Pulsbreddemodulasjon - Pulse-width modulation

Et eksempel på PWM i en idealisert spole som drives av en spenningskilde modulert som en serie av pulser, noe som resulterer i en sinuslignende strøm i induktoren. De rektangulære spenningspulsene resulterer likevel i en mer og mer jevn strømbølgeform, ettersom koblingsfrekvensen øker. Vær oppmerksom på at den nåværende bølgeformen er integralen av spenningsbølgeformen.

Pulsbreddemodulering ( PWM ), eller pulsvarighet modulasjon ( PDM ), er en metode for å redusere gjennomsnittlig effekt levert av et elektrisk signal, ved effektivt å kutte det opp i diskrete deler. Gjennomsnittsverdien av spenning (og strøm ) som mates til lasten , kontrolleres ved å slå bryteren mellom forsyning og belastning på og av raskt. Jo lengre bryteren er slått på i forhold til avstengingsperioder, jo høyere blir total effekt levert til lasten. Sammen med maksimal effektpunktsporing (MPPT), er det en av de viktigste metodene for å redusere effekten av solcellepaneler til det som kan brukes av et batteri. PWM er spesielt egnet for å kjøre treghetsbelastninger som motorer, som ikke er like lett påvirket av denne diskrete bryteren, fordi deres treghet får dem til å reagere sakte. PWM -koblingsfrekvensen må være høy nok til ikke å påvirke belastningen, det vil si at den resulterende bølgeformen som oppfattes av lasten må være så jevn som mulig.

Hastigheten (eller frekvensen) som strømforsyningen må bytte med kan variere sterkt avhengig av belastning og applikasjon. For eksempel må bytte utføres flere ganger i minuttet i en elektrisk komfyr; 100 eller 120  Hz (dobbel av nyttefrekvensen ) i en lampedimmer ; mellom noen få kilohertz (kHz) og titalls kHz for en motordrift; og godt opp i titalls eller hundrevis av kHz i lydforsterkere og datamaskinens strømforsyninger. Den største fordelen med PWM er at effekttapet i koblingsenhetene er veldig lavt. Når en bryter er av, er det praktisk talt ingen strøm, og når den er på og strøm overføres til lasten, er det nesten ingen spenningsfall over bryteren. Effekttap, som er produktet av spenning og strøm, er dermed i begge tilfeller nær null. PWM fungerer også godt med digitale kontroller, som på grunn av av/på -karakteren din enkelt kan angi den nødvendige driftssyklusen. PWM har også blitt brukt i visse kommunikasjonssystemer der driftssyklusen har blitt brukt til å formidle informasjon over en kommunikasjonskanal.

I elektronikk integrerer mange moderne mikrokontrollere (MCUer) PWM -kontrollere som er utsatt for eksterne pinner som perifere enheter under fastvarekontroll ved hjelp av interne programmeringsgrensesnitt. Disse brukes ofte til likestrøm (DC) motorstyring i robotikk og andre applikasjoner.

Driftssyklus

Begrepet driftssyklus beskriver andelen "på" tid til det vanlige intervallet eller "tidsperioden"; en lav driftssyklus tilsvarer lav effekt, fordi strømmen er slått av det meste av tiden. Driftssyklus er uttrykt i prosent, 100% er fullt på. Når et digitalt signal er på halvparten av tiden og utenfor den andre halvdelen av tiden, har det digitale signalet en driftssyklus på 50% og ligner en "firkantet" bølge. Når et digitalt signal bruker mer tid i på -tilstand enn av -tilstand, har det en driftssyklus på> 50%. Når et digitalt signal bruker mer tid i av -tilstand enn på -tilstand, har det en driftssyklus på <50%. Her er et bilde som illustrerer disse tre scenariene:

Driftssykluseksempler. Png

Historie

Noen maskiner (for eksempel en symaskinmotor ) krever delvis eller variabel effekt. Tidligere ble kontroll (for eksempel i en symaskinens fotpedal) implementert ved bruk av en reostat koblet i serie med motoren for å justere mengden strøm som strømmer gjennom motoren. Det var et ineffektivt opplegg, da dette også sløste med strøm som varme i motstandselementet i reostaten, men tålelig fordi den totale effekten var lav. Selv om reostaten var en av flere metoder for å kontrollere strøm (se autotransformatorer og Variac for mer informasjon), var det fortsatt ikke funnet en billig og effektiv strømbryter/justeringsmetode. Denne mekanismen også nødvendig for å være i stand til å drive motorene for vifter, pumper og robot servoer , og som trengs for å være kompakt nok til å danne grensesnitt med lysdempere. PWM dukket opp som en løsning på dette komplekse problemet.

En tidlig anvendelse av PWM var i Sinclair X10, en 10 W lydforsterker tilgjengelig i settform på 1960 -tallet. Omtrent samtidig begynte PWM å bli brukt i vekselstrømsmotorkontroll.

Vær oppmerksom på at i omtrent et århundre har noen elektriske motorer med variabel hastighet hatt anstendig effektivitet, men de var noe mer komplekse enn motorer med konstant hastighet, og noen ganger krevde de omfangsrike eksterne elektriske apparater, for eksempel en bank med variable motstander eller roterende omformere for eksempel Ward Leonard -stasjonen .

Prinsipp

Fig. 1: en puls bølge , som viser definisjonene av , og D.

Pulsbreddemodulering bruker en rektangulær pulsbølge hvis pulsbredde er modulert, noe som resulterer i variasjon i gjennomsnittsverdien av bølgeformen. Hvis vi vurderer en pulsbølgeform , med periode , lav verdi , høy verdi og driftssyklus D (se figur 1), er gjennomsnittsverdien av bølgeformen gitt av:

Som en pulsbølge, er verdien for og for . Uttrykket ovenfor blir da:

Dette siste uttrykket kan være ganske forenklet i mange tilfeller der som . Fra dette er gjennomsnittsverdien av signalet ( ) direkte avhengig av driftssyklusen D.

Fig. 2: En enkel metode for å generere PWM -pulstoget som tilsvarer et gitt signal, er den intersektive PWM: signalet (her den røde sinusbølgen) sammenlignes med en sagtannbølgeform (blå). Når sistnevnte er mindre enn førstnevnte, er PWM -signalet (magenta) i høy tilstand (1). Ellers er den i lav tilstand (0).

Den enkleste måten å generere et PWM -signal på er den kryssende metoden, som bare krever en sagtann eller en trekantbølgeform (lett generert ved hjelp av en enkel oscillator ) og en komparator . Når verdien av referansesignalet (den røde sinusbølgen i figur 2) er mer enn modulasjonsbølgeformen (blå), er PWM -signalet (magenta) i høy tilstand, ellers er det i lav tilstand.

Delta

Ved bruk av deltamodulering for PWM -kontroll er utgangssignalet integrert, og resultatet sammenlignes med grenser, som tilsvarer et referansesignal som er forskjøvet av en konstant. Hver gang integralet av utgangssignalet når en av grensene, endrer PWM -signalet tilstand. Figur 3

Fig. 3: Prinsipp for delta PWM. Utgangssignalet (blått) sammenlignes med grensene (grønt). Disse grensene tilsvarer referansesignalet (rødt), oppveid av en gitt verdi. Hver gang utgangssignalet (blått) når en av grensene, endrer PWM -signalet tilstand.

Delta-sigma

I delta-sigma-modulasjon som en PWM-kontrollmetode trekkes utgangssignalet fra et referansesignal for å danne et feilsignal. Denne feilen er integrert, og når integralet av feilen overskrider grensene, endrer utgangen tilstand. Figur 4

Fig. 4: Prinsipp for sigma-delta PWM. Den øverste grønne bølgeformen er referansesignalet, som utgangssignalet (PWM, i det nederste diagrammet) trekkes fra for å danne feilsignalet (blått, i toppdiagrammet). Denne feilen er integrert (midtplott), og når integralet av feilen overskrider grensene (røde linjer), endrer utgangen tilstand.

Romvektormodulering

Romvektormodulering er en PWM-kontrollalgoritme for flerfaset vekselstrømgenerering, der referansesignalet blir samplet regelmessig; etter hver prøve velges ikke-null aktive koblingsvektorer ved siden av referansevektoren og en eller flere av nullkoblingsvektorene for den passende brøkdel av samplingsperioden for å syntetisere referansesignalet som gjennomsnittet av de brukte vektorene.

Direkte dreiemomentkontroll (DTC)

Direkte dreiemomentkontroll er en metode som brukes til å kontrollere vekselstrømsmotorer. Det er nært beslektet med delta -modulasjonen (se ovenfor). Motormoment og magnetisk flux er estimert, og disse kontrolleres for å holde seg innenfor hysteresebåndene ved å slå på en ny kombinasjon av enhetens halvlederbrytere hver gang et av signalene prøver å avvike fra båndet.

Tid proporsjonering

Mange digitale kretser kan generere PWM -signaler (f.eks. Mange mikrokontrollere har PWM -utganger). De bruker normalt en teller som øker periodisk (den er koblet direkte eller indirekte til kretsens klokke ) og blir tilbakestilt på slutten av hver periode av PWM. Når tellerverdien er mer enn referanseverdien, endrer PWM -utgangen tilstand fra høy til lav (eller lav til høy). Denne teknikken blir referert til som tidsproportjonering, spesielt som tidsproportjoneringskontroll- hvilken andel av en fast syklustid som brukes i høy tilstand.

Den inkrementerte og periodisk tilbakestillede telleren er den diskrete versjonen av skjæringsmetodens sagtann. Den analoge komparatoren til kryssingsmetoden blir en enkel heltalssammenligning mellom den nåværende tellerverdien og den digitale (muligens digitaliserte) referanseverdien. Driftssyklusen kan bare varieres i diskrete trinn, som en funksjon av motoppløsningen. Imidlertid kan en høyoppløselig teller gi ganske tilfredsstillende ytelse.

Typer

Fig. 5: Tre typer PWM -signaler (blå): forkantsmodulering (øverst), bakkantsmodulering (midten) og sentrerte pulser (begge kantene er modulert, nederst). De grønne linjene er sagtannbølgeformen (første og andre tilfeller) og en trekantbølgeform (tredje tilfelle) som brukes til å generere PWM -bølgeformene ved hjelp av den kryssende metoden.

Tre typer pulsbreddemodulering (PWM) er mulige:

  1. Pulssenteret kan festes i midten av tidsvinduet og begge kantene av pulsen flyttes for å komprimere eller utvide bredden.
  2. Forkanten kan holdes ved vindusets forkant og halekanten moduleres.
  3. Halekanten kan festes og forkant moduleres.

Spektrum

De resulterende spektrene (av de tre tilfellene) er like, og hver inneholder en likestrømskomponent - et basis sidebånd som inneholder det modulerende signalet og fasemodulerte bærere ved hver harmonisk av frekvensen til pulsen. Amplituden til de harmoniske gruppene er begrenset av en konvolutt ( sinc -funksjon ) og strekker seg til uendelig. Den uendelige båndbredden skyldes ikke-lineær drift av pulsbreddemodulatoren. Følgelig lider en digital PWM av aliasing -forvrengning som reduserer anvendeligheten betydelig for moderne kommunikasjonssystem . Ved å begrense båndbredden til PWM -kjernen, kan aliasing -effekter unngås.

Tvert imot er deltamoduleringen en tilfeldig prosess som produserer kontinuerlig spektrum uten distinkte harmoniske.

PWM -prøvetakingsteorem

Prosessen med PWM-konvertering er ikke-lineær, og det antas generelt at lavpassfiltersignalgjenoppretting er ufullkommen for PWM. PWM -prøvetagningssetningen viser at PWM -konvertering kan være perfekt. Teoremet sier at "Ethvert båndbegrenset basebåndssignal innenfor ± 0,637 kan representeres av en pulsbreddemodulasjon (PWM) bølgeform med enhetsamplitude. Antall pulser i bølgeformen er lik antallet Nyquist -prøver og toppbegrensningen er uavhengig av om bølgeformen er to-nivå eller tre-nivå. "

  • Nyquist-Shannon Sampling Theorem: "Hvis du har et signal som er perfekt bånd begrenset til en båndbredde på f 0, kan du samle all informasjonen som er i det signalet ved å sampler det på diskrete tidspunkter, så lenge samplingsfrekvensen er større enn 2f 0. "

applikasjoner

Servoer

PWM brukes til å kontrollere servomekanismer ; se servokontroll .

Telekommunikasjon

I telekommunikasjon , er PWM en form for signalmodulering hvor breddene av pulsene svarer til bestemte dataverdier som er kodet i den ene enden og dekodes i den andre.

Pulser av forskjellige lengder (selve informasjonen) vil bli sendt med jevne mellomrom (modulasjonens bærefrekvens).

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

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

Data       0     1       2      4      0      4     1      0

Inkludering av et klokkesignal er ikke nødvendig, ettersom forkant av datasignalet kan brukes som klokken hvis en liten forskyvning legges til hver dataverdi for å unngå en dataværdi med en null lengdepuls.

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

Data            0       1      2       4     0        4      1     0

Kraftlevering

PWM kan brukes til å kontrollere mengden kraft levert til en last uten å pådra seg tapene som ville oppstå ved lineær kraftlevering med resistive midler. Ulemper med denne teknikken er at kraften trukket av lasten ikke er konstant, men snarere diskontinuerlig (se Buck -omformer ), og at energi levert til lasten heller ikke er kontinuerlig. Imidlertid kan belastningen være induktiv, og med tilstrekkelig høy frekvens og ved behov ved bruk av ekstra passive elektroniske filtre kan pulstoget jevnes ut og gjennomsnittlig analog bølgeform gjenopprettes. Kraftstrømmen inn i lasten kan være kontinuerlig. Strømmen fra forsyningen er ikke konstant og vil i de fleste tilfeller kreve energilagring på forsyningssiden. (I tilfelle av en elektrisk krets, en kondensator for å absorbere energi lagret i (ofte parasittisk) induktivitet på forsyningssiden.)

Høy frekvens PWM effektreguleringssystemer er lett realiserbar med halvlederbrytere. Som forklart ovenfor, blir nesten ingen strøm spredt av bryteren i hverken på eller av tilstand. Under overgangene mellom på og av -tilstander er imidlertid både spenning og strøm null, og dermed blir strømmen spredt i bryterne. Ved raskt å endre tilstanden mellom helt på og helt av (vanligvis mindre enn 100 nanosekunder), kan effekttapet i bryterne være ganske lavt i forhold til effekten som leveres til lasten.

Moderne halvlederbrytere som MOSFET eller bipolare transistorer med isolert gate (IGBT) er godt egnede komponenter for høyeffektive kontrollere. Frekvensomformere som brukes til å styre vekselstrømsmotorer kan ha en effektivitet på over 98%. Bryterstrømforsyninger har lavere effektivitet på grunn av lave utgangsspenningsnivåer (ofte er det nødvendig med mindre enn 2 V for mikroprosessorer), men det kan fortsatt oppnås mer enn 70–80% effektivitet.

Variabel hastighet datamaskin fan kontrollerne bruker vanligvis PWM, som det er langt mer effektiv i forhold til et potensiometer eller rheostat . (Ingen av sistnevnte er praktisk å operere elektronisk, de krever en liten drivmotor.)

Lysdimmere for hjemmebruk bruker en bestemt type PWM -kontroll. Lysdimmere til hjemmebruk inkluderer vanligvis elektroniske kretser som undertrykker strømmen under definerte deler av hver syklus av AC-ledningsspenningen. Å justere lysstyrken til lyset som sendes ut av en lyskilde, er da bare et spørsmål om å stille inn hvilken spenning (eller fase) i vekselstrømssyklusen dimmeren begynner å gi lyskilden elektrisk strøm (f.eks. Ved bruk av en elektronisk bryter som f.eks. en triac ). I dette tilfellet er PWM -driftssyklusen forholdet mellom ledningstiden og varigheten av den halve vekselstrømssyklusen definert av frekvensen til vekselstrømsspenningen (50 Hz eller 60 Hz avhengig av land).

Disse ganske enkle dimmertypene kan effektivt brukes med inerte (eller relativt sakte reagerende) lyskilder, for eksempel glødelamper, for hvilke tilleggsmodulasjonen i tilført elektrisk energi forårsaket av dimmeren forårsaker bare ubetydelige ekstra svingninger i avgitt lys. Noen andre typer lyskilder, for eksempel lysdioder (lysdioder), slås imidlertid på og av ekstremt raskt og vil muligens flimre hvis de leveres med lavfrekvente frekvensomformere. Mulige flimmereffekter fra slike lyskilder med rask respons kan reduseres ved å øke PWM -frekvensen. Hvis lyssvingningene er tilstrekkelig raske (raskere enn flimmerfusjonsterskelen ), kan det menneskelige synssystemet ikke lenger løse dem, og øyet oppfatter tidsgjennomsnittlig intensitet uten flimmer.

I elektriske komfyrer brukes kontinuerlig variabel effekt på varmeelementene, for eksempel koketoppen eller grillen, ved hjelp av en enhet som kalles en simmerstat . Denne består av en termisk oscillator som kjører med omtrent to sykluser per minutt, og mekanismen varierer driftssyklusen i henhold til knappens innstilling. Den termiske tidskonstanten til varmeelementene er flere minutter, slik at temperatursvingningene er for små til å ha betydning i praksis.

Spenningsregulering

PWM brukes også i effektive spenningsregulatorer . Ved å bytte spenning til lasten med riktig driftssyklus, vil utgangen tilnærmet en spenning på ønsket nivå. Koblingsstøyen filtreres vanligvis med en induktor og en kondensator .

En metode måler utgangsspenningen. Når den er lavere enn ønsket spenning, slår den på bryteren. Når utgangsspenningen er over ønsket spenning, slår den av bryteren.

Lydeffekter og forsterkning

Å variere driftssyklusen til en pulsbølgeform i et synteseinstrument skaper nyttige timbrale variasjoner. Noen synthesizere har en duty-cycle trimmer for sine firkantbølgeutganger, og den trimmeren kan settes med øret; 50% -punktet (ekte firkantbølge) var særegen, fordi jevne harmoniske i hovedsak forsvinner med 50%. Pulsbølger, vanligvis 50%, 25%og 12,5%, utgjør lydsporene til klassiske videospill . Begrepet PWM som brukt i lyd (musikk) syntese refererer til forholdet mellom høyt og lavt nivå som sekundært moduleres med en lavfrekvent oscillator . Dette gir en lydeffekt som ligner på kor eller svakt avstemte oscillatorer som spilles sammen. (Faktisk tilsvarer PWM summen av to sagetannbølger med en av dem invertert.)

En ny klasse med lydforsterkere basert på PWM -prinsippet blir populær. De kalles klasse D-forsterkere og produserer en PWM-ekvivalent med det analoge inngangssignalet som mates til høyttaleren via et passende filternettverk for å blokkere bæreren og gjenopprette den originale lyden. Disse forsterkerne er preget av meget gode effektivitetstall (≥ 90%) og kompakt størrelse/lett vekt for store effektutganger. I noen tiår har industrielle og militære PWM -forsterkere vært i vanlig bruk, ofte for å kjøre servomotorer . Feltgradientspoler i MR- maskiner drives av relativt kraftige PWM-forsterkere.

Historisk sett har en grov form for PWM blitt brukt til å spille av PCM digital lyd på PC -høyttaleren , som er drevet av bare to spenningsnivåer, vanligvis 0 V og 5 V. Ved nøye timing av varigheten av pulsen, og ved å stole på høyttalerens fysiske filtreringsegenskaper (begrenset frekvensrespons, selvinduktans, etc.) var det mulig å få omtrentlig avspilling av mono PCM-prøver, selv om den var av meget lav kvalitet, og med svært varierende resultater mellom implementeringene.

I nyere tid ble Direct Stream Digital lydkodingsmetoden introdusert, som bruker en generalisert form for pulsbreddemodulering kalt pulstetthetsmodulasjon , med en høy nok samplingsfrekvens (vanligvis i størrelsesorden MHz) til å dekke hele de akustiske frekvensene rekkevidde med tilstrekkelig troskap. Denne metoden brukes i SACD- format, og gjengivelse av det kodede lydsignalet er i hovedsak lik metoden som brukes i klasse D-forsterkere.

Elektrisk

SPWM (Sinus-trekant-pulsbreddemodulering) -signaler brukes i mikro-inverter-design (brukt i sol- og vindkraftapplikasjoner). Disse koblingssignalene mates til FET -ene som brukes i enheten. Enhetens effektivitet avhenger av det harmoniske innholdet i PWM -signalet. Det forskes mye på eliminering av uønskede harmoniske og forbedring av den grunnleggende styrken, hvorav noen innebærer bruk av et modifisert bæresignal i stedet for et klassisk sagetann -signal for å redusere effekttap og forbedre effektiviteten. En annen vanlig applikasjon er innen robotteknologi der PWM -signaler brukes til å kontrollere robotens hastighet ved å kontrollere motorene.

Blinkende LED-indikator

PWM -teknikker vil vanligvis bli brukt til å gjøre noen indikatorer (som en LED ) "myke blink". Lyset vil sakte gå fra mørkt til full intensitet, og sakte dempes til mørkt igjen. Så gjentar det seg. Perioden vil være flere myke blink per sekund opptil flere sekunder i ett blink. En indikator av denne typen vil ikke forstyrre så mye som en "hardblinkende" av/på-indikator. Indikatorlampen på Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005) var av denne typen. Denne typen indikatorer kalles også "pulserende glød", i motsetning til å kalle den "blinkende".

Se også

Referanser

Eksterne linker