Расчет частоты ШИМ

Jane9226 · 16.10.2013, 22:38

Прошу совета у старших коллег. Есть электрический тормоз, представляющий собой электромагнит, прижимающий вращающиеся пластины к сердечнику катушки, создавая тем самым нагрузку на валу для двигателя. Естественно изменяя напряжение на катушке можно регулировать усилие создаваемое на валу. Необходимо поддерживать это усилие в автоматическом режиме.... Вообщем система планируется такая: датчик крутящего момента, для обратной связи и PIC контроллер управляющий mosfet посредством ШИМ. Вот собственно вопрос как рассчитать частоту ШИМа. Есть ли какая то методика расчета, ну там типа зависимость частоты ШИМа от индуктивности, сопротивления... Или хотя бы навскидку какую частоту выбрать? Данные следующие (своим LCR намерила)
Напряжение катушки 24 вольта постоянного тока
Катушка сопротивлением:
постоянному току - 8 Ом.
120Гц - 283 Ом
1000Гц - 908 Ом
Индуктивность:
120Гц - 187 mH
1000Гц - 70 mH
Спасибо

Сергей_Ковалев · 16.10.2013, 23:52

Не буду причислять себя к "старшим", но отвечу наверное первым)))
На вскидку индуктивность немалая, поэтому хватит и килогерца.
А если нужен расчет для курсового то ищите "условия непрерывности тока" или что нибудь подобное. Логика тут простая - даже при минимальной скважности пульсации тока в обмотке не должны превышать определенного уровня.

Scadauser · 16.10.2013, 23:53

Сообщение от Jane9226

постоянному току - 8 Ом.
120Гц - 283 Ом
1000Гц - 908 Ом
Индуктивность:
120Гц - 187 mH
1000Гц - 70 mH
Спасибо

А вам не кажется, что в ваших данных как раз и просматривается ответ на ваш вопрос?

Scadauser · 17.10.2013, 00:03

И, кстати, что это за таинственный агрегат, где вы готовы смириться с потерями на преобразование в тепло при трении механической энергии? Нет ли более изящного решения, например, рекуперации энергии обратно в источник питания? Особенно, если это питается от автономного источника, аккумулятора.

Jane9226 · 17.10.2013, 00:54

Да нет, курсовые уже в прошлом, просто мне думается что "навскидку" - это как то не по инженерски, хочется хоть какого то обоснования.
Никакого секрета нет, это испытатильный стенд, для настройки/проверки электромоторов с редуктором. Ставится мотор с редуктором начинает вращать вал, далее упомянутым электромагнитом (тормозной муфтой если хотите) создается нагрузка на валу, при достижении определенного крутящего момента срабатывает трещетка (защита) встроенная в редуктор. Вот собственно для настройки этой защиты с последующей проверкой и разрабатывается данное устройство. Крутящий момент не очень большой порядка 5 кг/мм. Замкнутый контур нужен для проверки. Скажем уставка 3кг/мм выдерживается минуту, ток двигателя не должен превышать 3 ампера и темрература статора не выше ..... Вообщем просто вручную регулировкой напряжения получается не очень хорошо, думаю PIC с ШИМ-ом справится с этой задачей получше...

kreking · 17.10.2013, 01:41

Сообщение от Jane9226

хочется хоть какого то обоснования

Я, думаю, стоит обратить внимание на сердечник электромагнита, точнее на его электромагнитные параметры. От него, в первую очередь, зависит сила прижима, потери в материале сердечника и полезной работы (к.п.д.) в совокупности.

Scadauser · 17.10.2013, 01:46

По вашим данным видно, что с ростом частоты уменьшается индуктивность, это, видимо, связано с тем, что сердечник магнита является короткозамкнутым витком для катушки, и растут потери в нём. При выборе слишком низкой частоты будут расти пульсации тока намагничивания, а также ухудшится быстродействие в петле обратной связи. Выбор частоты - это компромисс, зависит от того, с чем вы согласны смириться - с повышенными потерями и нагревом, или с ухудшением быстродействия. Оно может повлиять на отслеживание неравномерности силы трения при вращении, например.
Кстати, МК будет формировать ШИМ о отслеживать сигнал обратной связи с датчика момента, так? А что будет служить задатчиком момента? Если кнопками +/-, то выбранный шаг регулирования может ведь тоже вернуть вас к тому, с чем вы решили бороться? Как-то плохо представляю механический тормоз со сколь-нибудь стабильными и предсказуемыми параметрами. Я бы вместо механического тормоза попробовал электромагнитную муфту, например, асинхронник с торможением постоянным током через обмотки. И сердечник асинхронника получше будет в смысле потерь при ШИМировании, он всё-таки не сплошная железяка, как в электромагнитах. В частотных преобразователях частота ШИМа выбирается в несколько килогерц, а в целях борьбы со свистом её иногда даже повышают до 15 кГц.
Почему не устраивала ручная регулировка? Трудно ловился момент, или какие-то недостатки способа регулирования тока, нелинейность? Или вы хотите создать автоматизированную систему, с документированием результатов измерений с выводом данных куда-либо? Тогда это имело бы смысл.

Jane9226 · 17.10.2013, 03:25

Хорошо давайте более детально. Датчик крутящего момента (torque sensor) подключен к DP-41, у которого имеется аналоговый выход 0 - 10 вольт и обновляется он 12 раз в секунду. Уставка - обыкновенный потенциометр. Далее два 16 разрядных АЦП, с которых данные по SPI на PIC Ну и вычисление Duty cycle в ШИМ.
Почему вручную плохо получается, потому что тестируемый двигатель крутится с разной скоростью и в обоих направлениях и каждый раз "ловить" необходимое напряжение на электромуфте, для задания необходимого тормозного момента утомительно. Забыла сказать, что этот самый тормоз-муфта специально разработан для этих условий, это к тому что хоть он и механический, но достаточно стабилен. В смысле при одной и той же скорости вращения и напряжении, выдает стабильный тормозной момент.[

Alex9797 · 17.10.2013, 09:01

Сообщение от Jane9226

Забыла сказать, что этот самый тормоз-муфта специально разработан для этих условий, это к тому что хоть он и механический, но достаточно стабилен. В смысле при одной и той же скорости вращения и напряжении, выдает стабильный тормозной момент

Если важно выдерживать стабильный тормозной момент, не зависящий от скорости, то идеально с этим справится порошковый тормоз. Он полностью лишен недостатков фрикционных тормозов, у которых трение покоя значительно выше трения скольжения, и у которых момент зависит от множества факторов - и от состояния поверхностей, и от силы прижатия, и от всяческих неровностей, возникающих при износе.
Момент у порошкового тормоза одинаков при любых скоростях, и линейно зависит от тока в электромагните. Рекомендую, если не поздно!

aleksey_ko · 17.10.2013, 09:09

Если не ошибаюсь - то машина (тормозная муфта) постоянного тока...
А значит индуктивность влияет только на постоянную времени!
Соответственно частота ШИМ не играет значительной роли на потери (+ - 10 Вт не столь уж важны при киловатных нагрузках).
В промышленных преобразователях (для ДПТ) используют частоту от 10 кГц... чаще всего около 20 кГц чтобы управляемая машина не издавала акустических шумов (не пищала).
Самое главное - стоит учитывать то каким способом РЛЦ делает измерение и что индуктивность для переменного тока и постоянного по разному влияют!
Если же все-таки желание есть что то посчитать, то загляните в курс ТОЭ (переходные процессы) и в теорию ТАУ (про частотные характеристики объектов).