Pulsbreddsmodulering

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 1 december 2020; kontroller kräver 5 redigeringar .

Pulsbreddsmodulering ( PWM ) är en effektstyrningsprocess genom att pulsa strömförbrukaren på och av. Det finns analog PWM och digital PWM , binär (två-nivå) PWM och ternär (tre-nivå) PWM [1] .

Skäl till att använda PWM

Den främsta anledningen till att använda PWM är önskan att öka effektiviteten när man bygger sekundära strömförsörjningar för elektronisk utrustning och i andra komponenter, till exempel används PWM för att justera ljusstyrkan på bakgrundsbelysningen på LED-skärmar och displayer i telefoner, handdatorer, etc.

Termisk effekt frigörs på nyckeln med PWM

I PWM används transistorer som nyckelelement (andra halvledarenheter kan också användas) som inte fungerar i ett linjärt, utan i ett nyckelläge, det vill säga transistorn är antingen öppen (av) eller stängd (är i ett tillstånd av mättnad ) hela tiden. I det första fallet har transistorn ett mycket högt motstånd, så strömmen i kretsen är mycket liten, och även om hela matningsspänningen sjunker över transistorn, är effekten som försvinner i transistorn mycket liten. I det andra fallet är transistorns resistans extremt liten, och följaktligen är spänningsfallet över den nära noll, medan den frigivna effekten också är liten. I övergångstillstånd (övergången av en nyckel från ett ledande tillstånd till ett icke-ledande tillstånd och vice versa) är kraften som frigörs i nyckeln betydande, men eftersom varaktigheten av övergångstillstånden är extremt kort med avseende på moduleringsperioden , visar sig den genomsnittliga effekten av kopplingsförluster vara obetydlig:

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

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

Hur PWM fungerar

Pulsbreddsmodulatorn implementerad i styrenheterna består av två block: en linjär integrator (I-länk) och ett trelägesreläelement. Kretsparametrarna som ställs in under tillverkningen av produkten är: tidskonstanten för I-länken T och och signalnivån vid reläelementets utgång ±A.

Pulsbreddsmodulatorn genererar en sekvens av pulser med en arbetscykel proportionell mot signalnivån vid dess ingång. Dess inställningsparameter, det vill säga den minsta pulslängden, ställs in med hjälp av dödzonen för reläelementet i pulsbreddsmodulatorn [2] .

Analog PWM

PWM-signalen genereras av en analog komparator , vars ena ingång (enligt figuren - till den inverterande ingången på komparatorn) matas med en hjälpreferenssågtand eller triangulär signal med mycket högre frekvens än frekvensen för den modulerande signalen och den andra är en modulerande kontinuerlig analog signal. Upprepningsfrekvensen för PWM-utgångspulserna är lika med sågtands- eller triangulärspänningens frekvens. I den del av sågtandsspänningsperioden, när signalen vid komparatorns inverterande ingång är högre än signalen vid den icke-inverterande ingången, där den modulerande signalen appliceras, erhålls en negativ spänning vid utgången, i den andra del av perioden, när signalen vid den inverterande ingången på komparatorn är lägre än signalen på den icke-inverterande ingången, kommer det att finnas en positiv spänning [3] .

Analog PWM används i lågfrekventa förstärkare av klass " D " .

Digital PWM

I binär digital teknik, där utgångarna bara kan anta ett av två värden, är det helt naturligt att approximera den önskade genomsnittliga utgångsnivån med PWM. Kretsen är lika enkel: sågtandssignalen genereras av en N -bitsräknare. Digitala enheter (DSHIP) arbetar med en fast frekvens, vanligtvis mycket högre än responsen från kontrollerade installationer ( översampling ). Under perioderna mellan klockflankerna förblir DSCH-utsignalen stabil, antingen låg eller hög, beroende på utsignalen från den digitala komparatorn, som jämför räknarvärdet med nivån på den annalkande digitala signalen V ( n ). En utgång för många cykler kan tolkas som ett tåg av pulser med två möjliga värden 0 och 1, som ersätter varandra varje cykel T . Frekvensen för förekomsten av enstaka pulser erhålls proportionell mot nivån på den närmade signalen ~ V ( n ). Enheter som följer efter varandra bildar konturen av en bredare impuls. Varaktigheten av de mottagna pulserna med variabel bredd ~ V ( n ) är en multipel av klockningsperioden T , och frekvensen är lika med 1/( T * 2N ). Låg frekvens betyder långa, i förhållande till T , perioder av konstans för signalen på samma nivå, vilket ger en låg enhetlighet i fördelningen av pulser.

Det beskrivna digitala genereringsschemat faller under definitionen av enbits (tvånivå) pulskodmodulering ( PCM ). 1-bitars PCM kan ses i termer av PWM som en serie pulser med en frekvens på 1/ T och en bredd på 0 eller T. För att uppnå medelvärdesberäkning på kortare tid tillåter tillgänglig omsampling. Hög kvalitet har en sådan variation av enkelbitars PCM som pulsdensitetsmodulering., som också kallas pulsfrekvensmodulering .

En kontinuerlig analog signal återställs genom aritmetisk medelvärdesberäkning av pulser över många perioder med hjälp av ett enkelt lågpassfilter. Även om vanligtvis inte ens detta krävs, eftersom de elektromekaniska komponenterna i frekvensomriktaren har induktans och styrobjektet (OC) har tröghet, utjämnas pulserna från PWM-utgången och op-förstärkaren med en tillräcklig frekvens av PWM signal, beter sig som när man styr en konventionell analog signal.

I digital PWM är perioden uppdelad i delar, som är fyllda med rektangulära subpulser. Medelvärdet för perioden beror på antalet rektangulära subpulser. Digital PWM är approximationen av en binär signal (med två nivåer - på / av ) till en flernivå- eller kontinuerlig signal så att deras medelvärden över en tidsperiod skulle vara ungefär lika. $t_{2}-t_{1}$

Formellt kan detta skrivas så här:

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

där är ingångssignalen i området från ti till t2 ;

x(t)

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

är varaktigheten av den i- :te PWM-subpulsen, var och en med amplitud A .

n väljs så att skillnaden mellan de totala ytorna (energierna) för båda kvantiteterna under perioden är mindre än det tillåtna:

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

Kontrollerade "nivåer" är som regel kraftverkseffektparametrar, till exempel spänningen hos pulsomvandlare / DC-spänningsregulatorer / eller elmotorns hastighet. För impulskällor x ( t ) = U konstant stabilisering.

I digital PWM kan rektangulära subpulser som fyller en period vara var som helst i perioden, endast deras antal påverkar medelvärdet för perioden. Till exempel, när man delar upp en period i 8 delar, ger sekvenserna 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001etc. samma medelvärde för perioden, men separata "1s" försämrar tangentens (transistorns) funktionsläge.

Även en COM-port kan användas som en PWM. Eftersom 0 sänds som 0 0000 0000 1(8 databitar + start/stopp), och 255 som 0 1111 1111 1, är utspänningsområdet 10-90 % i steg om 10 %.

Hantering av multilevel sinusoidal PWM (SWM)

Flera tekniker har utvecklats för att minska distorsion i flernivåväxelriktare, baserade på den klassiska triangulära bäraren PWM. Vissa metoder använder källlokalisering, andra använder fasförskjutning från flera bärvågssignaler. Bilden till höger visar en typisk spänning som genereras av en växelriktarsektion genom att jämföra en sinusformad signal med en triangulär bärvågssignal.

Ett flertal Nc-kaskader i en fas med deras källor förskjutna med θc = 360 °/ Nc och använder samma styrspänning producerar belastningsspänningen med den minsta distorsionen. Detta resultat erhölls för en multi-element inverter i en 7-nivå konfiguration som använder tre segment kopplade i serie i varje fas. Den minsta distorsionen erhålls när källan förskjuts med en vinkel på θ med = 360°/3 = 120°.

En ganska vanlig praxis i industriella tillämpningar för en flernivåomriktare är att infoga en tredje överton i varje segment, som visas i figuren till höger (b), för att öka utspänningen. En annan positiv sida av SSWM på flera nivåer är den effektiva omkopplingsfrekvensen för belastningsspänningen med Nc-antal gånger, och omkopplingsfrekvensen för varje segment, beroende på dess bärvågssignal. Denna funktion gör det möjligt att reducera omkopplingsfrekvenserna för varje segment, vilket minskar omkopplingsförlusterna.

Stöd vektormaskin (MOB)

MOB-tekniken kan enkelt appliceras på alla flernivåväxelriktare. Figuren till höger visar rymdvektorerna för traditionella två-, tre- och femnivåomriktare. Dessa vektordiagram är universella oavsett typ av flernivåväxelriktare. Med andra ord gäller siffran till höger för en femnivås diodfixerad, kondensatorfixerad eller kaskadkopplad växelriktare. Intilliggande tre vektorer kan syntetisera den önskade spänningsvektorn genom att beräkna arbetscykeln ( Tj , Tj+1 och Tj+2 ) för varje vektor.

Rymdvektor-PWM-metoder har i allmänhet följande fördelar: bra utnyttjande av DC-matningsspänningen, låg rippel och relativt enkel digital signalprocessor (DSP) hårdvaruimplementering. Dessa egenskaper gör den lämplig för tillämpningar med hög spänning och hög effekt.

Med en ökning av antalet nivåer ökar överbelastningar och kopplingskomplexiteten avsevärt. Vissa författare har använt sönderdelningen av ett fem-nivås rymdvektordiagram till två tre-nivå fasförskjutna rymdvektordiagram för att minimera rippel och förenkla kontroll. Dessutom introducerades en enkel rymdvektormetod utan att beräkna arbetscykeln för intilliggande tre vektorer.

Se även

Vektormodulering är vektorpulsbreddsmodulering som används i kraftelektronik.
SACD är ett ljudskivaformat som använder pulsbreddsmodulering av ljudsignalen.
Ljudfrekvensförstärkare . Klassificering. Klass "D".

Anteckningar

↑ Frekvensomvandlare - Elementbas och kretsar för kraftelektronikenheter. Ris. 3.
↑ Sabani V. R. Automatiska styrsystem baserade på neurala nätverksteknologier / V. R. Sabanin, N. I. Smirnov, A. I. Repin // Proceedings of the International Scientific Conference Control-2003. M.: MPEI Publishing House, 2003. S. 45-51.
↑ Kretsar. Op Amps. Förstärkare. Klass D-förstärkare