直流电动机-PWM与电压

理论上，当控制额定为5V的直流电动机时，我可以通过以下方式驱动电动机：

具有100％占空比PWM的5V。
具有50％占空比PWM的10V。
具有25％占空比PWM的20V。

两者之间有区别吗？使用选项2/3是否会缩短电动机的寿命？改变PWM频率会延长电机寿命吗？这样做的原因是，可以通过较高的电压使电动机的驱动速度慢得多。

motor pwm

— 吉拉德
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我不确定我是否遵循最后的陈述，即为什么您认为可以在较高的电压下以较低的速度驱动电动机？

— PeterJ 2013年

您将有25％的时间施加4倍额定电压。您将具有较大的电流尖峰和较高的电压，并且即使仅在25％的时间内使用它们，两者都可能损坏电动机。

— EwokNightmares

您可能需要考虑实际发生的情况-电压只是将电流推动通过电动机的一种手段，两者的乘积就是实际功率。控制电压是控制直流伺服电机的一种非常模糊的方法。

— 约翰·U

我认为您也可能会因此产生更大的转矩波动。

— EwokNightmares

你的工作频率是多少？如果是1Hz，而不是1kH，则会产生更大的影响:-)

— shuckc

Answers:

是的，这是非常不同的。PWM驱动和电压驱动的意义并不大，但是以这种方式结合使用时，您将获得截然不同的性能。

在电气方面，您可以将电动机建模为电感器（绕组），电阻器和电压源（电动势，与电动机速度成比例）。与较高电压相比，施加较低电压时，您将：

通过电机绕组获得较慢的，从而降低了扭矩 $dI/dt$
由于反电动势，最大速度较低

使用PWM和更高的电压，您将能够在相同速度下实现更高的峰值速度和通常更高的转矩。

施加高电压时电机没有损坏的真实原因。电机损坏是由于：

轴承过载（例如，在推力轴承轴的轴上向侧面推动）
轴承超速（主要取决于所使用的机油）
电刷电弧（由高速引起，并且程度小得多，电流也大得多）
过热导致内部结构变形和分层

同样，由于磁饱和，过热或在很高的电流下运行电动机也会导致转矩的（显着）降低。

如果可以保证将电动机保持在速度，转矩和力的限制范围内，并对其进行适当的冷却，则使用PWM在较高电压下运行不会有不利的影响。

— 用户名
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降低的速度到底如何减小扭矩？

d I / d t

$dI/dt$

— Phil Frost

@PhilFrost我应该说：较低的与PWM结合使用。较慢的斜率表示在PWM周期内电流的平均值较低。这对于DCM操作最为正确（在PWM电机控制中通常会发生这种情况，因为您使用的PWM频率非常低），但对于CCM在一定程度上也适用，尽管效果要小得多。

d I / d t

$dI/dt$

— user36129

您确定DCM是（精心设计的）电动机控制的规范吗？维基百科说，PWM电动机控制频率的范围从“电动机驱动器的几千赫兹（kHz）到数十kHz”不等。这不是我所说的“极低”，并且与我合作过的大多数电机一起，它们都很好地进入了CCM操作区域。

— Phil Frost

这完全取决于您的应用程序。我假设使用典型的小型直流电动机应用-业余爱好，RC飞机等。对于该领域，DCM是常态。它们通常以至多几个kHz的频率运行，并且具有非常低的电机电感（通常<1mH）。随着当前和实际尺寸的增加，完全很难执行DCM，而CCM就是人们要做的全部事情。所谓极低频，是指可听区域。我应该对此进行量化。

— user36129 2013年

感谢您的详细回答。我的目标是使电动机尽可能慢，我已经安装了1：1000齿轮。我用的是小型电动机。电机运转凉爽，但我担心它的使用寿命。

— 吉拉德（Gilad）

PWM驱动的电机是降压转换器。在一定程度上，您的电路和电机是一个很好的降压转换器，所以每个选项之间没有区别。

注意事项：

在更高的电压下（可能约为，绕组中的绝缘会失效。太低，因此担心。 $1000V$ $20V$

如果您的PWM频率对于电动机的绕组电感而言过低，则每个PWM周期的电流将发生显着变化，您将具有高的转矩纹波，并且您将不再有一个好的降压转换器。性能和效率将受到影响。在极端情况下，您甚至可能无法使电动机旋转。

就像降压转换器一样，PWM驱动器涉及晶体管和其他电路，这必然会带来额外的损耗。PWM驱动器的设计也更复杂，难以正常工作，实现起来更昂贵，等等。其中一些损耗（例如，磁滞损耗）在电动机内部，并且会导致电动机温度升高，这是通常是电动机性能的极限参数，而较高的温度将总体上缩短电动机的使用寿命。但是，您将需要一个非常差的设计来使这些损耗接近DC时已经存在的损耗，例如绕组中的电阻损耗，因此PWM和DC驱动效率之间的差异并不大。

— 菲尔·弗罗斯特
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使用PWM时，需要注意几件事。

首先，电动机将看到的PWM电压将具有高频谐波。这些谐波会在您的电动机中引入损耗，如果您使用的是直流电压，这些损耗将不会存在。这意味着在PWM与DC（所有其他条件相同）下，电动机将变得更热。这如何影响电动机的寿命取决于很多因素。电动机世界中有一条非常粗略的经验法则，即电动机线圈温度每升高10°C，电动机绝缘层的寿命将减少一半。您必须使用PWM驱动器对电动机进行额定测试，以降低电动机的额定功率，或者告诉您使用铭牌额定值的PWM会使电动机发热多少。不过，大多数人确实有能力进行此测试。

其次，假设您正在谈论像示例（5V-20V）这样的低电压，那么增加的电压本身可能不会对绝缘寿命产生太大影响。显然，这取决于电动机，但是电动机中的绝缘通常可以在短时间内承受至少1000 V的电压。给定由PWM引起的电压尖峰，这意味着您真正要担心绝缘寿命的降低，直到谈论额定电压为〜400V-600V或更高的电动机为止。带PWM的较高电压可能会影响电刷寿命，但如果不进行测试，很难说出来。

— 埃里克
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