Vad är en PWM-kontroller, hur den är uppbyggd och fungerar, typer och diagram. PWM-styrenhet: krets, funktionsprincip, styrning Styrs av PWM

Pulsbreddsmodulering(PWM, eng. Pulsbreddsmodulering (PWM)) - approximation av den önskade signalen (flernivå eller kontinuerlig) till verkliga binära signaler (med två nivåer - på/av), så att deras värden i genomsnitt över en viss tidsperiod är lika. Formellt kan detta skrivas som:

var x(t) - den önskade insignalen i gränsen från t1 innan t2, och ∆ T i- varaktighet i PWM-puls, var och en med amplitud A. ∆T i väljs på ett sådant sätt att de totala ytorna (energierna) för båda kvantiteterna är ungefär lika över en tillräckligt lång tidsperiod, och medelvärdena för kvantiteterna för perioden är också lika:

Kontrollerade "nivåer" är som regel kraftverkets strömförsörjningsparametrar, till exempel spänningen hos pulsomvandlare / DC-spänningsregulatorer / eller elmotorns hastighet. För pulserande källor x(t) = U konst stabilisering.

Den främsta anledningen till införandet av PWM är svårigheten att tillhandahålla godtycklig Voltage_ (elektrisk). Det finns en viss grundläggande konstant försörjningsspänning (i nätverket, från batterier etc.) och på grundval av den måste du få en lägre godtycklig och redan driva elmotorer eller annan utrustning med den. Det enklaste alternativet är en spänningsdelare, men den har minskad effektivitet, ökad värmealstring och energiförbrukning. Ett annat alternativ är en transistorkrets. Det låter dig justera spänningen utan att behöva använda mekanik. Problemet är att transistorer värms upp som mest i halvöppet tillstånd (50%). Och om du fortfarande kan "leva" med en sådan effektivitet, så upphäver utsläppet av värme, särskilt i industriell skala, hela idén. Det är därför det beslutades att använda en transistorkrets, men bara i gränstillstånden (på / av), och jämna ut den resulterande utgången med en LC-krets (filter) om det behövs. Detta tillvägagångssätt är mycket energieffektivt. PWM används flitigt överallt. Om du läser den här artikeln på en LCD-skärm (telefon/PDA/... med LCD-bakgrundsbelysning), så styrs bakgrundsbelysningens ljusstyrka av PWM. På äldre bildskärmar kan du sänka ljusstyrkan och höra hur PWM börjar gnissla (ett väldigt tyst gnisslande med en frekvens på flera kilohertz). Samma "gnisslande" mjukt blinkande LED-lampor, till exempel i bärbara datorer. PWM:ns gnisslande hörs mycket väl på natten i tysthet.

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, då är utspänningsområdet 10-90 % i steg om 10 %.

TAGG- en pulsbreddsomvandlare som genererar en PWM-signal enligt ett givet värde på styrspänningen. Den största fördelen med SHIP är den höga effektiviteten hos dess effektförstärkare, vilket uppnås genom att använda dem uteslutande i nyckelläget. Detta minskar avsevärt strömutsläppet vid strömomvandlaren (SP).

Ansökan

PWM använder transistorer (det kan finnas andra element) inte i ett linjärt, utan i ett nyckelläge, det vill säga att transistorn är antingen öppen (av) eller stängd (i mättnad) hela tiden. I det första fallet har transistorn nästan oändligt motstånd, så det finns nästan ingen ström i kretsen, och även om hela matningsspänningen sjunker över transistorn, det vill säga effektivitet = 0%, i absoluta termer, försvinner effekten på transistorn är noll. I det andra fallet är transistorns resistans extremt liten, och följaktligen är spänningsfallet över den nära noll - den släppta effekten är också liten.

Hur PWM fungerar

PWM är en pulssignal med konstant frekvens och variabel arbetscykel, det vill säga förhållandet mellan pulsrepetitionsperioden och dess varaktighet. Genom att ställa in arbetscykeln (pulslängd) Du kan ändra medelspänningen vid PWM-utgången.

Den genereras av en analog komparator, vars negativa ingång matas med en referenssignal i form av en "såg" eller "triangel", och den positiva ingången är den modulerade kontinuerliga analoga signalen i sig. Frekvensen på pulserna motsvarar frekvensen på sågens "tänder". Den del av perioden då insignalen är högre än referensen, är utsignalen ett, under - noll.

Inom digital teknik, där utgångar bara kan ta ett av två värden, är det helt naturligt att approximera den önskade genomsnittliga utnivån med PWM. Kretsen är lika enkel: en sågtandssignal genereras N-biträknare. Digitala enheter (TSSHIP) arbetar med en fast frekvens, vanligtvis mycket högre än responsen från kontrollerade installationer ( omsampling). Under perioderna mellan klockflankerna förblir DSCH-utgången stabil, antingen låg eller hög, beroende på utsignalen från den digitala komparatorn, som jämför räknarvärdet med nivån på den digitala signalen som närmar sig V(n). Utgång för många cykler kan tolkas som en serie 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 närmande 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 multiplar av klockningsperioden T, och frekvensen är 1/( T*2 N). Låg frekvens betyder lång, relativt T, perioder av konstanthet för signalen på en nivå, vilket ger en låg enhetlighet i fördelningen av impulser.

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 bredd 0 eller T. För att uppnå medelvärdesberäkning på kortare tid tillåter den tillgängliga omsamplingen. Hög kvalitet har så många olika enkelbitars PCM som pulsdensitetsmodulering ( 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 kontrollobjektet (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.

se även

• Vektormodulering är en vektorpulsbreddsmodulering som används inom kraftelektronik.
• SACD är ett ljudskivaformat som använder pulsbreddsmodulering av ljudsignalen.

Lysdioder används i nästan all teknik runt omkring oss. Det är sant, ibland blir det nödvändigt att justera deras ljusstyrka (till exempel i ficklampor eller bildskärmar). Den enklaste vägen ut i denna situation verkar vara att ändra mängden ström som passerar genom lysdioden. Men det är inte. Lysdioden är en ganska känslig komponent. En konstant förändring av mängden ström kan avsevärt minska dess livslängd, eller till och med bryta den. Man bör också komma ihåg att ett begränsande motstånd inte kan användas, eftersom överskottsenergi kommer att ackumuleras i det. Detta är inte tillåtet vid användning av batterier. Ett annat problem med detta tillvägagångssätt är att ljusets färg kommer att ändras.

Det finns två alternativ:

• PWM-reglering
• analog

Dessa metoder styr strömmen som flyter genom lysdioden, men det finns vissa skillnader mellan dem.
Analog reglering ändrar nivån på strömmen som passerar genom lysdioderna. Och PWM reglerar frekvensen av strömförsörjningen.

PWM-reglering

Vägen ut ur denna situation kan vara användningen av pulsbreddsmodulering (PWM). Med detta system får lysdioderna den erforderliga strömmen och ljusstyrkan regleras genom att strömförsörjas med en hög frekvens. Det vill säga, frekvensen av matningsperioden ändrar ljusstyrkan på lysdioderna.
Det otvivelaktiga pluset med PWM-systemet är bevarandet av LED-produktiviteten. Verkningsgraden blir cirka 90 %.

Typer av PWM-reglering

• Tvåtrådig. Används ofta i bilars belysningssystem. Omvandlarens strömförsörjning måste ha en krets som genererar en PWM-signal vid DC-utgången.
• shuntanordning. För att göra på/av-perioden för omvandlaren använd en shuntkomponent som tillhandahåller en väg för utströmmen förutom lysdioden.

Pulsparametrar för PWM

Pulsrepetitionshastigheten ändras inte, så det finns inga krav för att bestämma ljusets ljusstyrka. I det här fallet ändras bara bredden eller tiden för den positiva pulsen.

Pulsfrekvens

Även med hänsyn till att det inte finns några särskilda anspråk på frekvensen finns det gränsindikatorer. De bestäms av det mänskliga ögats känslighet för flimmer. Till exempel, om i en film flimmer av bildrutor måste vara 24 bilder per sekund, så att vårt öga uppfattar det som en rörlig bild.
För att ljusflimmer ska uppfattas som enhetligt ljus måste frekvensen vara minst 200 Hz. Det finns inga begränsningar för de övre indikatorerna, men det finns ingen väg nedan.

Hur en PWM-kontroller fungerar

För att direkt styra lysdioderna används ett transistornyckelsteg. Vanligtvis använder de transistorer som kan lagra stora mängder ström.
Detta är nödvändigt när du använder LED-remsor eller högeffekts-LED.
För en liten mängd eller låg effekt är användningen av bipolära transistorer ganska tillräcklig. Du kan också ansluta lysdioder direkt till chipsen.

PWM generatorer

I ett PWM-system kan en mikrokontroller eller en krets bestående av kretsar med liten grad av integration användas som en masteroscillator.
Det är också möjligt att skapa en regulator från mikrokretsar som är designade för att byta strömförsörjning, eller K561 logiska mikrokretsar, eller en NE565 integrerad timer.
Hantverkare använder till och med en operationsförstärkare för detta ändamål. För detta är en generator monterad på den, som kan justeras.
En av de mest använda kretsarna är baserad på timern 555. Detta är faktiskt en vanlig fyrkantsvågsgenerator. Frekvensen styrs av kondensatorn C1. vid utgången måste kondensatorn ha hög spänning (det är samma sak med anslutning till en positiv strömkälla). Och den laddas när det är låg spänning vid utgången. Detta moment ger upphov till pulser med olika bredd.
En annan populär krets är PWM baserad på UC3843-kretsen. i detta fall har omkopplingskretsen ändrats mot förenkling. För att styra pulsbredden används en styrspänning med positiv polaritet. I detta fall erhålls den önskade PWM-pulssignalen vid utgången.
Styrspänningen verkar på utgången på följande sätt: med en minskning ökar latituden.

Varför PWM?

• Den största fördelen med detta system är enkelheten. Användningsmönstren är mycket enkla och lätta att implementera.
• PWM-styrsystemet ger ett mycket brett utbud av ljusstyrka. Om vi ​​pratar om bildskärmar är det möjligt att använda CCFL-bakgrundsbelysning, men i det här fallet kan ljusstyrkan bara minskas med hälften, eftersom CCFL-bakgrundsbelysning är mycket krävande för mängden ström och spänning.
• Med PWM kan du hålla strömmen på en konstant nivå, vilket innebär att lysdioderna inte kommer att lida och färgtemperaturen inte ändras.

Nackdelar med att använda PWM

• Med tiden kan bildflimmer vara ganska märkbart, särskilt vid låg ljusstyrka eller ögonrörelser.
• Om ljuset konstant är starkt (som solljus) kan bilden bli suddig.

PWM eller PWM (eng. Pulse-Width Modulation) - pulsbreddsmodulering- Den här metoden är utformad för att styra storleken på spänning och ström. Åtgärden hos PWM är att ändra pulsbredden för konstant amplitud och konstant frekvens.

PWM-styregenskaper används i pulsomvandlare, i DC-motorstyrkretsar eller LED-ljusstyrka.

Hur PWM fungerar

Funktionsprincipen för PWM, som namnet självt indikerar, är att ändra bredden på signalpulsen. Vid användning av pulsbreddsmodulationsmetoden förblir signalfrekvensen och amplituden konstanta. Den viktigaste parametern för en PWM-signal är arbetscykeln, som kan bestämmas med följande formel:

Det kan också noteras att summan av tiden för den höga och låga signalen bestämmer perioden för signalen:

var:

• Ton - hög nivå tid
• Toff - låg nivå tid
• T - signalperiod

Högnivåtid och lågsignalnivåtid visas i den nedre bilden. Spänningen U1 är tillståndet för signalens höga nivå, det vill säga dess amplitud.

Följande figur visar ett exempel på en PWM-signal med ett specifikt hög- och lågnivåtidsintervall.

PWM-driftcykelberäkning

PWM arbetscykelberäkning med ett exempel:

För att beräkna den procentuella fyllningsfaktorn måste du utföra en liknande beräkning och multiplicera resultatet med 100 %:

Som följer av beräkningen, i detta exempel, kännetecknas signalen (hög nivå) av en fyllning lika med 0,357 eller annars 37,5%. Fyllningsfaktorn är ett abstrakt värde.

En viktig egenskap hos pulsbreddsmodulering kan också vara signalens frekvens, som beräknas med formeln:

Värdet på T, i vårt exempel, bör tas redan i sekunder för att enheterna i formeln ska matcha. Eftersom frekvensformeln är 1/sek, så kommer 800ms att översättas till 0,8 sek.

På grund av möjligheten att justera pulsbredden är det möjligt att ändra till exempel medelvärdet på spänningen. Bilden nedan visar olika arbetscykler samtidigt som man bibehåller samma signalfrekvens och samma amplitud.

För att beräkna den genomsnittliga PWM-spänningen måste du känna till arbetscykeln, eftersom medelspänningen är produkten av arbetscykeln och signalspänningens amplitud.
Till exempel var arbetscykeln lika med 37,5% (0,357) och spänningsamplituden U1 = 12V ger medelspänningen Uav:

I detta fall är medelspänningen för PWM-signalen 4,5V.

PWM gör det mycket enkelt att trappa ner spänningen mellan matningsspänningen U1 och ner till 0. Denna kan användas till exempel för , eller hastigheten på en DC (likström) motor matad från ett mellanspänningsvärde.

PWM-signalen kan genereras av en mikrokontroller eller en analog krets. Signalen från sådana kretsar kännetecknas av låg spänning och mycket låg utström. Om det är nödvändigt att reglera kraftfulla belastningar bör ett styrsystem användas, till exempel med hjälp av en transistor.

Det kan vara en bipolär eller fälteffekttransistor. Följande exempel kommer att använda .

PWM-signalen matas till basen av transistorn VT1 genom motståndet R1, med andra ord, transistorn VT1 slås på och av med en förändring i signalen. Detta liknar situationen där transistorn kan ersättas av en konventionell switch, som visas nedan:

När omkopplaren är stängd drivs lysdioden via 12V-motståndet R2 (strömbegränsning). Och när omkopplaren är öppen avbryts kretsen och lysdioden slocknar. Sådan lågfrekvensväxling kommer att resultera i .

Men om det är nödvändigt att kontrollera intensiteten på lysdioderna, är det nödvändigt att öka frekvensen för PWM-signalen på ett sådant sätt att det mänskliga ögat luras. Teoretiskt sett är växling med en frekvens på 50 Hz inte längre osynlig för det mänskliga ögat, vilket resulterar i att lysdiodens ljusstyrka minskar.

Ju mindre arbetscykeln är, desto svagare lyser lysdioden, eftersom lysdioden under en period brinner kortare tid.

Samma princip och ett liknande schema kan användas för. När det gäller en motor är det dock nödvändigt att tillämpa en högre kopplingsfrekvens (över 15-20 kHz) av två skäl.

Den första av dessa gäller ljudet som en motor kan göra (ett obehagligt gnissel). Frekvensen 15-20 kHz är den teoretiska gränsen för hörbarhet för det mänskliga örat, så frekvenser över denna gräns kommer att vara ohörbara.

Den andra frågan gäller motorns stabilitet. När du kör motorn med en lågfrekvent signal med låg arbetscykel kommer motorhastigheten att vara instabil eller kan få den att stanna helt. Därför, ju högre frekvens PWM-signalen har, desto högre stabilitet för den genomsnittliga utspänningen. Det finns också mindre spänningsrippel.

Man bör dock inte överskatta frekvensen av PWM-signalen, eftersom transistorn vid höga frekvenser kanske inte hinner öppna eller stänga helt, och styrkretsen kommer inte att fungera korrekt. Detta gäller särskilt för fälteffekttransistorer, där laddningstiden kan vara relativt lång, beroende på design.

En för hög PWM-signalfrekvens orsakar också en ökning av transistorförluster, eftersom varje omkoppling orsakar energiförlust. När man driver stora strömmar vid höga frekvenser är det nödvändigt att välja en snabb transistor med låg ledningsresistans.

Vid styrning bör du komma ihåg att använda en diod för att skydda VT1-transistorn från induktionsstötar som uppstår när transistorn stängs av. Genom att använda en diod urladdas induktionspulsen genom den och motorns inre motstånd, vilket skyddar transistorn.

För att jämna ut strömstötar mellan motorterminalerna kan du ansluta en liten kondensator (100nF) parallellt med dem, vilket kommer att stabilisera spänningen mellan successiv omkoppling av transistorn. Detta kommer också att minska bruset som genereras av frekvent omkoppling av transistorn VT1.

8. Pulsbreddsmodulering i omvandlare

8.1. Allmän information

Principerna för pulsstyrning och modulering diskuteras i kap. 4 på exemplet med den enklaste DC-regulatorkretsen. Samtidigt ges definitioner för huvudtyperna av pulsmodulering som används i teorin om linjära pulssystem, vilket motsvarar praxis att styra pulsade DC-omvandlare.

Emellertid har pulsbreddsmodulering av spänningar eller strömmar i AC-omvandlare en något annorlunda definition inom kraftelektronik, med hänsyn till egenskaperna hos PWM när man löser problem med att omvandla el till växelström. Enligt definitionen i IEC 551-16-30 avser pulsbreddsmodulering impulskontroll där bredden eller frekvensen av pulser, eller båda, moduleras inom en period av grundfrekvensen för att skapa en speciell form av utspänningsvågformen . I de flesta fall utförs PWM för att säkerställa en sinusformad spänning eller ström, det vill säga för att minska nivån av högre övertoner i förhållande till den grundläggande (första) övertonen, och kallas sinusformad. Det finns följande huvudmetoder för att säkerställa sinusform: analog PWM och dess modifieringar; selektiv (selektiv) undertryckning av högre övertoner; hysteres eller deltamodulering;

rymdvektormodulering.

Den klassiska varianten av att organisera en analog sinusformad PWM är att ändra bredden på pulserna som bildar utspänningen (strömmen) genom att jämföra en spänningssignal av en given form, kallad referens eller referens, med en triangulär spänningssignal som har en högre frekvens och kallas en bärvågssignal. Referenssignalen är modulerande och bestämmer den erforderliga formen på utspänningen (strömmen). Det finns många modifikationer av denna metod, där de modulerande signalerna representeras av andra speciella funktioner än en sinusform. Föreläsningsanteckningarna kommer att täcka flera grundläggande kretsar som förklarar dessa PWM-metoder.

Metoden för selektiv undertryckning av högre övertoner implementeras för närvarande framgångsrikt med hjälp av mikroprocessorstyrenheter baserade på mjukvara. Hysteresmodulering är baserad på principerna för att reläet "följer" en referenssignal, till exempel en sinusformad vågform. I den enklaste tekniska implementeringen kombinerar denna metod principerna för PWM och PFM (pulsfrekvensmodulering). Men med hjälp av speciella kretsåtgärder är det möjligt att stabilisera modulationsfrekvensen eller begränsa området för dess förändring.

Rymdvektormoduleringsmetoden är baserad på att konvertera ett trefas spänningssystem till ett tvåfas och erhålla en generaliserad rymdvektor. Värdet på denna vektor beräknas vid tidpunkter som bestäms av grund- och moduleringsfrekvenserna. Det anses mycket lovande för styrning av trefasväxelriktare, särskilt när det används i en elektrisk drivning. Samtidigt liknar den på många sätt traditionell sinusvåg PWM.

PWM-baserade styrsystem gör det möjligt att inte bara tillhandahålla en sinusform av medelvärdena för spänningen eller strömgrundtonen, utan också att styra värdena för dess amplitud, frekvens och fas. Eftersom omvandlaren i dessa fall använder helt kontrollerade omkopplare, blir det möjligt att implementera driften av AC (DC)-omvandlare tillsammans med AC-nätverket i alla fyra kvadranter i både likriktande och inverterande lägen med ett givet värde på den fundamentala effektfaktorn cosφ i sträcker sig från -1 till 1. Dessutom, med en ökning av bärvågsfrekvensen, expanderar möjligheterna att reproducera ström- och spänningsomriktare av en given form vid utgången. Detta gör att du kan skapa aktiva filter för att undertrycka högre övertoner.

Vi kommer att överväga de viktigaste definitionerna som används i den fortsatta presentationen med exemplet att tillämpa den första metoden i en enfas halvbrygga krets av en spänningsomriktare (Fig. 8.1, a). I detta villkorade schema, nycklarna S1 och S2 representeras av helt kontrollerade kopplingselement, kompletterade med dioder kopplade i serie och parallellt med dem. Seriella dioder reflekterar den enkelriktade ledningen av nycklar (till exempel transistorer eller tyristorer), medan parallella dioder ger ledning av omvända strömmar med en aktiv-induktiv belastning.

Referensdiagram, modulerande u M (θ) och bärare u H (θ)-signaler visas i fig. 8.1, b. Generering av nyckelstyrningspuls S 1 och S 2 utförs enligt följande princip. På u M (θ) > u H(θ)-nyckel S 1 är på, a S 2 avstängd. På u M(θ)< u H (θ) tillstånden för nycklarna är omvända: S 2 - aktiverad, en S 1 - av. Således bildas en spänning vid växelriktarens utgång i form av två polära pulser. I verkliga kretsar, för att utesluta samtidig ledning av nycklar S 1 och S 2, bör en viss fördröjning tillhandahållas mellan ögonblicken för generering av signaler för att slå på dessa nycklar. Uppenbarligen beror pulsbredden på förhållandet mellan signalamplituderna u M (6) och u H(0). Parametern som kännetecknar detta förhållande kallas amplitudmodulationsindex och bestäms av formeln (8.1):

, (8.1.)

var U M m och U H m - maximala värden för den modulerande signalen u M (θ) och bärvågssignal u H(θ), respektive.

Ris. 8.1. Enfas halvbrygga spänningsomriktare: a- schema; b– spänningsdiagram för pulsmodulering

Bärvågsfrekvens u H (θ) är lika med omkopplingsfrekvensen f H nycklar S 1 och S 2 och vanligen avsevärt överskrider frekvensen för den modulerande signalen f M. Frekvensförhållande f H och f M är en viktig indikator på effektiviteten av moduleringsprocessen och kallas frekvensmodulationsindex, som bestäms av formeln (8.2):

För små värden M f signaler u M (6) och u H (θ) måste synkroniseras för att undvika oönskade undertoner. B som maxvärde Min, som bestämmer behovet av synkronisering, ställs in M f = 21. Uppenbarligen med synkroniserade signaler och koefficienten M fär en konstant.

Från diagrammet i fig. 8.1 kan man se att amplituden för den första övertonen av utspänningen U am 1, med hänsyn till (8.1), kan representeras i följande form (8.3):

(8.3)

Enligt (8.3) för M a = 1 amplituden för den första övertonen av utspänningen är lika med höjden på halvvågsrektangeln U d/2. Det karakteristiska beroendet av det relativa värdet av den första övertonen av utspänningen på värdet på Ma visas i fig. 8.2, som visar att ändringen M a från 0 till 1 är linjär och beror på amplituden Uär 1. Gränsvärde M a bestäms av principen för den typ av modulering som avses, enligt vilken det maximala värdet U am 1 begränsas av höjden av en rektangulär halvvåg lika med U d/2. Med en ytterligare ökning av koefficienten M en modulering leder till en icke-linjär ökning av amplituden U am 1 till det maximala värdet som bestäms av bildandet av en fyrkantsvågspänning vid växelriktarens utgång, som därefter förblir oförändrad.

Expansionen av en rektangulär funktion i en Fourier-serie ger maxvärdet (8,4):

(8.4)

Detta värde begränsas av indexvärdet M a, varierande i intervallet från 0 till cirka 3. Det är uppenbart att funktionen på intervallet a-b för värden från 1 till 3,2 är icke-linjär (Fig. 8.2). Arbetssättet i detta avsnitt kallas övermodulering.

Menande M f bestäms av valet av bärvågssignalens frekvens u H (θ) och påverkar avsevärt omvandlarens tekniska egenskaper. Med ökande frekvens ökar omkopplingsförlusterna i omvandlarnas effektbrytare, men samtidigt förbättras den spektrala sammansättningen av utspänningen och lösningen av problemet med att filtrera högre övertoner på grund av moduleringsprocessen förenklas. En viktig faktor vid val av värde f H är i många fall behovet av att säkerställa dess värde i ljudfrekvensområdet på mer än 20 kHz. När man väljer f H bör också ta hänsyn till nivån på omvandlarens driftsspänningar, dess effekt och andra parametrar.

Ris. 8.2. Beroende av det relativa värdet av amplituden för den grundläggande övertonen av utspänningen på amplitudmodulationsindexet för en enfas halvbrygga krets

Den allmänna trenden här är en ökning av värdena på M f lågeffekt- och lågspänningsomvandlare och vice versa. Poetval M fär ett multiobjektivt optimeringsproblem.

Pulsmodulering med stokastisk process. Användningen av PWM i omvandlare är förknippad med uppkomsten av högre övertoner i modulerade spänningar och strömmar. I den spektrala sammansättningen av dessa parametrar uppträder dessutom de mest signifikanta övertonerna vid frekvenser som är multiplar av frekvensmodulationsindexet M f och övertoner grupperade runt dem vid sidofrekvenser med minskande amplituder. Högre övertoner kan ge upphov till följande huvudproblem:

förekomsten av akustiskt brus;

försämring av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) med andra elektriska enheter eller system.

De huvudsakliga källorna till akustiskt brus är elektromagnetiska komponenter (drossel och transformatorer), som påverkas av ström och spänning som innehåller högre övertoner med frekvenser i ljudområdet. Det bör noteras att brus kan uppstå vid vissa frekvenser, där högre övertoner är maximalt. Faktorer som orsakar brus, såsom fenomenet magnetostriktion, komplicerar lösningen av EMC-problemet. EMC-problem kan uppstå över ett brett frekvensområde, beroende på hur allvarlig den elektromagnetiska störningsnivån hos elektriska enheter är. Traditionellt har design och tekniska lösningar använts för att minska ljudnivån, och passiva filter har använts för att säkerställa EMC.

Metoder förknippade med att ändra karaktären hos den spektrala sammansättningen av modulerade spänningar och strömmar anses vara en lovande riktning för att lösa dessa problem. Kärnan i dessa metoder är att utjämna frekvensspektrumet och minska amplituden för uttalade övertoner på grund av deras stokastiska fördelning över ett brett frekvensområde. Denna teknik kallas ibland "smeta ut" frekvensspektrumet. Koncentrationen av interferensenergi minskar vid frekvenser där övertoner kan vara som högst. Implementeringen av dessa metoder är inte relaterad till påverkan på komponenterna i kraftdelen av omvandlarna och är i de flesta fall begränsad av mjukvaruverktyg med en liten förändring i styrsystemet.

Låt oss kort överväga principerna för att implementera dessa metoder. PWM baseras på förändringen i arbetscykeln γ= t och / T n, var t u - pulslängd; T n- perioden för dess bildande. Vanligtvis dessa värden, såväl som positionen för pulsen på periodens intervall T när konstanta i steady state. PWM-resultat definieras som integralmedelvärden. I detta fall orsakar de deterministiska värdena för t och och inklusive pulspositionen en ogynnsam spektral sammansättning av de modulerade parametrarna. Om dessa kvantiteter ges en slumpmässig karaktär samtidigt som det givna värdet på y bibehålls, blir processerna stokastiska och den spektrala sammansättningen av de modulerade parametrarna ändras. Till exempel kan en sådan slumpmässig karaktär ges till positionen för impulsen t och på periodintervallet Tn eller tillhandahålla en stokastisk förändring av den senare. För detta ändamål kan en slumptalsgenerator användas, som verkar på masf n =1/T n. På samma sätt kan du ändra positionen för pulsen på intervallet T n med matematisk förväntan lika med noll. Det genomsnittliga integralvärdet γ måste förbli på den nivå som ställts in av styrsystemet, vilket resulterar i att den spektrala sammansättningen av högre övertoner i de modulerade spänningarna och strömmarna kommer att utjämnas.

Frågor för självkontroll

1. Lista de viktigaste PWM-metoderna för att tillhandahålla en sinusformad ström eller spänning.

2. Vad är skillnaden mellan unipolär spänningsmodulering och bipolär?

3. Lista de viktigaste PWM-parametrarna.

4. Vad är syftet med att använda PWM med stokastiska processer?

PWM eller på engelska PWM (Pulse-Width Modulation) pulsbreddsmodulering är en metod som används för att styra storleken på spänning och ström. Funktionsprincipen för PWM är att ändra bredden på en puls med konstant amplitud vid en konstant frekvens.

Principerna för PWM-reglering används ofta i pulsomvandlare, i ljusstyrkan på lysdioderna, etc.

Funktionsprincipen är att ändra bredden på signalpulsen. Vid användning av pulsbreddsmodulationsmetoden kommer signalfrekvensen och amplituden alltid att vara konstant. Den viktigaste parametern för PWM-signalen är arbetscykeln, som kan beräknas med formeln.

var T = T PÅ + T AV; T PÅ - hög nivå tid; TOFF - låg nivå tid; T - signalperiod

Högnivå- och lågnivåsignaltiderna visas i figuren ovan. Det återstår att tillägga att U1 är tillståndet för en hög signalnivå, det vill säga amplituden.

Låt oss säga att vi har en PWM-signal med ett givet tidsintervall på hög och låg nivå, se figuren:

Genom att ersätta tillgängliga data i formeln för PWM-driftcykeln får vi: 300/800 \u003d 0,375. För att ta reda på den procentuella fyllnadsfaktorn måste du multiplicera resultatet med ytterligare 100 %, d.v.s. K ω% = 37,5%. Fyllningsfaktorn är ett abstrakt värde.

En annan viktig PWM-parameter är också signalfrekvensen, som bestäms av den välkända formeln:

f=1/T=1/0,8=1,25 Hz

På grund av möjligheten att ställa in pulsbredden kan medelvärdet för spänningen justeras. Figuren visar olika arbetscykler för samma frekvens och amplitud.

För att hitta medelvärdet för PWM-spänningen krävs arbetscykeln 37,5% och amplitud 12 V:

U sr \u003d K ω ×U 1 \u003d 0,375 × 12 \u003d 4,5 volt

PWM låter dig sänka spänningen i intervallet från U 1 och upp till 0. Denna egenskap används ofta i , eller axelhastigheten för en DC-motor.

PWM-signalen inom elektroniken bildas med hjälp av en mikrokontroller eller någon form av analog krets. Signalen från dem bör vara en låg spänningsnivå och en mycket liten ström vid kretsens utgång. Om du behöver styra en kraftfull belastning kan du använda ett typiskt styrsystem med hjälp av en bipolär eller.

PWM-signalen följer transistorns bas genom motståndet R1, så VT1 antingen öppnar eller stänger med en förändring i signalen. Om transistorn är öppen lyser lysdioden. Och i det ögonblick när transistorn stängs av och lysdioden slocknar. Om signalfrekvensen är låg får vi en blinkande LED. Vid en frekvens på 50 Hz är blinkande inte längre osynligt för det mänskliga ögat, och vi ser effekten av att minska ljusstyrkan i glöden. Ju lägre fyllfaktorvärde, desto svagare lyser lysdioden.

Samma princip och en liknande elektronisk krets kan tillämpas vid DC-motorstyrning, men frekvensen måste vara en storleksordning högre (15-20 kHz) av två huvudskäl.

Vid lägre frekvenser kan motorn göra ett fruktansvärt gnisslande som orsakar irritation.
Jo, motorns stabilitet beror på frekvensen. När du kör en lågfrekvent signal med låg arbetscykel kommer varvtalet att vara instabilt och det kan till och med stanna helt. Därför, med en ökning av frekvensen för PWM-signalen, ökar stabiliteten hos den genomsnittliga utspänningen och spänningsrippeln minskar. Det finns dock en frekvensgräns, för vid höga frekvenser kanske halvledarenheten inte har tid att helt byta, och styrkretsen kommer att fungera med fel. Dessutom ökar PWM-signalens höga frekvens också förlusterna på transistorn. När man driver en motor vid höga frekvenser är det önskvärt att använda en höghastighetshalvledare med lågt ledningsmotstånd.

Nedan betraktar vi en verklig arbetskrets på en operationsförstärkare

Genom att justera spänningen vid den icke-inverterande ingången på op-förstärkaren kan du ställa in önskad utspänning. Därför kan denna krets användas som en ström- eller spänningsregulator, eller som en DC-motorhastighetsregulator.

Kretsen är enkel och pålitlig, består av tillgängliga radioelement och, om den är korrekt monterad, kommer den omedelbart att börja fungera. En kraftfull n-kanalstransistor med fälteffekt tas som en kontrollnyckel.