の 40% で動作する必要がある36V DCモーター用にPWMを設定します。モーターのインダクタンスは 5 mH、定格電流 8A です。目標電流リップルは 10% 未満。
ステップ 1 — 必要なデューティサイクルの計算: 速度が 40% の場合:D = 0.40 (線形 V 速度の関係を想定) V_Avg = 0.40 × 36V = 14.4V
ステップ 2 — リップルターゲットの最小 PWM 周波数の決定: ΔI_Target = 10% × 8A = 0.8A ΔI = V × D × (1-D)/(L × f) から: 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
ステップ 3 — 実用的な PWM 周波数の選択: リップルの最小値:2.16 kHz 聞こえない場合の最小値:20 kHz ノイズのない動作には 20 kHz を選択してください
ステップ 4 — 20 kHz における実際の電流リップルの計算: ΔI = 36 × 0.4 × 0.6/(0.005 × 20000) = 8.64/100 = 0.086A リップル = 0.086/8 × 100 = 1.1% (目標の 10% をはるかに下回る)
ステップ 5 — 72 MHz MCU のタイマーパラメーターを計算します。 ピリオド = 72 MHz/20 kHz = 3600 カウント オンタイム = 0.40 × 3600 = 1440 カウント パルス幅 = 1440/72 MHz = 20 µs オン、30 µs オフ
結果:40% のデューティ・サイクル (1440 カウントの比較値) で 20 kHz (72 MHz で 3600 カウント周期) にタイマーを設定しました。電流リップルはわずか 1.1% なので、リップル加熱による効率損失は最小限に抑えられます。
実践的なヒント
- ✓EMCのガイドラインによると、ノイズのない動作を実現するには、20 kHzを超えるPWM周波数を選択してください。多くの3DプリンタやCNCコントローラは、可聴ノイズ除去と許容可能なスイッチング損失のバランスをとるために、25 kHzを標準として使用しています。
- ✓ハイサイドMOSFETの駆動には、V_gate = V_Supply+10-15Vを生成するブートストラップゲートドライバ（IR2104、IR2184）を使用して完全に強化します。ロジックレベルのMOSFETでは、飽和用にV_GS> V_Supplyが必要です
- ✓熱管理ガイドラインに従い、長時間の低デューティサイクル運転中はモーター温度を監視してください。速度が低下すると、シャフトに取り付けられたファンからの自己冷却が低下し、温度上昇が30〜50％高くなる可能性があります
よくある間違い
- ✗1 kHz未満のPWM周波数の使用：モータ制御方式によると、<1 kHz cause audible whining at 80-100 dB and current ripple >周波数を 50% にすると、銅損が 25% 以上増加し、ブラシ付きモータのブラシ摩耗が加速します
- ✗最小デューティサイクル閾値を無視：モータの物理特性上、デューティサイクルが10～ 20% 未満の場合、平均電圧では静摩擦を克服するには不十分かもしれません。モータは回転せずにストール電流を流し、電力を熱として浪費します。
- ✗MOSFETゲートをGPIOから直接駆動：ゲート・ドライバの要件に従い、PWM遷移では高速スイッチング用に1～10Aのピーク・ゲート電流が必要です。定格10～25mAのGPIOピンでは遷移が遅くなり（10～50nsに対して100～500ns）、スイッチング損失が5～10倍に増加します。
よくある質問
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