Широтно-импульсная модуляция - Pulse-width modulation

Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Апрель 2009 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Пример ШИМ в идеализированной катушке индуктивности, управляемой ■ источник напряжения модулируется как серия импульсов, в результате ■ синусоидальный ток в катушке индуктивности. Тем не менее, прямоугольные импульсы напряжения приводят к более гладкой форме волны тока, поскольку частота переключения увеличивается. Обратите внимание, что форма волны тока является интегралом формы волны напряжения.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), или же широтно-импульсная модуляция (PDM), представляет собой метод уменьшения средней мощности, передаваемой электрическим сигналом, путем эффективного разделения ее на дискретные части. Среднее значение Напряжение (и Текущий ) подается в нагрузка управляется быстрым переключением переключателя между питанием и нагрузкой. Чем дольше переключатель находится во включенном состоянии по сравнению с периодами выключения, тем выше общая мощность, подаваемая на нагрузку. Вместе с отслеживание точки максимальной мощности (MPPT), это один из основных методов снижения мощности солнечных панелей до уровня, который может использовать батарея.^[1] ШИМ особенно подходит для работы с инерционными нагрузками, такими как двигатели, на которые не так легко повлиять это дискретное переключение, потому что их инерция заставляет их реагировать медленно. Частота переключения ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы не влиять на нагрузку, то есть результирующая форма волны, воспринимаемая нагрузкой, должна быть как можно более плавной.

Скорость (или частота), с которой должен переключаться источник питания, может сильно варьироваться в зависимости от нагрузки и приложения. Например, в электроплите переключение нужно производить несколько раз в минуту; 120Гц в диммере лампы; от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода; и вплоть до десятков или сотен кГц в усилителях звука и блоках питания компьютеров. Главное преимущество ШИМ - очень низкие потери мощности в коммутационных устройствах. Когда переключатель выключен, ток практически отсутствует, а когда он включен и мощность передается на нагрузку, на переключателе почти нет падения напряжения. Таким образом, потери мощности, являющиеся продуктом напряжения и тока, в обоих случаях близки к нулю. ШИМ также хорошо работает с цифровыми элементами управления, которые, благодаря своей природе включения / выключения, могут легко установить необходимый рабочий цикл. ШИМ также использовался в некоторых системы связи где его рабочий цикл использовался для передачи информации по каналу связи.

В электронике многие современные микроконтроллеры (MCU) интегрировать ШИМ-контроллеры подвергается воздействию внешних контактов в качестве периферийных устройств под прошивка управление с помощью внутренних программных интерфейсов. Они обычно используются для постоянный ток (ОКРУГ КОЛУМБИЯ) блок управления двигателем в робототехника и другие приложения.

Рабочий цикл

Период, термин рабочий цикл описывает соотношение времени «включения» к регулярному интервалу или «периоду» времени; низкий рабочий цикл соответствует низкой мощности, потому что большую часть времени питание отключено. Рабочий цикл выражается в процентах, при 100% включенном состоянии. Когда цифровой сигнал присутствует половину времени и выключен вторую половину времени, цифровой сигнал имеет рабочий цикл 50% и напоминает "прямоугольную" волну. Когда цифровой сигнал находится во включенном состоянии больше времени, чем в выключенном, он имеет рабочий цикл> 50%. Когда цифровой сигнал находится в выключенном состоянии больше времени, чем во включенном состоянии, он имеет рабочий цикл <50%. Вот иллюстрация, иллюстрирующая эти три сценария:

История

Некоторые машины (например, швейная машина двигатель) требуют частичной или переменной мощности. В прошлом управление (например, ножной педалью швейной машины) осуществлялось с помощью реостат соединены последовательно с двигателем для регулировки силы тока, протекающего через двигатель. Это была неэффективная схема, так как это также тратило впустую мощность в виде тепла в резистивном элементе реостата, но терпимо, поскольку общая мощность была низкой. В то время как реостат был одним из нескольких методов управления мощностью (см. автотрансформаторы и Вариак для получения дополнительной информации), дешевый и эффективный метод переключения / регулировки мощности еще не был найден. Этот механизм также должен был приводить в действие двигатели вентиляторов, насосов и робот сервоприводы, и должен быть достаточно компактным, чтобы взаимодействовать с диммерами ламп. ШИМ возник как решение этой сложной проблемы.

Одно раннее применение ШИМ было в Sinclair X10, аудиоусилитель мощностью 10 Вт, доступный в виде комплекта в 1960-х годах. Примерно в то же время ШИМ начал использоваться в управлении двигателями переменного тока.^[2]

Следует отметить, что в течение примерно столетия некоторые электродвигатели с регулируемой частотой вращения имели приличный КПД, но они были несколько более сложными, чем электродвигатели с постоянной частотой вращения, и иногда требовали громоздких внешних электрических устройств, таких как группа резисторов переменной мощности или вращающиеся преобразователи такой как Уорд Леонард драйв.

Принцип

Рис.1: а пульсовая волна, показывая определения ${ displaystyle y _ { text {min}}}$, ${ displaystyle y _ { text {max}}}$ и Д.

Широтно-импульсная модуляция использует прямоугольная пульсовая волна ширина импульса которого модулируется, что приводит к изменению средний значение формы волны. Если мы рассмотрим форму импульса ${ displaystyle f (t)}$, с периодом ${ displaystyle T}$, низкая стоимость ${ displaystyle y _ { text {min}}}$, высокое значение ${ displaystyle y _ { text {max}}}$ и рабочий цикл D (см. Рисунок 1), среднее значение сигнала определяется как:

${ displaystyle { bar {y}} = { frac {1} {T}} int _ {0} ^ {T} f (t) , dt}$

В качестве ${ displaystyle f (t)}$ пульсовая волна, ее величина ${ displaystyle y _ { text {max}}}$ за ${ Displaystyle 0 <т$ и ${ displaystyle y _ { text {min}}}$ за ${ Displaystyle D cdot T$. Приведенное выше выражение становится таким:

${ displaystyle { begin {align} { bar {y}} & = { frac {1} {T}} left ( int _ {0} ^ {DT} y _ { text {max}} , dt + int _ {DT} ^ {T} y _ { text {min}} , dt right) & = { frac {1} {T}} left (D cdot T cdot y_ { text {max}} + T left (1-D right) y _ { text {min}} right) & = D cdot y _ { text {max}} + left (1- D right) y _ { text {min}} end {align}}}$

Это последнее выражение можно довольно упростить во многих случаях, когда ${ displaystyle y _ { text {min}} = 0}$ в качестве ${ displaystyle { bar {y}} = D cdot y _ { text {max}}}$. Отсюда среднее значение сигнала (${ displaystyle { bar {y}}}$) напрямую зависит от рабочего цикла D.

Рис. 2: Простым методом генерации последовательности импульсов ШИМ, соответствующей данному сигналу, является пересекающаяся ШИМ: сигнал (здесь красная синусоида) сравнивается с пилообразной формой волны (синий). Когда последнее меньше первого, сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии (1). В противном случае он находится в низком состоянии (0).

Самый простой способ сгенерировать сигнал ШИМ - это метод пересечения, который требует только пилообразный или треугольник форма волны (легко генерируется с помощью простого осциллятор ) и компаратор. Когда значение опорного сигнала (красный синусоидальной волны на рисунке 2) больше, чем формы сигнала модуляции (синий), сигнал ШИМ (пурпурного) находится в высоком состоянии, в противном случае она находится в низком состоянии.

Дельта

При использовании дельта-модуляции для ШИМ-управления, выходной сигнал интегрирован, и результат сравнивается с ограничениями, которые соответствуют смещению константой опорного сигнала. Каждый раз, когда интеграл выходного сигнала достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние.^[3] Рисунок 3

Рис. 3: Принцип дельта-ШИМ. Выходной сигнал (синий) сравнивается с пределами (зеленый). Эти пределы соответствуют опорному сигналу (красному), смещение на заданную величину. Каждый раз, когда выходной сигнал (синий) достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние.

Дельта-сигма

В дельта-сигма модуляции в качестве способа управления ШИМ, выходной сигнал вычитается из опорного сигнала для формирования сигнала ошибки. Эта ошибка интегрирована, и когда интеграл ошибки превышает пределы, выход меняет состояние. Рисунок 4

Рис. 4: Принцип сигма-дельта ШИМ. Верхняя зеленая осциллограмма - это опорный сигнал, из которого вычитается выходной сигнал (ШИМ, на нижнем графике) для формирования сигнала ошибки (синий, на верхнем графике). Эта ошибка интегрирована (средний график), и когда интеграл ошибки превышает пределы (красные линии), выход меняет состояние.

Модуляция пространственного вектора

Модуляция пространственного вектора - это алгоритм управления ШИМ для генерации многофазного переменного тока, в котором опорный сигнал дискретизируется регулярно; после каждой выборки ненулевые активные векторы переключения, смежные с опорным вектором, и один или несколько из нулевых векторов переключения выбираются для соответствующей части периода выборки, чтобы синтезировать опорный сигнал как среднее значение используемых векторов.

Прямое управление крутящим моментом (DTC)

Прямое управление крутящим моментом - это метод, используемый для управления двигателями переменного тока. Это тесно связано с дельта-модуляцией (см. Выше). Крутящий момент двигателя и магнитный поток оцениваются, и они контролируются, чтобы оставаться в пределах своих диапазонов гистерезиса, путем включения новой комбинации полупроводниковых переключателей устройства каждый раз, когда какой-либо сигнал пытается отклониться от своего диапазона.

Распределение времени

Многие цифровые схемы могут генерировать сигналы ШИМ (например, многие микроконтроллеры имеют выходы ШИМ). Обычно они используют прилавок который периодически увеличивается (он прямо или косвенно связан с Часы схемы) и сбрасывается в конце каждого периода ШИМ. Когда значение счетчика больше, чем опорное значение, выходной сигнал ШИМ изменяет состояние от максимума до минимума (или от низкого до высокого).^[4] Этот метод упоминается как дозирование по времени, особенно как пропорциональный контроль^[5] - который пропорция фиксированного времени цикла проводится в высоком состоянии.

Увеличивающийся и периодически сбрасываемый счетчик - это дискретная версия пилообразной формы метода пересечения. Аналоговый компаратор метода пересечения становится простым целочисленным сравнением между текущим значением счетчика и цифровым (возможно оцифрованным) эталонным значением. Рабочий цикл может быть изменен только дискретными шагами в зависимости от разрешения счетчика. Однако счетчик с высоким разрешением может обеспечить вполне удовлетворительную работу.

Типы

Рис. 5: Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция по переднему фронту (вверху), модуляция по заднему фронту (в центре) и центрированные импульсы (модулируются оба фронта, внизу). Зеленые линии представляют собой пилообразную форму волны (первый и второй случаи) и треугольную форму волны (третий случай), используемые для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения.

Возможны три типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ):

1. Центр пульса может быть зафиксирован в центре временного окна, и оба края импульса перемещается, чтобы сжать или расширить ширину.
2. Переднюю кромку можно удерживать за переднюю кромку окна, а заднюю кромку можно регулировать.
3. Задняя кромка может быть зафиксирована, а передняя кромка модулирована.

Спектр

Результирующий спектры (из трех случаев) похожи, и каждый содержит Округ Колумбия компонент - основная боковая полоса, содержащая модулирующий сигнал и фазово-модулированный перевозчики на каждом гармонический частоты пульса. Амплитуды гармонических групп ограничены ${ Displaystyle грех х / х}$ конверт (функция sinc ) и простираются до бесконечности. Бесконечная полоса пропускания вызвана нелинейной работой широтно-импульсного модулятора. Как следствие, цифровая ШИМ страдает от сглаживание искажения, которые значительно снижают его применимость для современных система связи. Ограничивая пропускную способность ядра ШИМ, можно избежать эффектов наложения спектров.^[6]

Напротив, дельта-модуляция - это случайный процесс, который дает непрерывный спектр без четких гармоник.

Теорема выборки ШИМ

Процесс преобразования ШИМ является нелинейным, и обычно предполагается, что восстановление сигнала фильтра нижних частот несовершенно для ШИМ. Теорема выборки ШИМ^[7] показывает, что преобразование PWM может быть идеальным. Теорема утверждает, что «Любой сигнал с ограниченной полосой модулирующих сигналов в пределах ± 0,637 может быть представлен формой волны широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с единичной амплитудой. Число импульсов в форме волны равно количеству отсчетов Найквиста, а ограничение пика не зависит от того, форма волны может быть двухуровневой или трехуровневой ».

• Теорема выборки Найквиста-Шеннона:^[8]«Если у вас есть сигнал, который полностью ограничен полосой пропускания f₀ затем вы можете собрать всю информацию, содержащуюся в этом сигнале, путем дискретизации ее дискретного времени, если ваша частота дискретизации превышает 2f₀.”

Приложения

Сервоприводы

ШИМ используется для управления сервомеханизмы; видеть сервоуправление.

Телекоммуникации

В телекоммуникации, ШИМ - это форма сигнала модуляция где ширина импульсов соответствует определенным значениям данных, закодированных на одном конце и декодированных на другом.

Импульсы различной длины (сама информация) будут отправляться через равные промежутки времени (несущая частота модуляции).

          _ _ _ _ _ _ _ _ | | | | | | | | | | | | | | | | Часы | | | | | | | | | | | | | | | | __ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ _ __ ____ ____ _PWM сигнал | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | _________ | | ____ | | ___ | | ________ | | _ | | ___________ Данные 0 1 2 4 0 4 1 0

Включение тактовый сигнал не является обязательным, так как передний фронт сигнала данных может использоваться в качестве тактового генератора, если к каждому значению данных добавляется небольшое смещение, чтобы избежать значения данных с импульсом нулевой длины.

                _ __ ___ _____ _ _____ __ _ | | | | | | | | | | | | | | | | Сигнал ШИМ | | | | | | | | | | | | | | | | __ | | ____ | | ___ | | __ | | _ | | ____ | | _ | | ___ | | _____ Данные 0 1 2 4 0 4 1 0

Доставка мощности

ШИМ может использоваться для управления мощностью, подаваемой на нагрузку, без потерь, которые могут возникнуть в результате линейной подачи мощности с помощью резистивных средств. Недостатки этого метода заключаются в том, что мощность, потребляемая нагрузкой, не является постоянной, а скорее прерывистой (см. Бак-конвертер ), и энергия, передаваемая нагрузке, также не является непрерывной. Однако нагрузка может быть индуктивной, с достаточно высокой частотой и при необходимости с использованием дополнительных пассивных электронные фильтры, последовательность импульсов может быть сглажена и восстановлена ​​средняя аналоговая форма сигнала. Поток мощности в нагрузку может быть непрерывным. Поток энергии от источника не является постоянным и в большинстве случаев потребует накопления энергии на стороне источника. (В случае электрической цепи - конденсатор для поглощения энергии, накопленной в (часто паразитной) индуктивности стороны питания.)

Высоко частота Системы управления мощностью ШИМ легко реализовать с помощью полупроводниковых переключателей. Как объяснялось выше, переключатель почти не рассеивает мощность ни во включенном, ни в выключенном состоянии. Однако во время переходов между включенным и выключенным состояниями и напряжение, и ток отличны от нуля, и, таким образом, мощность рассеивается в переключателях. При быстром изменении состояния между полностью включенным и полностью выключенным (обычно менее 100 наносекунд) рассеиваемая мощность в переключателях может быть довольно низкой по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

Современные полупроводниковые переключатели, такие как МОП-транзисторы или же биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) хорошо подходят для высокопроизводительных контроллеров. Преобразователи частоты, используемые для управления двигателями переменного тока, могут иметь КПД более 98%. Импульсные источники питания имеют более низкий КПД из-за низкого уровня выходного напряжения (часто требуется даже менее 2 В для микропроцессоров), но все же можно достичь КПД более 70–80%.

С переменной скоростью контроллеры компьютерных вентиляторов обычно используют ШИМ, так как он намного эффективнее по сравнению с потенциометр или же реостат. (Ни один из последних не является практичным для электронного управления; для них потребуется небольшой приводной двигатель.)

Диммеры для домашнего использования используют особый тип управления ШИМ. Диммеры для домашнего использования обычно включают в себя электронную схему, которая подавляет прохождение тока во время определенных частей каждого цикла напряжения сети переменного тока. Регулировка яркости света, излучаемого источником света, в этом случае просто вопрос установки, при каком напряжении (или фазе) в полупериоде переменного тока диммер начинает подавать электрический ток на источник света (например, с помощью электронного переключателя, такого как а симистор ). В этом случае рабочий цикл ШИМ - это отношение времени проводимости к продолжительности полупериода переменного тока, определяемого частотой сетевого напряжения переменного тока (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны).

Эти довольно простые типы диммеров могут эффективно использоваться с инертными (или относительно медленно реагирующими) источниками света, такими как, например, лампы накаливания, для которых дополнительная модуляция подаваемой электрической энергии, вызванная диммером, вызывает лишь незначительные дополнительные колебания в излучаемый свет. Однако некоторые другие типы источников света, такие как светоизлучающие диоды (СИД), включаются и выключаются очень быстро и будут заметно мерцать при питании от низкочастотного управляющего напряжения. Ощутимые эффекты мерцания от таких источников света с быстрым откликом можно уменьшить, увеличив частоту ШИМ. Если световые колебания достаточно быстрые (быстрее, чем порог слияния мерцания ) зрительная система человека больше не может их разрешить, и глаз воспринимает среднюю по времени интенсивность без мерцания.

В электрических плитах к нагревательным элементам, таким как плита или гриль, подается плавно регулируемая мощность с помощью устройства, известного как simmerstat. Он состоит из теплового осциллятора, работающего примерно с двумя циклами в минуту, и механизм изменяет рабочий цикл в соответствии с настройкой ручки. Тепловая постоянная времени нагревательных элементов составляет несколько минут, поэтому колебания температуры слишком малы, чтобы иметь значение на практике.

Регулировка напряжения

ШИМ также используется в эффективных регуляторы напряжения. При переключении напряжения на нагрузку с соответствующим рабочим циклом выход будет приближаться к напряжению на желаемом уровне. Шум переключения обычно фильтруется с помощью индуктор и конденсатор.

Один метод измеряет выходное напряжение. Когда оно ниже желаемого напряжения, он включает переключатель. Когда выходное напряжение выше желаемого напряжения, он выключает переключатель.

Звуковые эффекты и усиление

Изменение рабочего цикла импульсного сигнала в синтезаторе создает полезные тембральные вариации. Некоторые синтезаторы имеют триммер рабочего цикла для выходных сигналов прямоугольной формы, и этот триммер можно настроить на слух; точка 50% (истинная прямоугольная волна) была отличительной, потому что четные гармоники по существу исчезают на 50%. Пульсовые волны, обычно 50%, 25% и 12,5%, составляют саундтреки классических видеоигр. Термин ШИМ, используемый в синтезе звука (музыки), относится к соотношению между высоким и низким уровнем, вторично модулируемым с помощью низкочастотный генератор. Это дает звуковой эффект, похожий на хорус или слегка расстроенные генераторы, играемые вместе. (Фактически, ШИМ эквивалентен сумме двух пилообразные волны с одним из них перевернутым.)^[9]

Становится популярным новый класс звуковых усилителей, основанный на принципе ШИМ. Называется усилители класса D, они производят ШИМ-эквивалент аналогового входного сигнала, который подается на громкоговоритель через подходящую сеть фильтров, чтобы заблокировать носитель и восстановить исходный звук. Эти усилители характеризуются очень хорошими показателями эффективности (≥ 90%) и компактными размерами / малым весом для больших выходных мощностей. В течение нескольких десятилетий промышленные и военные усилители ШИМ широко использовались, часто для вождения. серводвигатели. Катушки градиента поля в МРТ машины управляются относительно мощными усилителями PWM.

Исторически грубая форма ШИМ использовалась для воспроизведения PCM цифровой звук на Динамик ПК, который управляется только двумя уровнями напряжения, обычно 0 В и 5 В. Тщательно рассчитав длительность импульсов и полагаясь на физические фильтрующие свойства динамика (ограниченная частотная характеристика, самоиндукция и т. д.), стало возможным для получения приблизительного воспроизведения сэмплов моно PCM, хотя и с очень низким качеством, и с очень разными результатами между реализациями.

В последнее время Цифровой прямой поток Был введен метод кодирования звука, который использует обобщенную форму широтно-импульсной модуляции, называемую модуляция плотности импульса, при достаточно высокой частоте дискретизации (обычно порядка МГц), чтобы охватить весь акустический диапазон частот с достаточной точностью. Этот метод используется в SACD формат, и воспроизведение кодированного аудиосигнала по существу аналогично методу, используемому в усилителях класса D.

Электрические

Сигналы SPWM (широтно-импульсная модуляция синусоидального треугольника) используются в конструкции микро-инверторов (используемых в солнечной и ветровой энергетике). Эти коммутационные сигналы подаются на Полевые транзисторы которые используются в устройстве. Эффективность устройства зависит от содержания гармоник сигнала ШИМ. Существует много исследований по устранению нежелательных гармоник и повышению основной силы, некоторые из которых включают использование модифицированного сигнала несущей вместо классического пилообразного сигнала.^[10][11][12] для уменьшения потерь мощности и повышения эффективности. Другое распространенное применение - робототехника, где сигналы ШИМ используются для управления скоростью робота за счет управления двигателями.

Мягко мигающий светодиодный индикатор

Методы ШИМ обычно используются для создания какого-либо индикатора (например, ВЕЛ ) "мягкое мигание". Свет будет медленно переходить от темного к полной интенсивности и снова медленно переходить в темноту. Затем это повторяется. Период будет составлять от нескольких мягких миганий в секунду до нескольких секунд для одного мигания. Индикатор такого типа не будет мешать так сильно, как "жестко мигающий" индикатор включения / выключения. Контрольная лампа на Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005 г.) был такого типа. Такой индикатор также называют «пульсирующим свечением», а не «мигающим».

Смотрите также

• Преобразователь аналогового сигнала в дискретный интервал времени
• Усилитель класса D
• Компьютерное управление вентилятором
• Дельта-сигма модуляция
• Импульсно-амплитудная модуляция
• Импульсно-кодовая модуляция
• Модуляция плотности импульса
• Позиционно-импульсная модуляция
• Дельта-модуляция с плавным изменением наклона
• Радиоуправление
• RC сервопривод
• Управление скользящим режимом - обеспечивает плавное поведение за счет прерывистого переключения в системах
• Модуляция пространственного вектора
• Звуковой чип

Рекомендации

внешняя ссылка

• Введение в преобразователи дельта-сигма
• Широтно-импульсная модуляция в контуре ПИД-регулирования - бесплатный симулятор
• Широтно-импульсная модуляция в настольных мониторах - мерцание монитора