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Ciclo de trabalho do PWM até a tensão do motor

Converta o ciclo de trabalho PWM em tensão efetiva do motor, calcule a velocidade sem carga e a corrente de parada para o controle PWM do motor DC.

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Fórmula

V_eff = V_s × D, n₀ = V_eff × Kv

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

Como Funciona

A modulação por largura de pulso (PWM) controla a tensão média fornecida a um motor DC ligando e desligando rapidamente a fonte em uma frequência fixa. O ciclo de trabalho (D) é a razão entre pontualidade e período, expressa como uma porcentagem. A tensão média do motor é igual a D × V_supply, e a velocidade média é aproximadamente proporcional a essa tensão para uma determinada carga. Em ciclos de trabalho baixos, corrente suficiente ainda deve fluir para superar o atrito estático (o ciclo de trabalho mínimo para mover o motor é chamado de limite de banda morta).

Exemplo Resolvido

Um motor de 24 V DC deve funcionar a 60% de sua velocidade nominal usando um controlador PWM a 20 kHz.
Etapa 1 — Ciclo de trabalho exigido:
D = 60% → D = 0,60
Etapa 2 — Tensão média aplicada ao motor:
V_avg = 0,60 × 24 V = 14,4 V
Etapa 3 — Período PWM e pontualidade:
T = 1/20000 = 50 µs
t_on = 0,60 × 50 µs = 30 µs
t_off = 50 µs − 30 µs = 20 µs
Etapa 4 - Estime a ondulação da corrente do motor (indutância do motor L = 2 mH):
ΔI = (V_fornecimento × D × (1−D))/(L × f)
ΔI = (24 × 0,60 × 0,40)/(0,002 × 20000) = 5,76/40 = 0,144 A
Resultado: Defina o temporizador PWM para um pulso alto de 30 µs em um período de 50 µs. A ondulação de corrente de 0,14 A é aceitável para um enrolamento de motor de 2 mH.

Dicas Práticas

  • ✓Escolha a frequência PWM acima de 20 kHz para evitar ruídos audíveis; para motores indutivos grandes, use de 5 a 20 kHz onde as perdas de comutação são aceitáveis
  • ✓Adicione um bootstrap ou um controlador de portão superior ao dirigir o MOSFET do lado alto de uma ponte H — um MOSFET de nível lógico não pode ser totalmente aprimorado a partir de um trilho de alimentação fixo
  • ✓Meça a temperatura do motor durante uma operação prolongada de baixo ciclo de trabalho — o motor pode receber fluxo de ar de resfriamento insuficiente de seu próprio ventilador em baixas velocidades

Erros Comuns

  • ✗Usando uma frequência PWM muito baixa (< 1 kHz) para motores com escovas — o ruído audível e a alta ondulação de corrente causam superaquecimento e desgaste da escova
  • ✗Ignorando o limite mínimo do ciclo de trabalho do motor — abaixo de ~ 10— 20%, o motor pode não girar, mas ainda consumirá corrente de parada
  • ✗Acionando um motor diretamente com um pino GPIO em vez de um acionador de porta - os pinos GPIO não podem fornecer a carga máxima de porta necessária para uma comutação rápida de MOSFET

Perguntas Frequentes

A frequência de ressonância mecânica do motor pode ser excitada pela frequência de comutação PWM ou seus harmônicos. Tente varrer a frequência PWM; a ressonância normalmente desaparece quando você se afasta 20 a 30% da frequência ressonante. Operar acima de 20 kHz elimina totalmente o ruído audível.
Sim A maior frequência de PWM reduz a ondulação de corrente e, portanto, as perdas de I²R no enrolamento, mas aumenta as perdas de comutação do MOSFET. Para motores pequenos, o crossover é normalmente de 20 a 50 kHz. Grandes motores industriais são acionados em frequências mais baixas (1—4 kHz), onde predominam as perdas do núcleo.
A relação é aproximadamente linear para uma determinada carga, mas a velocidade em um determinado ciclo de trabalho muda com o torque da carga. Em cargas mais altas, ocorre mais queda de tensão na resistência do enrolamento, portanto, a velocidade real é menor do que a estimativa de circuito aberto. Um loop de feedback de velocidade (codificador + PID) corrige essa não linearidade.

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