Suministrar señales PWM al motor de CC de un actuador es un método común para ajustar la velocidad de desplazamiento; sin embargo, en algunos casos puede producirse ruido acústico debido al chirrido del motor. En algún momento durante la fase de prueba de su proyecto, es posible que haya notado que su mismo motor de CC puede generar chirridos con diferente volumen cuando lo conecta a diferentes dispositivos controladores de velocidad. Esto puede deberse a las diferentes frecuencias PWM que se configuraron en cada controlador de velocidad o programa Arduino. En este artículo, cubriremos los pros y los contras de ajustar la frecuencia PWM y cómo afecta el chirrido del motor.
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Preguntas comunes y frecuentes
A continuación se muestra una descripción general de las preguntas comunes y frecuentes que recibimos para ayudar a cubrir brevemente los conceptos básicos del ciclo de trabajo, PWM y qué cambios en la frecuencia de PWM tienen qué efectos en los motores de CC.
- ¿Qué es el ciclo de trabajo?
El ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo de encendido y apagado, generalmente expresado como porcentaje. Esto significa que si su actuador se extiende y retrae durante 20 segundos y luego pasa otros 40 segundos en reposo antes de que se repita el proceso, el "ciclo de trabajo" se expresaría como 33%. El tiempo necesario para un “ciclo completo” en este ejemplo será de 60 segundos.
Ciclo de trabajo = Tiempo de encendido / (Tiempo de encendido + Tiempo de apagado)
- ¿Qué significa PWM?
La modulación de ancho de pulso (PWM) es una técnica comúnmente utilizada en el funcionamiento del motor donde las señales eléctricas cambian entre el 0% y el 100% del voltaje de suministro que se aplica al motor, similar al encendido y apagado del ciclo de trabajo. Esto permite la capacidad de controlar el valor promedio del voltaje que se aplica a un motor para ajustar la velocidad del motor. Controlar el ciclo de trabajo permite controlar el valor de voltaje promedio para ajustar la velocidad del motor.
Ciclo de trabajo * Voltaje de la fuente = Valor de voltaje promedio
- ¿Qué es la frecuencia PWM y cómo afecta el rendimiento del motor de CC?
La frecuencia PWM representa la rapidez con la que su dispositivo de control de motor completa un ciclo PWM. No es raro que los motores de CC experimenten un chirrido cuando el controlador del motor utilizado se configuró en frecuencias PWM más bajas.
- ¿Es posible eliminar por completo el chirrido del motor o se espera cierto grado de ruido?
Esto puede variar, ya que los fabricantes suelen tener cierta tolerancia que provoca una variedad de ruidos y características diferentes del motor. Ciertos diseños de motores pueden tener rotores que provocan algún chirrido del motor independientemente de la frecuencia PWM que se haya utilizado. Establecer la frecuencia PWM tan alta como sea práctica para motores de CC que estaban en buenas condiciones tiende a ayudar a reducir el ruido del motor (esto se tratará con más detalle más adelante).
- ¿Ajustar la frecuencia PWM para reducir el ruido del motor puede tener algún efecto negativo en el motor o en el rendimiento general del sistema?
Un aumento en la frecuencia PWM resulta en un aumento en la pérdida de energía en el puente H usado con su microcontrolador Arduino y puede causar que la placa controladora del motor se sobrecaliente. Los usuarios necesitarán un método para enfriar su puente H o controlador de motor para evitar que los componentes se dañen.
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¿Qué causa que los motores de CC chirrien?
Cubriremos el ruido acústico del motor que es audible para el oído humano y no el ruido eléctrico. Arriba se ve el circuito equivalente de un motor de CC en funcionamiento. Debido a la fuerza contraelectromotriz (EMF), el voltaje en la dirección opuesta al flujo de corriente resultará del movimiento de las bobinas del motor en relación con un campo magnético. En reposo o a bajas velocidades, el circuito equivalente del motor de CC con escobillas tiene poca o ninguna EMF inversa y es como el de un circuito RL de primer orden que se ve a continuación.
El chirrido del motor que escuchamos es causado por la ondulación del par que se generó a partir de la ondulación de la corriente (i). También sabemos que la frecuencia de corte superior para un filtro de paso bajo RL tiene la fórmula que se ve a continuación:
Corte de frecuencia = 1 / (2π 𝜏)
Dónde:
𝜏 = L / R
L = inductancia (H)
R = Resistencia (Ω)
𝜏 = constante de tiempo (segundos)
La frecuencia PWM teóricamente ideal dependerá de la inductancia y la resistencia de un circuito de motor, pero se espera que sea mayor o igual a 5 veces la frecuencia de corte. Este rango más alto de frecuencia PWM permitirá que la corriente que circula por el motor de CC alcance el 99,3 % (cerca del 100 %) del valor de corriente máximo para evitar la ondulación de la corriente y reducir el chirrido del motor.
Pérdida de energía del puente H y disipación de calor
Cuando un interruptor pasa de encendido a apagado, el voltaje y la corriente son distintos de cero y hacen que los interruptores disipen la energía. Un puente H tiene voltaje y corriente presentes mientras conmutan, por lo que una frecuencia de conmutación más alta debido al aumento de la frecuencia PWM significa más calor y energía disipados. Se recomienda instalar disipadores de calor o ventiladores en placas de controlador de motor que aún no vienen incluidas con estos dispositivos de enfriamiento para evitar daños y garantizar un funcionamiento adecuado.
Nuestro LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield tiene un ventilador de refrigeración incorporado y disipadores de calor para reducir aún más el sobrecalentamiento, lo que lo hace ideal para altas cargas de corriente. Para actuadores con requisitos de consumo de corriente más bajos, también ofrecemos el puente H LC-80 MegaMoto Plus para Arduino . Ambos puentes H se pueden usar con microcontroladores Arduino y tienen clasificaciones de frecuencia PWM que llegan hasta 20 kHz para voltaje de CC.
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¿Cómo reducir el ruido del motor de CC ajustando la frecuencia PWM con Arduino?
La velocidad del reloj de un contador determina la frecuencia PWM de la señal de salida. Para nuestro Arduino Uno más popular, el reloj del sistema se dividirá por un valor de preescalador para dar como resultado el reloj del contador. CS02, CS01 y CS00 son los tres bits menos significativos de los registros del temporizador/contador que almacenan el valor de 3 bits del preescalador.
Configure o borre estos tres bits menos significativos en el registro TCCRnB relevante que se encuentra en el segmento void setup() de su código Arduino. Al alterar los preescaladores del temporizador mediante codificación , la frecuencia PWM se puede ajustar como se ve en este video de referencia.
Tutorial n.º 1 de Arduino PWM: cómo cambiar la frecuencia PWM:
El ser humano medio suele oír sonidos entre 20 Hz y 20.000 Hz.
Frecuencia = ciclo/tiempo
1 Hz = 1 ciclo/segundo
20 Hz = 1 ciclo / (Tiempo)
20 Hz * (Tiempo) = 1 ciclo
Tiempo = 1 ciclo/ 20 Hz
Tiempo = 0,05 segundos
Tiempo = 50 ms
Para una frecuencia PWM de 20 Hz, se producirá un ciclo durante un período de 50 milisegundos, como se ve a continuación.
En frecuencias superiores a 20 kHz, cada ciclo se vuelve más corto que el tiempo de reacción de un ser humano promedio y hará que la mayoría de las personas no puedan escuchar ningún gemido motor. El rango de frecuencia PWM de 16 kHz a 20 kHz generalmente resolverá la mayoría de los problemas de chirrido del motor de CC. Este rango se puede utilizar como punto de partida para realizar pruebas antes de realizar ajustes graduales para ajustar la optimización de la frecuencia PWM específicamente para el comportamiento y las características de su motor.
Frecuencia = ciclo/tiempo
20 kHz = 1 ciclo / (Tiempo)
20000 Hz * (Tiempo) = 1 ciclo
Tiempo = 1 ciclo/ 20000 Hz
Tiempo = 0,00005 segundos
Tiempo = 50 µs
Para una frecuencia PWM de 20 kHz, se producirá un ciclo durante un período de 50 microsegundos, como se ve a continuación.
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EN RESUMEN
Ajustar la frecuencia PWM puede ayudar a minimizar el sonido no deseado del chirrido del motor; sin embargo, debemos ser conscientes de los pros y los contras de hacerlo. Es importante encontrar la frecuencia PWM adecuada que tenga el mejor equilibrio entre pérdida de potencia del controlador del motor, disipación de calor y chirrido del motor que funcione para usted.
Esperamos que esto le haya resultado tan informativo e interesante como a nosotros, especialmente si buscaba saber más sobre el chirrido del motor de CC a una frecuencia PWM más baja. Si tiene alguna consulta o desea hablar más sobre nuestros productos, ¡no dude en comunicarse con nosotros! Somos expertos en lo que hacemos y estaremos encantados de ayudarle en todo lo que podamos.
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