直流电刷电动机是否有理想的PWM频率？

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我将使用微控制器创建用于电机控制的PWM信号。我了解PWM和占空比的工作原理，但是我不确定理想的频率。我还没有电机，所以我不能仅仅进行测试并找出答案。

我不会改变电压，只是在它收到给定电压的时候。那么我可以假设线性响应吗？在10％的占空比和24 V的电源下，它将以15 RPM的速度运行吗？

如果有什么不同，我将包括设置。我直接将24 V电源连接到控制电动机的H桥。显然，我有两个PWM引脚从MCU到两个使能MOSFET的栅极。

编辑：对不起，该链接似乎不起作用。我猜防火墙在工作中不喜欢imgur。图片描绘了RPM与电压的关系图。从50 RPM @ 8 V到150 RPM @ 24 V是线性的。

— 内特·桑
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简而言之：

您可以通过施加pwm信号来对“速度”进行线性控制，现在该信号的频率必须足够高，以使您的DC Motor仅通过PWM信号的DC分量，这只是平均值。将电动机视为低通滤波器。如果您查看传递函数或角速度与电压的关系，那么您将拥有：

\frac{ω (s)}{V (s)} = \frac{K}{τ s + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{\tau s+1}$ 这是直流电动机的一阶模型，或者仅仅是截止频率为的低通滤波器

f_{c} = \frac{1}{2 π τ}

$f_c=\frac{1}{2\pi\tau}$

其中是电动机的时间常数。因此，只要您的频率超出截止频率，您的电动机将仅看到DC部分或PWM信号的平均值，并且您的速度将与PWM占空比一致。当然，如果您的频率很高，则应该考虑一些折衷... $\tau$

很长的故事：

理论上，您需要知道电动机的时间常数，才能选择“正确的” PWM频率。如您所知，电机达到最终值几乎100％所需的时间为

t_{f i n a l} \approx 5 τ

$t_{final}\approx 5\tau$

您的PWM频率必须足够高，以使电动机（本质上是低通滤波器）对您的输入电压求平均值，这是一个方波。例如，假设您有一台时间常数的电动机。我将使用一阶模型来模拟其对多个PWM周期的响应。这是直流电动机模型： $\tau=10ms$

\frac{ω (s)}{V (s)} = \frac{K}{10^{- 3} s + 1}

$\frac{\omega(s)}{V(s)}=\frac{K}{10^{-3} s+1}$

为了简单起见，让。 $k=1$

但更重要的是，这里是我们正在寻找的回应。对于第一个示例，PWM周期为，占空比为50％。这是电机的响应： $3\tau$

黄色图是PWM信号（占空比为50％，周期），紫色图是电动机的速度。如您所见，由于PWM的频率不够高，因此电动机的速度会大幅波动。 $3\tau=30ms$

现在让我们增加PWM频率。PWM周期现在，占空比仍然为50％。 $0.1\tau=1ms$

如您所见，由于pwm信号的高频成分已被滤除，因此速度几乎是恒定的。总之，我选择的频率至少为。 $f_s\geq \frac{5}{2\pi\tau}$

这只是关于如何选择PWM频率的非常理论上的解释。希望能帮助到你！

— 大6
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好答案。您可能会澄清说“ 电动机到达其最终值几乎100％所花费的时间 ”是指最终或全部电流值。读者可能会将其与100％的速度混淆，或者谁知道呢？

— 晶体管

这非常有用！我不是EE，所以我对此没有受过很好的教育。我可能会尝试使用不同的频率，直到获得需要的频谱响应为止。但是，在进行设置时，我会牢记这一点！。我确实有一个问题。您说这些数字都是非常理论性的，但是您能否给出期望的时间常数呢？这是一台24 V直流电动机，最大消耗300 mA电流。

— Nate San

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@NateSan谢谢！作为非常好的答案之一，您最好的选择是从KHz范围内的频率开始，例如2KHz。无法根据给定的信息估计时间常数，或者至少我不知道。您可以通过实验找到它，但是最好尝试不同的频率，直到接近所需的频率。

— Big6

提出的事实不支持该结论：两个图的平均值均为0.5。我认为这反映了现实，线性度不取决于PWM频率。唯一要做出的折衷是较低侧的电流/转矩纹波和噪声，以及较高侧的涡流和开关损耗。

— alain

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@PageDavid自从我这样做已经有一段时间了，但是您可以通过在电机上施加输入电压来实验地测量它，并查看角速度达到其最终值的63.2％需要多长时间。您可能必须对此进行两次迭代，然后才能找到平均值（尽管每次测量均应非常接近）。为此，您需要合适的设备，例如转速表/其他工具。也许此链接会有所帮助：mech.utah.edu/~me3200/labs/motors.pdf或google“找到直流电动机时间常数”-这是入门控制课程中最常见的实验之一。

— Big6

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您的电动机可能会减速，因为150 rpm仅为每秒2.5转。以50 rpm的转速旋转一圈，您的电机将需要一秒钟以上的时间。

话虽如此，您的H桥开关在导通（基本上为零伏）或关断（为零电流）时不会消耗太多功率。它们在切换时仅同时具有电压和电流，因此更高的切换频率意味着FET中的热量更多。

保持在5-20 KHz范围内，您可能会很安全。如果调得太低，电动机电流纹波（和转矩纹波）可能会很明显，但是您可以尝试一下。太高了，您将加热开关。您可能还想朝着更高端走出可听范围。

— 约翰·伯克黑德
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这是用于蠕动泵的电动机，我不确定传动装置。因此，您说的是，如果我以20KHz的频率运行PWM，则可以在0到100之间改变占空比，以使RPM接近线性变化（这对我来说意味着泵的流量）。

— Nate San

如果开关变热，这不是因为工作频率（总之不低于1MHz）。如您所述，大多数开关损耗都是在FET既未完全导通也不在断开时发生的。使它们保持凉爽的诀窍是将其栅极驱动得足够硬，以使Ton和Toff最小化。选择低栅极电荷，低Ton Toff和低RDSon的FET。

— 醉酒的代码猴子

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实际电动机的行为大致类似于与真实电动机串联的电阻器和电感器。为了高效运行，您需要在将电动机连接到电源与短路之间切换。当电动机连接到电源时，电流将变得更正。当做空时，它将变得更加不利。如果电流切换极性，效率将明显下降，因为电动机将在每个周期中花费一部分时间来尝试机械地对抗其他部分的工作。

从电机本身的角度来看，当PWM速率尽可能高时，效率将达到最佳。但是，有两个因素限制了最佳PWM速率：

为了使电磁干扰最小化，许多电动机都与电容器并联。每个PWM周期都需要对该电容进行充电和放电，从而浪费了全部能量。此处的损耗与频率成正比。
许多H桥开关需要一定的时间才能切换。当它们切换时，进入它们的大部分功率将被浪费。随着PWM的开启和关闭持续时间缩小到电桥花费其大部分有功或无功时间切换的时间点，切换损耗将增加。

最关键的是，PWM速率必须足够快，以至于电动机不会自fight。更快地超过该速度将在某种程度上提高电动机效率，但以增加上述其他损失为代价。如果没有太多的并联电容，则通常会有相当大的频率范围，因为PWM损耗极小，并且电机电流极性保持正向。在该范围中间附近的某个频率可能是最好的，但是在该范围内的任何值都应该足够。

— 超级猫
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我实际上不会在关闭期间将其接地，摩擦会很快使电动机停止运转。因此，我没有理由不让它在工作期间浮动。

— Nate San

@NateSan：由于电动机具有电感，因此即使您尝试将其关闭，电流仍将继续流动。短路电动机会使能量在关闭期间继续做有用的工作，并且会减少您需要消散到电动机外部的能量

— 超级猫

或者，使用反激二极管。对于电感性负载（例如，电动机），重要的是要在电源断开时有一条通向电流的路径，以避免电压尖峰会杀死开关晶体管。

— Craig McQueen

@CraigMcQueen：当正向电流持续时，反激二极管将有效地使电动机短路，减去0.7伏的压降。在24VDC下，0.7V的压降可能不是问题，但如果没有它，性能会更好。

— 超级猫

@supercat：建议在“关闭”状态下短路电动机的替代方法是什么？第二个FET？您可以显示或参考示例电路图吗？

— Craig McQueen

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我设计并开发了PWM速度/位置控制系统，该系统在几年前曾驱动16台有刷直流电动机。我们是从Mabuchi购买的，当时Mabuchi每年售出3.5亿台电动机。他们建议使用2 kHz PWM频率，该频率与当时包括遥控飞机在内的其他来源的建议相吻合。我们取得了很好的结果，从那时起我就一直使用它。

有一种理论认为，高于20 kHz的频率意味着没有啸叫/杂音，但我们发现事实并非如此。我不知道它的真正物理原理，但是可以听到一种机械运动。我是对还是错，都认为它是频率的次谐波（正确的短语？），因为线圈或组件试图在高频下如此轻微地移动，但无法跟上。我家里有手机充电器，可以清晰听到啸叫声，而且我知道他们的PWM振荡器在100 kHz以上的频率下运行良好。（事实上，我经常在走过厨房时关闭它，因为在没有连接电话的情况下，我会听到较高的“空载”口哨声。当我第一次插入电话时，我还会听到声音逐渐降低的声音。）

— 托尼
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如果电动机和驱动器支持，有时希望保持在可听频率（20KhZ）以上。如果有人听到它，那么恒定的高音调频率可能会令人讨厌。年轻人可以听到它，到40岁以后，它会逐渐减小。

— 布莱恩·克
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