DC 모터 제어: PWM, 드라이버 및 인코더 설명
PWM으로 DC 모터를 제어하기 위한 완벽한 가이드: 적합한 H-브리지 드라이버 선택, MOSFET 크기 조정, 인코더로 루프 닫기
소개
DC 모터 제어는 간단해 보입니다. 전압을 변경하고 속도를 변경하십시오.하지만 실제 시스템은 돌입 전류, 역기전력, 열 제한 및 위치 정확도를 처리해야 합니다.이 가이드는 제어 스택의 각 계층을 안내합니다.
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DC 모터 모델
브러시드 DC 모터는 저항 (전기자 저항) 및 인덕터 (전기자 인덕턴스) 와 직렬로 연결된 전압원 (백EMF) 으로 모델링할 수 있습니다.
“MATHBLOCK_0"
여기서 “MATHINLINE_7" (속도에 비례하는 역기전력) 과 토크는 “MATHINLINE_8"입니다.
정상 상태에서: “매스블록_1"
[DC 모터 속도 계산기] (/계산기/모터/DC-모터-속도) 를 사용하여 이 관계를 대화형 방식으로 탐색할 수 있습니다.
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PWM 기초
PWM (펄스폭 변조) 은 전원을 빠르게 켜고 끄는 방식으로 모터 전압을 제어합니다.
“매스블록_2"
여기서 “MATHINLINE_9"는 듀티 사이클 (0-100%) 입니다.12V 전원 공급 시 75% 듀티 사이클에서 “마틴라인_10"은 9V입니다.
PWM 주파수 선택에는 다음과 같은 장단점이 있습니다.
| 주파수 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 1—5 kHz | 낮은 스위칭 손실 | 가청 신호음 |
| 20—50kHz | 조용하고 효율적 | 높은 스위칭 손실 |
| > 100kHz | 매우 빠른 응답 | EMI 문제, 높은 스위칭 손실 |
[PWM 듀티 사이클 계산기] (/계산기/모터/PWM-듀티 사이클-모터) 를 사용하여 유효 전압을 계산하고 스톨 전류를 추정할 수 있습니다.
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H-브리지 드라이버
모터를 양방향으로 구동하려면 H 브리지가 필요합니다. 네 개의 스위치가 배열되어 어느 방향으로든 전압을 인가할 수 있습니다.
분리형 vs. 통합형
통합 드라이버 (DRV8833, TB6612, L298N) 가 가장 쉽습니다.데드 타임, 과열 시 전원 차단 및 과전류 보호를 내부적으로 처리합니다. 디스크리트 MOSFET은 더 높은 효율을 제공하고 더 높은 전류를 구동할 수 있게 해주지만 게이트 드라이버, 부트스트랩 회로 및 신중한 레이아웃이 필요합니다.MOSFET 선택
H-브리지 MOSFET의 중요 사양:
1.V_DS — 여유를 두고 공급 전압을 초과해야 함: “MATHINLINE_11” 2.I_D — 피크 (돌입) 전류를 초과해야 함: “MATHINLINE_12" 3.R_ {DS (on)} — 낮을수록 좋습니다 (전도 손실이 적음) 4.Q_g — 게이트 충전, 스위칭 속도 및 손실 결정
MOSFET당 전도 손실: “MATHINLINE_13"
[H-브리지 선택 계산기] (/계산기/모터/H-브리지 선택) 를 사용하여 피크 전류 및 최소 MOSFET 등급을 계산하고 [모터 드라이버 전력 계산기] (/계산기/모터/모터-드라이버-전력) 를 사용하여 총 손실을 추정할 수 있습니다.
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돌입 전류 및 시동 전류
시동 시 모터는 정지 상태 (ω = 0) 이므로 역기전력 = 0입니다.초기 전류는 다음과 같습니다.
“매스블록_3"
정격 전류가 2A에 불과하더라도 “MATHINLINE_14" = 12V에서 0.5Ω, 돌입 = 24A인 모터의 경우이는 12배의 돌입 배율입니다.
완화 전략:- PWM 듀티 사이클 강화 (소프트 스타트)
- 전류 제한 컨트롤러 사용 (DRV8434 에는 전류 차단 기능이 내장되어 있음)
- 정격 전류가 아닌 돌입 전류에 맞게 H-브리지의 크기를 조정하십시오.
폐루프 제어용 인코더
개방형 루프 PWM 속도 제어는 팬과 펌프에 충분합니다.위치 제어나 정밀한 속도 조절을 위해서는 엔코더의 피드백이 필요합니다.
인코더 유형
- 광학 증분 (AB 쿼드러처): 샤프트가 회전할 때 펄스를 계산합니다.가장 일반적인 방법은 100~10,000PPR입니다.
- 마그네틱 (홀 효과) : 오염에 강합니다.산업용 모터에 사용됩니다.
- 절대: 절대 위치를 출력하므로 원점 복구가 필요 없습니다.
쿼드러처 디코딩
두 채널 A와 B, 90° 역위상.두 채널의 상승 및 하강 에지를 모두 감지하여 해상도를 4배 높일 수 있습니다.
“매스블록_4”
1000 PPR 인코더는 회전당 4000 카운트 = 0.09° 해상도를 제공합니다.
[인코더 해상도 계산기] (/culator/모터/인코더 해상도) 를 사용하여 카운터의 CPR, 각도 해상도 및 최대 펄스 주파수를 계산할 수 있습니다.
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PID 속도 제어
엔코더 피드백이 있으면 PID 컨트롤러로 루프를 닫을 수 있습니다.
“MATHBLOCK_5"
여기서 “수학인라인_15"입니다.
지글러-니콜스 튜닝
오픈 루프 스텝 응답을 사용한 실용적인 출발점:
1.스텝 입력을 적용하고 프로세스 게인 “MATHINLINE_16", 데드 타임 “MATHINLINE_17" 및 시간 상수 “MATHINLINE_18"을 측정합니다. 2.지글러-니콜스 공식을 적용하십시오. - “마틴라인_19" - “매틴라인_20" - “매틴라인_21"
[PID 튜닝 계산기] (/culators/모터/pid-tuning) 를 사용하여 측정된 스텝 응답의 게인을 계산하십시오.
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열 관리
모터는 권선 (“MATHINLINE_22") 과 드라이버 (“MATHINLINE_23") 에서 열을 발생시킵니다.과부하가 지속되면 열 저하가 발생하고 결국 고장이 발생합니다.
작동 온도 계산: “매스블록_6"구리 권선 저항은 온도에 따라 증가하므로 (TCR ≈ 0.39% /°C), 고온 저항은 증가하고 토크는 감소합니다. 모터의 열 경감 곡선을 확인하세요.
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요약
1.모터 모델링: “MATHINLINE_24"를 사용하여 속도와 전류를 예측합니다. 2.드라이버 선택: 정격 전류뿐만 아니라 돌입 전류 크기 (정격 5~10배) 3.PWM 주파수를 선택하세요: 20—25kHz로 저소음+효율성 향상 4.피드백 추가: 쿼드러처 인코더는 4배 해상도를 제공합니다. 5.PID 조정: 지글러-니콜스부터 시작하여 경험적으로 수정하세요. 6.온도 확인: 최대 부하 시 모터 및 드라이버 온도