Pulsbreddemodulation

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 1. december 2020; checks kræver 5 redigeringer .

Pulsbreddemodulation ( PWM ) er en effektstyringsproces ved at pulsere strømforbrugeren til og fra. Der er analog PWM og digital PWM , binær (to-niveau) PWM og ternær (tre-niveau) PWM [1] .

Årsager til at bruge PWM

Hovedårsagen til at bruge PWM er ønsket om at øge effektiviteten, når man bygger sekundære strømforsyninger til elektronisk udstyr og i andre komponenter, for eksempel bruges PWM til at justere lysstyrken af baggrundsbelysningen på LED-skærme og skærme i telefoner, PDA'er mv.

Termisk strøm frigivet på nøglen med PWM

I PWM bruges transistorer som nøgleelementer (andre halvlederenheder kan også bruges), der ikke fungerer i en lineær, men i en nøgletilstand, det vil sige, at transistoren enten er åben (slukket) eller lukket (er i en tilstand af mætning ) hele tiden. I det første tilfælde har transistoren en meget høj modstand, så strømmen i kredsløbet er meget lille, og selvom hele forsyningsspændingen falder over transistoren, er den effekt, der afgives i transistoren, meget lille. I det andet tilfælde er transistorens modstand ekstremt lille, og følgelig er spændingsfaldet over den tæt på nul, mens den frigivne effekt også er lille. I overgangstilstande (overgangen af en nøgle fra en ledende tilstand til en ikke-ledende tilstand og omvendt) er den frigivne effekt i nøglen betydelig, men da varigheden af overgangstilstandene er ekstremt kort i forhold til modulationsperioden , viser den gennemsnitlige effekt af skiftetab sig at være ubetydelig:

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

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

Sådan fungerer PWM

Impulsbreddemodulatoren implementeret i regulatorerne består af to blokke: en lineær integrator (I-link) og et tre-positions relæelement. Kredsløbsparametrene indstillet under fremstillingen af produktet er: tidskonstanten for I-link T og og signalniveauet ved udgangen af relæelementet ±A.

Pulsbreddemodulatoren genererer en sekvens af impulser med en arbejdscyklus, der er proportional med signalniveauet ved dens indgang. Dens indstillingsparameter, det vil sige den minimale pulsvarighed, indstilles ved hjælp af den døde zone af relæelementet i pulsbreddemodulatoren [2] .

Analog PWM

PWM-signalet genereres af en analog komparator , hvor den ene indgang (ifølge figuren - til komparatorens inverterende indgang) forsynes med en hjælpereferencesavtand eller trekantet signal med en meget højere frekvens end frekvensen af det modulerende signal , og den anden er et modulerende kontinuerligt analogt signal. Gentagelsesfrekvensen af PWM-udgangsimpulserne er lig med frekvensen af savtands- eller trekantspændingen. I den del af savtandspændingsperioden, hvor signalet ved den inverterende indgang på komparatoren er højere end signalet ved den ikke-inverterende indgang, hvor det modulerende signal påføres, opnås en negativ spænding ved udgangen, i den anden del af perioden, hvor signalet ved den inverterende indgang på komparatoren er lavere end signalet ved den ikke-inverterende indgang, vil der være en positiv spænding [3] .

Analog PWM bruges i klasse " D " lavfrekvente forstærkere .

Digital PWM

I binær digital teknologi, hvor udgangene kun kan antage en af to værdier, er det helt naturligt at tilnærme det ønskede gennemsnitlige udgangsniveau ved hjælp af PWM. Kredsløbet er lige så enkelt: Savtandsignalet genereres af en N -bit- tæller. Digitale enheder (DSHIP) fungerer ved en fast frekvens, normalt meget højere end responsen fra kontrollerede installationer ( oversampling ). I perioderne mellem klokflankerne forbliver DSCH-outputtet stabilt, enten lavt eller højt, afhængigt af outputtet fra den digitale komparator, som sammenligner tællerværdien med niveauet af det nærgående digitale signal V ( n ). En udgang for mange cyklusser kan fortolkes som et tog af impulser med to mulige værdier 0 og 1, der erstatter hinanden hver cyklus T . Frekvensen af forekomsten af enkelte impulser opnås proportionalt med niveauet af det nærmede signal ~ V ( n ). Enheder, der følger efter hinanden, danner konturen af en, bredere impuls. Varigheden af de modtagne impulser med variabel bredde ~ V ( n ) er et multiplum af clocking-perioden T , og frekvensen er lig med 1/( T * 2N ). Lav frekvens betyder lange, i forhold til T , perioder med konstanthed af signalet på samme niveau, hvilket giver en lav ensartethed i fordelingen af impulser.

Det beskrevne digitale genereringsskema falder ind under definitionen af en-bit (to-niveau) pulskodemodulation ( PCM ). 1-bit PCM kan opfattes i form af PWM som en serie af impulser med en frekvens på 1/ T og en bredde på 0 eller T. For at opnå gennemsnit på en kortere periode tillader den tilgængelige resampling. Høj kvalitet har så mange forskellige single-bit PCM som pulsdensitetsmodulation., som også kaldes puls-frekvensmodulation .

Et kontinuerligt analogt signal gendannes ved aritmetisk gennemsnit af impulser over mange perioder ved hjælp af et simpelt lavpasfilter. Selvom dette normalt ikke er påkrævet, da de elektromekaniske komponenter i drevet har induktans, og kontrolobjektet (OC) har inerti, udjævnes impulserne fra PWM-udgangen og op-ampen med en tilstrækkelig frekvens af PWM. signal, opfører sig som ved styring af et konventionelt analogt signal.

I digital PWM er perioden opdelt i dele, som er fyldt med rektangulære sub-impulser. Gennemsnitsværdien for perioden afhænger af antallet af rektangulære subpulser. Digital PWM er tilnærmelsen af et binært signal (med to niveauer - on / off ) til et multi-level eller kontinuerligt signal, så deres gennemsnitlige værdier over en periode ville være omtrent ens. $t_{2}-t_{1}$

Formelt kan dette skrives som følger:

{\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}}},

hvor er indgangssignalet i området fra t1 til t2 ;

x(t)

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

er varigheden af den i - te PWM-subpuls, hver med amplitude A .

n er valgt således, at forskellen mellem de samlede arealer (energier) af begge mængder i perioden er mindre end det tilladte:

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

Kontrollerede "niveauer" er som regel kraftværkseffektparametre, for eksempel spændingen af pulsomformere / DC spændingsregulatorer / eller hastigheden af den elektriske motor. For impulskilder x ( t ) = U konstant stabilisering.

I digital PWM kan rektangulære sub-impulser, der fylder en periode, være hvor som helst i perioden, kun deres antal påvirker gennemsnitsværdien for perioden. For eksempel, når en periode opdeles i 8 dele, giver sekvenserne 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001osv. den samme gennemsnitsværdi for perioden, men separate "1'ere" forværrer nøglens (transistor) driftstilstand.

Selv en COM-port kan bruges som en PWM. Da 0 transmitteres som 0 0000 0000 1(8 databit + start/stop), og 255 som 0 1111 1111 1, er udgangsspændingsområdet 10-90 % i intervaller på 10 %.

Håndtering af multilevel sinusoidal PWM (SWM)

Der er udviklet adskillige teknikker til at reducere forvrængning i multilevel invertere, baseret på den klassiske trekantede bærer PWM. Nogle metoder bruger kildeplacering, andre bruger faseskift fra flere bærebølgesignaler. Figuren til højre viser en typisk spænding genereret af en invertersektion ved at sammenligne et sinusformet signal med et trekantet bæresignal.

En flerhed af Nc -kaskader i én fase med deres kilder forskudt med θc = 360°/Nc og ved brug af den samme styrespænding frembringer belastningsspændingen med den mindste forvrængning. Dette resultat blev opnået for en multi-element inverter i en 7-niveau konfiguration, der bruger tre segmenter forbundet i serie i hver fase. Den mindste forvrængning opnås, når kilden forskydes med en vinkel på θ med = 360°/3 = 120°.

En ret almindelig praksis i industrielle applikationer for en multilevel inverter er at indsætte en tredje harmonisk i hvert segment, som vist i figuren til højre (b), for at øge udgangsspændingen. En anden positiv side af SSWM på flere niveauer er den effektive koblingsfrekvens af belastningsspændingen med Nc-antal gange, og koblingsfrekvensen for hvert segment, afhængigt af dets bæresignal. Denne funktion gør det muligt at reducere koblingsfrekvenserne for hvert segment og dermed reducere koblingstab.

Support vektor maskine (MOB)

MOB-teknikken kan let anvendes på alle multilevel-invertere. Figuren til højre viser rumvektorerne for traditionelle to-, tre- og fem-niveau invertere. Disse vektordiagrammer er universelle uanset typen af multilevel inverter. Med andre ord gælder figuren til højre for en fem-niveaus diode-fikseret, kondensator-fikseret eller kaskadekoblet inverter. Tilstødende tre vektorer kan syntetisere den ønskede spændingsvektor ved at beregne arbejdscyklussen ( Tj , Tj+1 og Tj+2 ) for hver vektor.

Space vektor PWM-metoder har generelt følgende fordele: god udnyttelse af DC-forsyningsspændingen, lav rippel og relativt let digital signalprocessor (DSP) hardwareimplementering. Disse funktioner gør den velegnet til højspændings- og højeffektapplikationer.

Med en stigning i antallet af niveauer øges overbelastninger og koblingskompleksitet markant. Nogle forfattere har brugt nedbrydningen af et fem-niveaus rumvektordiagram til to tre-niveaus faseforskydne rumvektordiagrammer for at minimere ripple og forenkle kontrol. Derudover blev en simpel rum-vektor-metode introduceret uden at beregne arbejdscyklussen for tilstødende tre vektorer.

Se også

Vektormodulation er vektorpulsbreddemodulation, der bruges i effektelektronik.
SACD er et lyddiskformat, der bruger pulsbreddemodulation af lydsignalet.
Lydfrekvensforstærker . Klassifikation. Klasse "D".

Noter

↑ Frekvensomformere - Elementbase og kredsløb for kraftelektronikenheder. Ris. 3.
↑ Sabani V. R. Automatiske kontrolsystemer baseret på neurale netværksteknologier / 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.
↑ Kredsløb. Op Amps. Forstærkere. Klasse D forstærker