Impulzusszélesség moduláció - Pulse-width modulation

Példa a PWM-re egy idealizált induktivitásban, amelyet egy feszültségforrás hajt , impulzusok sorozataként modulálva, és ■ ■ szinuszszerű áramot eredményez az induktorban. A téglalap alakú feszültségimpulzusok ennek ellenére egyre sima áramhullámot eredményeznek, ahogy a kapcsolási frekvencia növekszik. Vegye figyelembe, hogy az aktuális hullámforma a feszültség hullámforma integrálja.

Az impulzusszélesség-moduláció ( PWM ) vagy az impulzus-időtartam-moduláció ( PDM ) egy módszer az elektromos jel által leadott átlagos teljesítmény csökkentésére, hatékonyan feldarabolva azt különálló részekre. A terhelésre táplált feszültség (és áram ) átlagos értékét a táp és a terhelés közötti kapcsoló gyors be- és kikapcsolásával lehet szabályozni. Minél tovább van bekapcsolt állapotban a kapcsoló a kikapcsolási időszakokhoz képest, annál nagyobb a teljes terhelés. A maximális teljesítménypont -követés (MPPT) mellett ez az egyik elsődleges módszer a napelemek teljesítményének csökkentésére az akkumulátor által hasznosíthatóra. A PWM különösen alkalmas olyan tehetetlenségi terhelések, mint a motorok működtetésére, amelyekre ez a diszkrét kapcsolás nem hat olyan könnyen, mert tehetetlenségük miatt lassan reagálnak. A PWM kapcsolási frekvenciának elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy ne befolyásolja a terhelést, vagyis a terhelés által érzékelt eredő hullámformának a lehető legegyenletesebbnek kell lennie.

A tápegység kapcsolási sebessége (vagy frekvenciája) nagymértékben változhat a terheléstől és az alkalmazástól függően. Például a kapcsolást percenként többször kell elvégezni elektromos tűzhelyen; 100 vagy 120  Hz (a használati frekvencia kétszerese ) lámpafényben ; néhány kilóherc (kHz) és tíz kHz között motor meghajtás esetén; és jóval a több tíz vagy száz kHz -es audió erősítőkben és a számítógép tápegységeiben. A PWM fő előnye, hogy a kapcsolóeszközök energiavesztesége nagyon alacsony. Ha egy kapcsoló ki van kapcsolva, akkor gyakorlatilag nincs áram, és amikor be van kapcsolva, és az áramot áthelyezi a terhelésre, szinte nincs feszültségcsökkenés a kapcsolón. A teljesítményveszteség, mivel a feszültség és az áram szorzata, így mindkét esetben közel nulla. A PWM jól működik a digitális vezérlőkkel is, amelyek be- és kikapcsolásuk miatt könnyen beállítják a szükséges működési ciklust. A PWM -et bizonyos kommunikációs rendszerekben is használták, ahol működési ciklusát az információ kommunikációs csatornán keresztül történő továbbítására használták.

Az elektronikában sok modern mikrokontroller (MCU) integrálja a külső tűknek kitett PWM vezérlőket , mint perifériás eszközöket firmware vezérléssel, belső programozási interfészek segítségével. Ezek általánosan alkalmazottak számára egyenáramú (DC) motor vezérlő a robotika és más alkalmazásokat.

Üzemi ciklus

A munkaciklus kifejezés a bekapcsolási idő arányát írja le a szabályos időközhöz vagy „időszakhoz”; az alacsony terhelési ciklus alacsony teljesítménynek felel meg, mivel az áramellátás legtöbbször ki van kapcsolva. A működési ciklust százalékban fejezik ki, 100% -a teljesen be van kapcsolva. Ha a digitális jel az idő felénél, az idő másik felén pedig ki van kapcsolva, akkor a digitális jel 50% -os működési ciklusú, és "négyzet" hullámhoz hasonlít. Ha a digitális jel több időt tölt bekapcsolt állapotban, mint kikapcsolt állapotban, akkor a működési ciklus> 50%. Ha a digitális jel több időt tölt kikapcsolt állapotban, mint a bekapcsolt állapot, akkor a működési ciklus <50%. Íme egy kép, amely illusztrálja ezt a három forgatókönyvet:

Példák a munkaciklusra.png

Történelem

Egyes gépek (például varrógép motor) részleges vagy változó teljesítményt igényelnek. Korábban a vezérlést (például a varrógép lábpedáljában) a motorral sorba kapcsolt reosztát segítségével hajtották végre, hogy beállítsák a motoron átáramló áram mennyiségét. Ez nem hatékony séma volt, mivel ez is energiát pazarolt hőként a reosztát ellenállási elemében, de elviselhető, mert a teljes teljesítmény alacsony volt. Míg a reosztát egyike volt a számos módszer szabályozására teljesítmény (lásd autotranszformátorok és Variac további információkat), egy alacsony költségű és hatékony teljesítmény kapcsoló / szabályozó módszer még nem találtak. Ennek a mechanizmusnak képesnek kell lennie a ventilátorok, szivattyúk és robot szervók motorjainak meghajtására is , és elég kompaktnak kell lennie ahhoz, hogy illeszkedjen a lámpafény -szabályozókhoz. A PWM megoldást jelentett erre az összetett problémára.

A PWM egyik korai alkalmazását a Sinclair X10 -ben , a 10 W -os audioerősítőben kapták, amely készlet formájában kapható az 1960 -as években. Körülbelül ekkor kezdték el használni a PWM -t a váltakozó áramú motorvezérlésben.

Megjegyzendő, hogy körülbelül egy évszázada egyes változó fordulatszámú villanymotorok tisztességes hatékonysággal rendelkeztek, de valamivel összetettebbek voltak, mint az állandó fordulatszámú motorok, és néha terjedelmes külső elektromos készülékeket igényeltek, mint például változó teljesítményű ellenállások vagy forgó átalakítók. mint például a Ward Leonard meghajtó .

Elv

1. ábra: impulzushullám , amely a , és D definícióit mutatja .

Az impulzusszélesség-moduláció egy téglalap alakú impulzushullámot használ, amelynek impulzusszélességét modulálják, ami a hullámforma átlagos értékének változását eredményezi . Ha figyelembe vesszük az impulzus hullámformáját , periódussal , alacsony értékkel , magas értékkel és D üzemi ciklussal (lásd az 1. ábrát), akkor a hullámforma átlagos értékét a következőképpen adjuk meg:

Mivel a pulzushullám, értéke a és az . Ekkor a fenti kifejezés a következő lesz:

Ez utóbbi kifejezés sok esetben meglehetősen leegyszerűsíthető, amikor pl . Ebből a jel ( ) átlagértéke közvetlenül függ a D üzemi ciklustól.

2. ábra: Az adott jelnek megfelelő PWM impulzussor előállításának egyszerű módja a metsző metszésű PWM: a jelet (itt a piros szinuszhullámot) összehasonlítjuk egy fűrészfoghullámmal (kék). Ha az utóbbi kisebb, mint az előbbi, a PWM jel (bíbor) magas állapotban van (1). Ellenkező esetben alacsony állapotban van (0).

A PWM jel előállításának legegyszerűbb módja az intersective módszer, amelyhez csak fűrészfog vagy háromszög hullámforma szükséges (egyszerű oszcillátor segítségével könnyen előállítható ) és összehasonlító . Ha a referenciajel értéke (a piros szinuszhullám a 2. ábrán) több, mint a modulációs hullámforma (kék), a PWM jel (bíbor) magas állapotban van, ellenkező esetben alacsony állapotban van.

Delta

A delta moduláció PWM vezérlésnél történő használatakor a kimeneti jel integrálva van, és az eredményt a határértékekkel hasonlítják össze, amelyek megfelelnek a referenciajel konstans eltolásának. Minden alkalommal, amikor a kimeneti jel integrálja eléri az egyik határértéket, a PWM jel állapota megváltozik. 3. ábra

3. ábra: A delta PWM elve. A kimeneti jelet (kék) összehasonlítják a határértékekkel (zöld). Ezek a határok megfelelnek a referenciajelnek (piros), amelyet egy adott érték eltol. Minden alkalommal, amikor a kimeneti jel (kék) eléri az egyik határértéket, a PWM jel állapota megváltozik.

Delta-szigma

A delta-szigma modulációban, mint PWM vezérlési módszer, a kimeneti jelet kivonják a referenciajelből, hogy hibajelet képezzenek. Ez a hiba integrált, és amikor a hiba integrálja meghaladja a korlátokat, a kimenet megváltoztatja az állapotot. 4. ábra

4. ábra: A sigma-delta PWM elve. A felső zöld hullámforma a referenciajel, amelyen a kimeneti jelet (PWM, az alsó ábrán) kivonva a hibajel keletkezik (kék, a felső ábrán). Ez a hiba integrált (középső diagram), és amikor a hiba integrálja meghaladja a határokat (piros vonalak), a kimenet állapota megváltozik.

Térvektor moduláció

A térvektor moduláció egy PWM vezérlő algoritmus a többfázisú váltakozó áramú generációhoz, amelyben a referenciajelet rendszeresen mintavételezik; minden minta után a referenciavektorral szomszédos, nullától eltérő aktív kapcsolóvektorokat és egy vagy több nulla kapcsolóvektorot választunk ki a mintavételi időszak megfelelő részéhez, hogy a referenciajelet a használt vektorok átlagaként szintetizálhassuk.

Közvetlen nyomatékvezérlés (DTC)

A közvetlen nyomatékvezérlés az AC motorok vezérlésére használt módszer. Szorosan összefügg a delta modulációval (lásd fent). A motor nyomatékát és mágneses fluxusát becsülik, és ezeket úgy szabályozzák, hogy a hiszterézis sávjukon belül maradjanak az eszköz félvezető kapcsolóinak új kombinációjának bekapcsolásával minden alkalommal, amikor bármelyik jel megpróbál eltérni a sávjától.

Időarányosítás

Sok digitális áramkör képes PWM jeleket generálni (pl. Sok mikrokontroller rendelkezik PWM kimenettel). Általában számlálót használnak, amely periodikusan növekszik (közvetlenül vagy közvetve csatlakozik az áramkör órájához ), és a PWM minden periódusának végén nullázódik. Ha a számláló értéke nagyobb, mint a referenciaérték, a PWM kimenet állapota magasról alacsonyra (vagy alacsonyról magasra) változik. Ezt a technikát időarányosításnak, különösen időarányos vezérlésnek nevezik - amely egy rögzített ciklusidő hányadát tölti a magas állapotban.

A növekvő és periodikusan nullázó számláló a metsző módszer fűrészfogának diszkrét változata. A metsző módszer analóg összehasonlítója egyszerű egész számok összehasonlításává válik az aktuális számlálóérték és a digitális (esetleg digitalizált) referenciaérték között. A működési ciklus csak diszkrét lépésekben változtatható, a számláló felbontásának függvényében. A nagy felbontású számláló azonban egészen kielégítő teljesítményt nyújthat.

Típusok

5. ábra: Háromféle PWM jel (kék): élél moduláció (felül), hátsó él moduláció (középső) és központosított impulzusok (mindkét él modulált, alul). A zöld vonalak a fűrészfogas hullámforma (első és második eset) és egy háromszög hullámforma (harmadik eset), amelyet a PWM hullámformák előállítására használnak a metszéses módszerrel.

Háromféle impulzusszélesség-moduláció (PWM) lehetséges:

  1. Az impulzus középpontja rögzíthető az időablak közepére, és az impulzus mindkét széle mozgatható a szélesség összenyomására vagy bővítésére.
  2. Az elülső él az ablak elülső szélén tartható, és a farokél módosítható.
  3. A farokél rögzíthető, és a vezető él modulálható.

Spektrum

A kapott spektrumokat (a három eset) hasonlóak, és mindegyik tartalmaz egy DC komponenst-bázis oldalsáv tartalmazó a moduláló jel és a fázis modulált hordozók minden egyes harmonikus frekvenciájának az impulzus. A harmonikus csoportok amplitúdóját burok korlátozza ( sinc függvény ), és a végtelenségig terjed. A végtelen sávszélességet az impulzusszélesség-modulátor nemlineáris működése okozza. Következésképpen a digitális PWM aliasing torzítástól szenved, ami jelentősen csökkenti alkalmazhatóságát a modern kommunikációs rendszerekben . A PWM -kernel sávszélességének korlátozásával elkerülhetők az álnevek.

Éppen ellenkezőleg, a delta moduláció véletlenszerű folyamat, amely folyamatos spektrumot hoz létre, különálló harmonikusok nélkül.

PWM mintavételi tétel

A PWM átalakítás folyamata nem lineáris, és általában feltételezik, hogy az aluláteresztő szűrő jelvisszaállítása nem tökéletes a PWM esetében. A PWM mintavételi tétel azt mutatja, hogy a PWM konverzió tökéletes lehet. A tétel kijelenti, hogy "A ± 0,637 -en belüli bármely sávkorlátos alapsávi jelet egy impulzusszélesség -modulációs (PWM) hullámalak lehet ábrázolni, egységnyi amplitúdóval. Az impulzusok száma a hullámformában megegyezik a Nyquist minták számával, és a csúcskorlát független attól, hogy a hullámforma kétszintű vagy háromszintű. "

  • Nyquist-Shannon mintavételi tétel: "Ha van olyan jele, amely tökéletesen sávra van korlátozva, f 0 sávszélességre, akkor összegyűjtheti az összes információt, amely a jelben van, külön mintavételezéssel, amíg a mintavételi gyakorisága nagyobb. mint 2f 0. "

Alkalmazások

Szervók

A PWM a szervomechanizmusok szabályozására szolgál ; lásd szervo vezérlés .

Távközlés

A távközlés , PWM egyfajta jel modulációs , ahol a szélességek az impulzusok megfelelnek olyan meghatározott adatértékeket kódolt egyik végén, és dekódolt a másik.

Különböző hosszúságú impulzusokat (magát az információt) rendszeres időközönként elküldik (a moduláció vivőfrekvenciája).

          _      _      _      _      _      _      _      _     
         | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    
Clock    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    
       __| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____

                 _      __     ____          ____   _
PWM signal      | |    |  |   |    |        |    | | |
                | |    |  |   |    |        |    | | |
       _________| |____|  |___|    |________|    |_| |___________

Data       0     1       2      4      0      4     1      0

Az órajel beillesztése nem szükséges, mivel az adatjel elülső éle használható óraként, ha minden adatértékhez egy kis eltolást adunk, hogy elkerüljük a nulla hosszúságú impulzusú adatértéket.

                _      __     ___    _____   _      _____   __     _   
               | |    |  |   |   |  |     | | |    |     | |  |   | | 
PWM signal     | |    |  |   |   |  |     | | |    |     | |  |   | |  
             __| |____|  |___|   |__|     |_| |____|     |_|  |___| |_____

Data            0       1      2       4     0        4      1     0

Áramellátás

A PWM segítségével szabályozható a terhelésre szállított energiamennyiség anélkül, hogy a veszteségek bekövetkeznének, amelyek az ellenállásos lineáris teljesítmény leadásából adódnának. Ennek a technikának hátrányai, hogy a terhelés által felvett teljesítmény nem állandó, hanem megszakítás nélküli (lásd Buck -átalakító ), és a terheléshez szállított energia sem folyamatos. A terhelés azonban induktív lehet, és kellően nagy frekvenciával, és szükség esetén további passzív elektronikus szűrőket alkalmazva az impulzussor simítható és az átlagos analóg hullámforma visszanyerhető. A terhelésbe történő áramlás folyamatos lehet. A tápellátásból származó áram nem állandó, és a legtöbb esetben energiaellátást igényel a tápoldalon. (Elektromos áramkör esetén kondenzátor a (gyakran parazita) tápoldali induktivitásban tárolt energia elnyeléséhez.)

A nagyfrekvenciás PWM teljesítményvezérlő rendszerek félvezető kapcsolókkal könnyen megvalósíthatók. Amint azt fentebb kifejtettük, a kapcsoló szinte semmilyen energiát nem oszlat el be- vagy kikapcsolt állapotban. A be- és kikapcsolási állapotok közötti átmenet során azonban mind a feszültség, mind az áram nem nulla, és így a teljesítmény eloszlik a kapcsolókban. Ha gyorsan megváltoztatja az állapotot a teljesen be- és kikapcsolás között (általában kevesebb, mint 100 nanosekundum), a kapcsolók teljesítményvesztesége meglehetősen alacsony lehet a terheléshez leadott teljesítményhez képest.

A modern félvezető kapcsolók, például a MOSFET - ek vagy a szigetelt kapuú bipoláris tranzisztorok (IGBT-k) jól illeszkednek a nagy hatékonyságú vezérlőkhöz. A váltakozó áramú motorok vezérlésére használt frekvenciaváltók hatásfoka meghaladhatja a 98%-ot. A kapcsolóüzemű tápegységek alacsonyabb kimeneti feszültségszintek miatt alacsonyabb hatékonysággal rendelkeznek (gyakran akár 2 V -nál is kisebb mikroprocesszorokra van szükség), de így is több mint 70–80% -os hatékonyság érhető el.

A változó sebességű számítógépes ventilátorvezérlők általában PWM-et használnak, mivel ez sokkal hatékonyabb, mint egy potenciométer vagy reosztát . (Az utóbbiak egyike sem praktikus elektronikusan működtetni; kis hajtómotorra lenne szükség.)

Az otthoni használatra szánt fényszabályozók egy speciális típusú PWM szabályozót alkalmaznak. Az otthoni használatra szánt fényszabályozók jellemzően elektronikus áramkört tartalmaznak, amely elnyomja az áramlást a váltakozó áramú hálózati feszültség minden ciklusának meghatározott szakaszaiban. A fényforrás által kibocsátott fény fényerejének beállítása ekkor csupán annak beállítása, hogy a váltóáramú félciklus milyen feszültségén (vagy fázisán) kezd a fényerő-szabályozó áramot szolgáltatni a fényforrásnak (pl. Elektronikus kapcsoló, pl. a triac ). Ebben az esetben a PWM terhelési ciklus a vezetési idő és a fél AC ciklus időtartamának aránya, amelyet az AC hálózati feszültség frekvenciája határoz meg (országtól függően 50 Hz vagy 60 Hz).

Ezek a meglehetősen egyszerű típusú fényerőszabályozók hatékonyan használhatók közömbös (vagy viszonylag lassan reagáló) fényforrásokkal, például izzólámpákkal, amelyek esetében a fényerő -szabályozó által okozott kiegészítő modulált áramellátás csak elhanyagolható további ingadozásokat okoz. fényt bocsátott ki. Néhány más típusú fényforrás, például a fénykibocsátó diódák (LED-ek) azonban rendkívül gyorsan be- és kikapcsolnak, és érzékelhetően villogni kezdenek, ha alacsony frekvenciájú hajtásfeszültséget kapnak. Az ilyen gyors válaszú fényforrásokból származó érzékelhető villódzási hatások csökkenthetők a PWM frekvencia növelésével. Ha a fényingadozások kellően gyorsak (gyorsabbak, mint a villódzás fúziós küszöbértéke ), akkor az emberi látórendszer már nem tudja feloldani őket, és a szem villogás nélkül érzékeli az idő átlagos intenzitását.

Az elektromos tűzhelyeknél folyamatosan változtatható teljesítményt biztosítanak a fűtőelemekre, például a főzőlapra vagy a grillre egy simmerstat néven ismert eszköz segítségével . Ez egy termikus oszcillátorból áll, amely körülbelül két ciklus percenként működik, és a mechanizmus a munkabeállítást a gomb beállításától függően változtatja. A fűtőelemek termikus időállandója néhány perc, így a hőmérséklet -ingadozások túl kicsik ahhoz, hogy a gyakorlatban számíthassanak.

Feszültségszabályozás

A PWM -et hatékony feszültségszabályozókban is használják . Ha a feszültséget a terhelésre a megfelelő munkaciklus mellett kapcsolja, a kimenet megközelíti a kívánt szintű feszültséget. A kapcsolási zajt általában induktorral és kondenzátorral szűrik .

Az egyik módszer a kimeneti feszültséget méri. Ha alacsonyabb, mint a kívánt feszültség, bekapcsolja a kapcsolót. Ha a kimeneti feszültség meghaladja a kívánt feszültséget, kikapcsolja a kapcsolót.

Hanghatások és erősítés

Az impulzus hullámforma működési ciklusának változtatása szintézis műszerben hasznos timbrális variációkat eredményez. Egyes szintetizátorok négyzethullámú kimeneteihez egy ciklusvágó tartozik, és ezt a vágót fülön keresztül lehet beállítani; az 50% -os pont (valódi négyzethullám) azért volt jellegzetes, mert a páros harmonikusok 50% -nál lényegében eltűnnek. Az impulzushullámok, általában 50%, 25%és 12,5%, alkotják a klasszikus videojátékok filmzenéit . A hang (zene) szintézisében használt PWM kifejezés a magas és alacsony szint közötti arányra utal, amelyet másodlagosan alacsony frekvenciájú oszcillátorral modulálnak . Ez olyan hanghatást kölcsönöz, mint a kórus vagy az együtt játszott, kissé lehangolt oszcillátorok. (Valójában a PWM egyenértékű két fűrészfoghullám összegével, amelyek közül az egyik fordított.)

Egyre népszerűbb a PWM elvű audioerősítők új osztálya. D osztályú erősítőknek hívják , és az analóg bemeneti jel PWM-ekvivalensét állítják elő, amelyet egy megfelelő szűrőhálózaton keresztül a hangszóróba táplálnak, hogy blokkolják a hordozót és visszanyerjék az eredeti hangot. Ezeket az erősítőket nagyon jó hatásfok (≥ 90%) és kompakt méret/könnyű súly jellemzi nagy teljesítmény esetén. Néhány évtizede az ipari és katonai PWM erősítők általánosan használatosak, gyakran szervomotorok hajtására . Az MRI gépek terepi gradiens tekercseit viszonylag nagy teljesítményű PWM erősítők hajtják.

A történelem során a PWM nyers formáját használták a PCM digitális hang lejátszására a PC hangszóróján , amelyet csak két feszültségszint hajt, általában 0 V és 5 V. Az impulzusok időtartamának gondos időzítése és a a hangszóró fizikai szűrési tulajdonságai (korlátozott frekvenciaválasz, öninduktivitás stb.) lehetővé tették a mono PCM minták hozzávetőleges lejátszását, bár nagyon alacsony minőségben, és nagyon eltérő eredményekkel a megvalósítások között.

A közelmúltban bevezetésre került a Direct Stream Digital hangkódolási módszer, amely az impulzusszélesség moduláció általánosított formáját használja, az úgynevezett impulzus sűrűségmodulációt , elég magas mintavételi gyakorisággal (jellemzően MHz-es nagyságrendben), hogy lefedje a teljes akusztikus frekvenciát. tartomány kellő hűséggel. Ezt a módszert SACD formátumban használják, és a kódolt audiojelek reprodukálása lényegében hasonló a D osztályú erősítőkben alkalmazott módszerhez.

Elektromos

Az SPWM (Szinusz-háromszög impulzusszélesség-moduláció) jeleket a mikroinverterek tervezésében használják (nap- és szélenergia-alkalmazásokban használják). Ezeket a kapcsolási jeleket a készülékben használt FET -ek táplálják . A készülék hatékonysága a PWM jel harmonikus tartalmától függ. Sok kutatás folyik a nem kívánt felharmonikusok kiküszöbölésére és az alapvető erősség javítására, amelyek közül néhány a módosított vivőjel használatát jelenti a klasszikus fűrészfogjel helyett az energiaveszteség csökkentése és a hatékonyság javítása érdekében. Egy másik gyakori alkalmazás a robotikában, ahol PWM jeleket használnak a robot sebességének szabályozására a motorok vezérlésével.

Halkan villogó LED kijelző

A PWM technikákat általában arra használják, hogy bizonyos jelzőfényeket (például LED -eket ) lágyan villogjanak. A fény lassan sötétből teljes intenzitásra vált, és lassan sötétedni kezd. Aztán megismétlődik. A periódus másodpercenként több halk villanás, legfeljebb egy másodpercig néhány másodperc. Egy ilyen típusú jelző nem zavarna annyira, mint egy "erősen villogó" be/ki jelző. Az Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005) jelzőlámpája ilyen típusú volt. Ezt a fajta indikátort "pulzáló izzásnak" is nevezik, szemben a "villogással".

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek