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PWM 듀티 사이클 대 모터 전압

PWM 듀티 사이클을 유효 모터 전압으로 변환하고 DC 모터 PWM 제어를 위한 무부하 속도 및 실속 전류를 계산합니다.

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공식

V_eff = V_s × D, n₀ = V_eff × Kv

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

작동 방식

펄스폭 변조 (PWM) 는 고정 주파수에서 전원을 빠르게 켜고 끄는 방식으로 DC 모터에 전달되는 평균 전압을 제어합니다.듀티 사이클 (D) 은 온타임 대 주기의 비율이며 백분율로 표시됩니다.평균 모터 전압은 D × V_공급과 같으며, 평균 속도는 주어진 부하에 대한 이 전압에 대략 비례합니다.듀티 사이클이 낮은 경우에도 정적 마찰을 극복할 수 있을 만큼 충분한 전류가 흐르고 있어야 합니다 (모터를 움직이기 위한 최소 듀티 사이클을 데드밴드 임계값이라고 함).

계산 예제

24V DC 모터는 20kHz의 PWM 컨트롤러를 사용하여 정격 속도의 60% 로 작동해야 합니다.
1단계 — 필수 듀티 사이클:
D = 60% → D = 0.60
2단계 — 모터에 적용되는 평균 전압:
v_평균 = 0.60 × 24V = 14.4V
3단계 — PWM 기간 및 정시:
T = 1/20000 = 50마이크로초
t_on = 0.60 × 50 마이크로초 = 30 마이크로초
t_off = 50마이크로초 − 30마이크로초 = 20마이크로초
4단계 — 모터 전류 리플 추정 (모터 인덕턴스 L = 2mH):
ΔI = (V_공급량 × D × (1−D))/(L × f)
ΔI = (24 × 0.60 × 0.40)/(0.002 × 20000) = 5.76/ 40 = 0.144 A
결과: PWM 타이머를 50µs 주기에서 30µs의 하이 펄스로 설정합니다.0.14A 전류 리플은 2mH 모터 권선에 적합합니다.

실용적인 팁

  • ✓가청 잡음을 피하려면 PWM 주파수를 20kHz 이상으로 선택하십시오. 대형 인덕티브 모터의 경우 스위칭 손실이 허용되는 5~20kHz를 사용하십시오.
  • ✓H-브리지의 하이사이드 MOSFET을 구동할 때 부트스트랩 또는 하이사이드 게이트 드라이버를 추가하십시오. 고정 공급 레일로는 로직 레벨 MOSFET을 완전히 개선할 수 없습니다.
  • ✓장시간 저듀티 사이클 작동 시 모터 온도를 측정합니다. 저속 시 모터가 자체 팬으로부터 냉각 공기 흐름을 충분히 공급받지 못할 수 있습니다.

흔한 실수

  • ✗브러시드 모터에 너무 낮은 PWM 주파수 (< 1kHz) 를 사용하면 징징거리는 소리와 높은 전류 리플이 과열 및 브러시 마모의 원인이 됩니다.
  • ✗모터의 최소 듀티 사이클 임계값 (~ 10-20% 미만) 을 무시하면 모터가 회전하지 않을 수 있지만 여전히 실속 전류가 소모됩니다.
  • ✗게이트 드라이버 대신 GPIO 핀으로 직접 모터 구동 — GPIO 핀은 고속 MOSFET 스위칭에 필요한 피크 게이트 전하를 소싱할 수 없습니다.

자주 묻는 질문

모터의 기계적 공진 주파수는 PWM 스위칭 주파수 또는 고조파에 의해 자극될 수 있습니다.PWM 주파수를 스위핑해 보십시오. 일반적으로 공진 주파수에서 20-30% 멀어지면 공진이 사라집니다.20kHz 이상으로 작동하면 가청 잡음이 완전히 제거됩니다.
네.PWM 주파수가 높을수록 전류 리플이 감소하여 권선의 I²R 손실이 감소하지만 MOSFET 스위칭 손실은 증가합니다.소형 모터의 경우 크로스오버는 일반적으로 20~50kHz입니다.대형 산업용 모터는 코어 손실이 가장 큰 저주파수 (1~4kHz) 에서 구동됩니다.
관계는 주어진 하중에 대해 거의 선형이지만, 주어진 듀티 사이클에서의 속도는 부하 토크에 따라 변합니다.부하가 높을수록 권선 저항에서 전압 강하가 더 많이 발생하므로 실제 속도는 개방 루프 추정치보다 낮습니다.속도 피드백 루프 (인코더+PID) 는 이러한 비선형성을 보정합니다.

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