Modularea lățimii impulsului

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 1 decembrie 2020; verificările necesită 5 modificări .

Modulația pe lățime a impulsurilor ( PWM ) este un proces de control al puterii prin impulsionarea și oprirea consumatorului de energie. Există PWM analog și PWM digital , PWM binar (cu două niveluri) și PWM ternar (cu trei niveluri) [1] .

Motive pentru utilizarea PWM

Motivul principal pentru utilizarea PWM este dorința de a crește eficiența la construirea de surse de alimentare secundare pentru echipamente electronice și în alte componente, de exemplu, PWM este utilizat pentru a regla luminozitatea luminii de fundal a monitoarelor LED și a afișajelor din telefoane, PDA-uri etc.

Putere termică eliberată pe cheie cu PWM

În PWM, tranzistorii sunt utilizați ca elemente cheie (pot fi utilizate și alte dispozitive semiconductoare) care funcționează nu într-un mod liniar, ci într-un mod cheie, adică tranzistorul este fie deschis (oprit), fie închis (este într-o stare de saturație). ) tot timpul. În primul caz, tranzistorul are o rezistență foarte mare, deci curentul din circuit este foarte mic și, deși întreaga tensiune de alimentare scade pe tranzistor, puterea disipată în tranzistor este foarte mică. În al doilea caz, rezistența tranzistorului este extrem de mică și, în consecință, căderea de tensiune pe acesta este aproape de zero, în timp ce puterea eliberată este, de asemenea, mică. În stările de tranziție (trecerea unei chei de la o stare conductivă la o stare neconductivă și invers), puterea eliberată în cheie este semnificativă, dar din moment ce durata stărilor de tranziție este extrem de scurtă în raport cu perioada de modulație , puterea medie a pierderilor de comutare se dovedește a fi nesemnificativă:

R_{tr}\rightarrow \infty \leftrightarrow P={{\frac {{U}^{2}}{R}}\rightarrow 0},

R_{tr}\rightarrow 0\leftrightarrow P={I}^{2}R\rightarrow 0.

Cum funcționează PWM

Modulatorul de lățime a impulsurilor implementat în controlere este format din două blocuri: un integrator liniar (I-link) și un element releu cu trei poziții. Parametrii circuitului stabiliți în timpul fabricării produsului sunt: constanta de timp a I-link T și și nivelul semnalului la ieșirea elementului releu ±A.

Modulatorul de lățime a impulsurilor generează o secvență de impulsuri cu un ciclu de lucru proporțional cu nivelul semnalului de la intrare. Parametrul său de setare, adică durata minimă a impulsului, este setat folosind zona moartă a elementului releu al modulatorului de lățime a impulsului [2] .

PWM analogic

Semnalul PWM este generat de un comparator analogic , o intrare (conform figurii - la intrarea de inversare a comparatorului) din care este furnizată un semnal auxiliar de referință sau triunghiular cu o frecvență mult mai mare decât frecvența semnalului de modulare. , iar celălalt este un semnal analogic continuu modulator. Frecvența de repetiție a impulsurilor de ieșire PWM este egală cu frecvența dinților de ferăstrău sau a tensiunii triunghiulare. În acea parte a perioadei de tensiune din dinte de ferăstrău, când semnalul de la intrarea inversoare a comparatorului este mai mare decât semnalul de la intrarea neinversoare, unde este aplicat semnalul modulator, se obține o tensiune negativă la ieșire, în celălalt parte a perioadei, când semnalul de la intrarea inversoare a comparatorului este mai mic decât semnalul de la intrarea neinversoare, va exista o tensiune pozitivă [3] .

PWM analogic este utilizat în amplificatoarele de joasă frecvență din clasa „ D ” .

PWM digital

În tehnologia digitală binară, unde ieșirile pot lua doar una dintre cele două valori, aproximarea nivelului mediu de ieșire dorit folosind PWM este complet naturală. Circuitul este la fel de simplu: semnalul dinți de ferăstrău este generat de un contor de N - biți. Dispozitivele digitale (DSHIP) funcționează la o frecvență fixă, de obicei mult mai mare decât răspunsul instalațiilor controlate ( supraeșantionare ). În perioadele dintre muchiile de ceas, ieșirea DSCH rămâne stabilă, fie scăzută, fie ridicată, în funcție de ieșirea comparatorului digital, care compară valoarea contorului cu nivelul semnalului digital care se apropie V ( n ). O ieșire pentru mai multe cicluri poate fi interpretată ca un tren de impulsuri cu două valori posibile 0 și 1, înlocuindu-se reciproc la fiecare ciclu T . Frecvența de apariție a impulsurilor individuale se obține proporțional cu nivelul semnalului abordat ~ V ( n ). Unitățile care se succed una pe alta formează conturul unui impuls mai larg. Durata impulsurilor recepţionate de lăţime variabilă ~ V ( n ) este un multiplu al perioadei de tact T , iar frecvenţa este egală cu 1/( T *2 N ). Frecvența joasă înseamnă perioade lungi, în raport cu T , de constanță a semnalului de același nivel, ceea ce conferă o uniformitate scăzută în distribuția impulsurilor.

Schema de generare digitală descrisă se încadrează în definiția modulației codului de impulsuri ( PCM ) pe un bit (două niveluri ). PCM de 1 bit poate fi gândit în termeni de PWM ca o serie de impulsuri cu o frecvență de 1/ T și o lățime de 0 sau T. Realizarea mediei într-o perioadă mai scurtă de timp permite reeșantionarea disponibilă. Înaltă calitate are o astfel de varietate de PCM pe un singur bit precum modularea densității impulsurilor., care se mai numește și modulație de puls-frecvență .

Un semnal analogic continuu este restabilit prin medierea aritmetică a impulsurilor pe mai multe perioade folosind un filtru trece-jos simplu. Deși de obicei nici acest lucru nu este necesar, deoarece componentele electromecanice ale unității au inductanță, iar obiectul de control (OC) are inerție, impulsurile de la ieșirea PWM sunt netezite și amplificatorul operațional, cu o frecvență suficientă a PWM semnal, se comportă ca atunci când controlați un semnal analogic convențional.

În PWM digital, perioada este împărțită în părți, care sunt umplute cu sub-impulsuri dreptunghiulare. Valoarea medie a perioadei depinde de numărul de subpulsuri dreptunghiulare. PWM digital este aproximarea unui semnal binar (cu două niveluri - pornit / oprit ) la un semnal cu mai multe niveluri sau continuu, astfel încât valorile lor medii pe o perioadă de timp să fie aproximativ egale. $t_{2}-t_{1}$

Formal, aceasta poate fi scrisă după cum urmează:

{\int _{t_{1}}^{t_{2}}{x(t)\,dt} \over {t_{2}-t_{1}}}={\sum _{i =1}^{n}{A*\Delta T_{i}} \over {t_{2}-t_{1}}},

unde este semnalul de intrare în intervalul de la t 1 la t 2 ;

x(t)

\Delta T_{i}={\frac {t_{2}-t_{1}}{n}}

este durata i --lea subpuls PWM, fiecare cu amplitudinea A .

n este ales astfel încât, pentru perioada respectivă, diferența dintre suprafețele totale (energii) ale ambelor cantități să fie mai mică decât valoarea admisibilă:

\int _{t_{1}}^{t_{2}}{x(t)\,dt}-\sum _{i=1}^{n}{A*\Delta T_{i} <E.

„Nivelurile” controlate, de regulă, sunt parametrii de putere ai centralei electrice, de exemplu, tensiunea convertoarelor de impulsuri / regulatoarele de tensiune DC / sau viteza motorului electric. Pentru sursele de impuls x ( t ) = U const stabilizare.

În PWM digital, subpulsurile dreptunghiulare care umple o perioadă pot fi oriunde în perioada, doar numărul lor afectează valoarea medie a perioadei. De exemplu, la împărțirea unei perioade în 8 părți, secvențele 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001etc. dau aceeași valoare medie pentru perioada, dar „1-urile” separate înrăutățesc modul de funcționare al tastei (tranzistor).

Chiar și un port COM poate fi folosit ca PWM. Deoarece 0 este transmis ca 0 0000 0000 1(8 biți de date + pornire/oprire) și 255 ca 0 1111 1111 1, intervalul de tensiune de ieșire este de 10-90% în trepte de 10%.

Managementul PWM sinusoidal multinivel (SWM)

Au fost dezvoltate mai multe tehnici pentru a reduce distorsiunile în invertoarele multinivel, bazate pe purtătorul clasic triunghiular PWM. Unele metode folosesc locația sursei, altele folosesc schimbarea de fază de la mai multe semnale purtătoare. Figura din dreapta arată o tensiune tipică generată de o secțiune a invertorului prin compararea unui semnal sinusoidal cu un semnal purtător triunghiular.

O multitudine de N c -cascade într-o fază cu sursele lor compensate cu θ c = 360°/N c și folosind aceeași tensiune de control produc tensiunea de sarcină cu cea mai mică distorsiune. Acest rezultat a fost obținut pentru un invertor cu mai multe elemente într-o configurație pe 7 nivele care utilizează trei segmente conectate în serie în fiecare fază. Cea mai mică distorsiune se obține atunci când sursa este deplasată cu un unghi de θ cu = 360°/3 = 120°.

O practică destul de comună în aplicațiile industriale pentru un invertor pe mai multe niveluri este de a introduce o a treia armonică în fiecare segment, așa cum se arată în figura din dreapta (b), pentru a crește tensiunea de ieșire. O altă parte pozitivă a SSWM pe mai multe niveluri este frecvența efectivă de comutare a tensiunii de sarcină de un număr Nc de ori și frecvența de comutare a fiecărui segment, în funcție de semnalul purtător al acestuia. Această caracteristică permite ca frecvențele de comutare ale fiecărui segment să fie reduse, reducând astfel pierderile de comutare.

Suport vector machine (MOB)

Tehnica MOB poate fi aplicată cu ușurință la toate invertoarele cu mai multe niveluri. Figura din dreapta arată vectorii de spațiu pentru invertoarele tradiționale cu două, trei și cinci niveluri. Aceste diagrame vectoriale sunt universale, indiferent de tipul de invertor pe mai multe niveluri. Cu alte cuvinte, figura din dreapta este valabilă pentru un invertor cu cinci niveluri fixat cu diode, fixat pe condensator sau în cascadă. Trei vectori adiacenți pot sintetiza vectorul de stres dorit prin calcularea ciclului de lucru (T j , T j+1 și T j+2 ) pentru fiecare vector.

Metodele PWM cu vector spațial au, în general, următoarele avantaje: buna utilizare a tensiunii de alimentare CC, ondulație scăzută și implementare hardware relativ ușoară a procesorului de semnal digital (DSP). Aceste caracteristici îl fac potrivit pentru aplicații de înaltă tensiune și putere mare.

Odată cu creșterea numărului de niveluri, supraîncărcările și complexitatea comutării cresc semnificativ. Unii autori au folosit descompunerea unei diagrame vectoriale spațiale pe cinci niveluri în două diagrame vectoriale spațiale defazate pe trei niveluri pentru a minimiza ondulația și a simplifica controlul. În plus, a fost introdusă o metodă simplă de vector spațial fără a calcula ciclul de lucru al celor trei vectori adiacenți.

Vezi și

Modulația vectorială este modularea lățimii impulsului vectorială utilizată în electronica de putere.
SACD este un format de disc audio care utilizează modularea lățimii impulsului a semnalului audio.
Amplificator de frecvență audio . Clasificare. Clasa „D”.

Note

↑ Convertizoare de frecvență - Baza elementului și circuitele dispozitivelor electronice de putere. Orez. 3.
↑ Sabani V. R. Automatic control systems based on neuronal network technologies / V. R. Sabanin, N. I. Smirnov, A. I. Repin // Proceedings of the International Scientific Conference Control-2003. M.: Editura MPEI, 2003. S. 45-51.
↑ Circuite. Amplificatoare operaționale. Amplificatoare. Amplificator de clasa D