Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция

• АМн
• ФМн
• КАМ
• ЧМн
• GMSK
• OFDM
• COFDM
• TCM

• FHSS
• DSSS
• CSS

Широ́тно-и́мпульсная модуля́ция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM) ) — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии. Различают ана́логовую ШИМ и цифрову́ю ШИМ, дво́ичную (двуху́ровневую) ШИМ и трои́чную (трёхуровневую) ШИМ [1] .

Содержание

• 1 Причины применения ШИМ
• 2 Тепловая мощность, выделяемая на ключе при ШИМ
• 3 Принцип работы ШИМ
  • 3.1 Аналоговая ШИМ
  • 3.2 Цифровая ШИМ
• 4 Управление многоуровневыми синусоидальными ШИМ (СШИМ)
  • 4.1 Метод опорных векторов (MOB)
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Ссылки

Причины применения ШИМ [ править | править код ]

Основной причиной применения ШИМ является стремление к повышению КПД при построении вторичных источников питания электронной аппаратуры и в других узлах, например, ШИМ используется для регулировки яркости подсветки LCD-мониторов и дисплеев в телефонах, КПК и т. п.

Тепловая мощность, выделяемая на ключе при ШИМ [ править | править код ]

В ШИМ в качестве ключевых элементов используют транзисторы (могут быть применены и другие полупроводниковые приборы) работающие не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время либо разомкнут (выключен), либо замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность очень мала. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю, при этом выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность, выделяемая в ключе, значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной:

Принцип работы ШИМ [ править | править код ]

Реализуемый в контроллерах широтно-импульсный модулятор состоит из двух блоков: линейного интегратора (И-звена) и трехпозиционного релейного элемента. Установленными при изготовлении изделия параметрами схемы являются: постоянная времени И-звена Ти и уровень сигнала на выходе релейного элемента ±А.

Широтно-импульсный модулятор генерирует последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной уровню сигнала на его входе. Параметр его настройки, то есть минимальная длительность импульса, устанавливается с помощью зоны нечувствительности релейного элемента широтно-импульсного модулятора [2] .

Аналоговая ШИМ [ править | править код ]

ШИМ-сигнал генерируется аналоговым компаратором, на один вход (по рисунку — на инвертирующий вход компаратора) которого подаётся вспомогательный опорный пилообразный или треугольный сигнал, значительно большей частоты, чем частота модулирующего сигнала, а на другой — модулирующий непрерывный аналоговый сигнал. Частота повторения выходных импульсов ШИМ равна частоте пилообразного или треугольного напряжения. В ту часть периода пилообразного напряжения, когда сигнал на инвертирующем входе компаратора выше сигнала на неинвертирующем входе, куда подается модулирующий сигнал, на выходе получается отрицательное напряжение, в другой части периода, когда сигнал на инвертирующем входе компаратора ниже сигнала на неинвертирующем входе — будет положительное напряжение [3] .

Аналоговая ШИМ применяется в усилителях низкой частоты класса «D».

Цифровая ШИМ [ править | править код ]

В двоичной цифровой технике, выходы в которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N-битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень, либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V(n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг друга каждый такт T. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала

V(n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины

V(n) кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T*2 N ). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.

Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). 1-битную ИКМ можно рассматривать в терминах ШИМ как серию импульсов частотой 1/T и шириной 0 либо T. Добиться усреднения за менее короткий промежуток времени позволяет имеющаяся передискретизация. Высоким качеством обладает такая разновидность однобитной ИКМ, как импульсно-плотностная модуляция (англ.) русск. , которая ещё именуется импульсно-частотной модуляцией.

Восстанавливается непрерывный аналоговый сигнал арифметическим усреднением импульсов за много периодов при помощи простейшего фильтра низких частот. Хотя обычно даже этого не требуется, так как электромеханические составляющие привода обладают индуктивностью, а объект управления (ОУ) — инерцией, импульсы с выхода ШИМ сглаживаются и ОУ, при достаточной частоте ШИМ-сигнала, ведёт себя как при управлении обычным аналоговым сигналом.

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подымпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подымпульсов. Цифровая ШИМ — приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями — вкл/выкл) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t 2 − t 1 -t_<1>> были бы приблизительно равны.

Формально это можно записать так:

∫ t 1 t 2 x ( t ) d t t 2 − t 1 = ∑ i = 1 n A ∗ Δ T i t 2 − t 1 , >^> over -t_<1>>>=^> over -t_<1>>>,> где x ( t ) — входной сигнал в пределах от t₁ до t₂; Δ T i = t 2 − t 1 n =-t_<1>>>> — продолжительность i -го ШИМ подымпульса, каждого с амплитудой A.

n выбирается таким образом, чтобы за период разность суммарных площадей (энергий) обеих величин была меньше допустимой:

∫ t 1 t 2 x ( t ) d t − ∑ i = 1 n A ∗ Δ T i E . >^>-sum _^>

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = U_const стабилизации.

В цифровой ШИМ прямоугольные подымпульсы, заполняющие период, могут стоять в любом месте периода, на среднюю величину за период влияет только их количество. Например, при разбиении периода на 8 частей последовательности 11110000 , 11101000 , 11100100 , 11100010 , 11100001 и др. дают одинаковую среднюю за период величину, но отдельно стоящие «1» ухудшают режим работы ключа (транзистора).

В качестве ШИМ можно использовать даже COM-порт. Так как 0 передаётся как 0 0000 0000 1 (8 бит данных + старт/стоп), а 255 как 0 1111 1111 1 , то диапазон выходных напряжений — 10—90 % с шагом в 10 %.

Управление многоуровневыми синусоидальными ШИМ (СШИМ) [ править | править код ]

Несколько методов были разработаны для сокращения искажения в многоуровневых инверторах, на основе классического СШИМ с треугольным носителем. Некоторые методы используют расположение источника, другие используют сдвиг фазы из нескольких несущих сигналов . Рисунок справа показывает типичное напряжение, сгенерированное одной секцией инвертора путем сравнения синусоидального сигнала с треугольным несущим сигналом.

Множество N_c-каскадов в одной фазе с их источниками, смещенными на угол θ_с = 360°/N_c и использующими то же управляющее напряжение, производят напряжение нагрузки с самым маленьким искажением. Этот результат был получен для многоэлементного инвертора в 7-уровневой конфигурацией, которая использует три подключенных последовательно сегмента в каждой фазе. Самое маленькое искажение получено, когда источник смещен на угол в θ_с = 360°/3 = 120°.

Довольно обыденной практикой в промышленном применении для многоуровневого инвертора является вставка третьей гармоники в каждый сегмент, как показано на Рисунок справа (b), для увеличения выходного напряжения. Ещё одна положительная сторона многоуровневого СШИМ-эффективная частота переключения напряжения нагрузки в Nc-количество раз, и частота переключения каждого сегмента, в зависимости от её несущего сигнала. Это свойство позволяет сокращать частоты переключения каждого сегмента, таким образом уменьшая потери на переключении.

Метод опорных векторов (MOB) [ править | править код ]

Техника МОВ может быть легко применима для всех многоуровневых инверторов. Рисунок справа показывает векторы пространства для традиционных двух-, трёх- и пятиуровневых инверторов. Эти векторные диаграммы универсальны независимо от типа многоуровневого инвертора. Другими словами, рисунок справа действителен для пятиуровневого зафиксированного на диод, зафиксированного на конденсатор, или расположенного каскадом инвертора. Смежные три вектора могут синтезировать желаемый вектор напряжения путем вычисления рабочего цикла (T_j, T_j+1, и T_j+2) для каждого вектора.

Пространственно-векторные методы ШИМ обычно имеют следующие преимущества: хорошее использование напряжения источника постоянного тока, низкая пульсация и относительно легкая аппаратная реализация цифровым сигнальным процессором (DSP). Эти функции делают его подходящим для высоковольтных и мощных потребителей.

С увеличением количества уровней, существенно увеличиваются перегрузки и сложность переключения . Некоторые авторы использовали разложение пятиуровневой пространственно-векторной диаграммы в две трехуровневые пространственно-векторные диаграммы с фазовым сдвигом, чтобы минимизировать пульсации и упростить управление. Кроме того, простой пространственно-векторный метод был представлен без вычисления рабочего цикла смежных трех векторов.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Как нам уже известно из первых уроков, любой микроконтроллер умеет хорошо работать с цифровыми сигналами. Он легко справляется с арифметическими операциями над цифровыми данными, принимает и передаёт цифровые сигналы по линиям связи. А что значит «цифровые» в данном случае?

В самом первом уроке мы зажигали и гасили светодиод с помощью Ардуино. Для того, чтобы зажечь светодиод, мы подавали на его анод высокий уровень сигнала. А чтобы погасить — низкий уровень. Получается, для управления мы использовали только два уровня напряжения: высокий и низкий. Светодиод либо будет гореть, либо не будет. Третьего — не дано. Оперируя только двумя состояниями означает, что мы работаем с цифровым сигналом.

Но что делать, если нам нужно зажечь этот самый светодиод только на половину яркости? Или запустить двигатель, на 30% его мощности? Для решения этой задачи используют подход, называемый широтно-импульсной модуляцией сигнала. О том, что такое ШИМ и как это работает, мы узнаем на сегодняшнем уроке.

Широтно-импульсная модуляция — ШИМ

Разберем понятие ШИМ на примере управления скоростью вращения двигателя постоянного тока. Поставим своей целью запустить мотор на 50% от его максимальной скорости. Пусть наш двигатель идеальный и чтобы достичь заданной скорости, нам нужно в единицу времени передавать на мотор в два раза меньше мощности. Как это сделать, не меняя источник питания?

Проведем мысленный эксперимент (а кто-то может и натуральный — ничего сложного). Возьмём мотор постоянного тока с массивным маховиком, закрепленным на валу (таким маховиком может служить колесо). Подадим питание от аккумулятора и мотор начнет набирать обороты. Через какое-то время, мотор достигнет номинальной мощности, а его ротор максимальной скорости вращения. Отключим питание, и мотор постепенно начнет замедляться вплоть до полной остановки.

Следующий опыт. Снова включим мотор, и когда его скорость достигнет половины от максимальной — выключим. Заметив, что скорость падает — снова включим. И так далее. Включая и выключая питание мотора, мы заставим ротор вращаться со скоростью, близкой к половине от максимальной!

Разумеется, в силу человеческой медлительности, мотор будет удерживать заданную скорость с некоторой погрешностью. Другими словами, скорость будет «плавать» вокруг заданного значения. Чтобы минимизировать эти отклонения, нам потребуется увеличить частоту переключений. Тут уже не обойтись без автоматики.

А как заставить мотор вращаться медленнее или быстрее? Количество переданной мотору энергии будет зависеть от отношения времени когда мотор включен — tвкл к времени когда он выключен — tвыкл.

Так, для передачи мотору 50% мощности, tвкл будет равно tвыкл. Такой случай как раз изображен на графике. Чтобы мотор вращался еще медленнее, скажем с мощностью 25% от номинальной, придется время включения мотора уменьшить до этих самых 25% от общего периода управления T.

Таким образом, имея возможность менять ширину импульсов, мы можем достаточно точно управлять скоростью вращения мотора.

Собственно, рассмотренный способ управления мощностью и называется широтно-импульсной модуляцией сигнала, а сокращённо — ШИМ. Теперь рассмотрим параметры которые характеризуют ШИМ сигнал и которые следует учитывать при написании программ для микроконтроллеров.

Коэффициент заполнения (duty cycle)

Начнем с самого главного параметра — коэффициента заполнения D (он же duty cycle). Этот коэффициент равен отношению периода ШИМ сигнала к ширине импульса:

Пример ШИМ сигнала для разных значений D:

Чем больше D, тем больше мощности мы передаем управляемому устройству, например, двигателю. Так, при D = 1 двигатель работает на 100% мощности, при D = 0,5 — наполовину мощности, при D = 0 — двигатель полностью отключен.

Кстати, кроме коэффициента заполнения для характеризации ШИМ применяют и другой параметр — скважность S. Эти два параметра связаны выражением:

Скважность, как и коэффициент заполнения — величина безразмерная. В отличие от D, она может принимать значения от 1 до бесконечности. Но чаще всего, особенно в англоязычных источниках, используют именно D.

Частота ШИМ

Частота ШИМ определяет период импульса — T (см картинку выше). Требования к этой частоте диктуются несколькими факторами, в зависимости от типа управляемого устройства.

В случае управления светодиодами одним из главных факторов становится видимость мерцания. Чем выше частота, тем менее заметно мерцание излучаемого света. Высокая частота также помогает снизить влияние температурных скачков, которые светодиоды не любят. На практике для светодиодов достаточно иметь частоту ШИМ в пределах 100-300 Гц.

С моторами постоянного тока дела обстоят немного иначе. С одной стороны, чем больше частота, тем более плавно и менее шумно работает мотор. С другой — на высоких частотах падает крутящий момент. Нужен баланс. Более подробно о моторах мы поговорим в одной из будущих статей, а пока рекомендуем для большинства DIY задач использовать частоту ШИМ 2кГц.

Плюс, общая проблема для всех случаев управления силовой нагрузкой — потери в цепях силовой коммутации (в транзисторах, и не только), которые увеличиваются с ростом частоты ШИМ. Чем больше частота, тем большее время транзисторы находятся в переходных состояниях, активно выделяя тепло и снижая эффективность системы.

Разрешение ШИМ

Ещё один важный параметр — разрешение ШИМ сигнала. Этот параметр показывает, с какой точностью мы можем менять коэффициент заполнения. Чем больше разрешение, тем плавнее будет меняться мощность на управляемом устройстве.

Например, у платы Ардуино с базовыми настройками, разрешение ШИМ — 256. То есть мы можем изменять сигнал от 0 до 255 — не густо, но для большинства DIY задач хватает.

ШИМ и микроконтроллеры

Простейший генератор ШИМ можно собрать и без всяких микроконтроллеров, только лишь с микросхемой таймера 555. Разумеется, любой микроконтроллер тоже умеет работать с ШИМ сигналом.

Например, у платы Ардуино имеется 6 контактов: 3, 5, 6, 9, 10 и 11, которые можно настроить для генерации аппаратного ШИМ. По-умолчанию, на контактах 5 и 6 частота сигнала будет 1кГц, на остальных — скромные 500Гц. Как ими пользоваться ШИМ на Ардуино подробно рассказывается на уроке «Ардуино: ШИМ» (скоро будет).

STM32F103 — гораздо более серьёзный микроконтроллер. У него целых 20 контактов имеют возможность генерации ШИМ. Частота этого микроконтроллера — 72МГц, что делает возможным плавное и точное управление моторами постоянного тока, не говоря уже о светодиодах. Узнаём подробности в уроке про STM32 и ШИМ.

Кстати, микроконтроллеры умеют не только генерировать ШИМ, но и детектировать подобные сигналы. Про это можно почитать в соответствующей статье на нашем портале (скоро будет).

ШИМ регулятор скорости двигателя 10-50В 40A с реверсом

* Время указано для региона: Украина, Умань

Условия возврата и обмена

Компания осуществляет возврат и обмен этого товара в соответствии с требованиями законодательства.

Сроки возврата

Возврат возможен в течение 30 дней после получения (для товаров надлежащего качества).

Обратная доставка товаров осуществляется за счет покупателя.

Согласно действующему законодательству вы можете вернуть товар надлежащего качества или обменять его, если:

• товар не был в употреблении и не имеет следов использования потребителем: царапин, сколов, потёртостей, пятен и т. п.;
• товар полностью укомплектован и сохранена фабричная упаковка;
• сохранены все ярлыки и заводская маркировка;
• товар сохраняет товарный вид и свои потребительские свойства.

Регулятор ШИМ для скорости двигателя, рассчитанный на 10-50В 40А 2000Вт, применяют, чтобы максимально точно отрегулировать скорость двигателя, работающего на постоянном токе. Чтобы приступить к использованию регулятора, подключите к нему нужный двигатель, рассчитанный на постоянный ток, и питание. Затем начинайте работу.

Скоростью двигателя управляет регулировочный резистор с ручкой. Вы можете задать скорость, составляющую от 1% до 100% показателя максимальной скорости конкретного двигателя. У регулировочного резистора присутствует функция включения и выключения. Чтобы осуществить выключение, поверните ручку резистора до упора в сторону снижения скорости – послышится щелчок. Если же нужно включить резистор, поверните ручку в противоположную сторону – и опять услышите щелчок, который на этот раз будет свидетельствовать о том, что резистор включен. Так же есть, дополнительная кнопка на три положения, которая регулирует в какую сторону будет крутится Ваш двигатель.

Максимальный показатель мощности подключенного двигателя зависит от напряжения питания.

Мощность двигателя может составлять от 0,01 до 2000 Вт.
если напряжение 12 В, максимальное значение мощности – 480 Вт;
если напряжение 24 В, максимальное значение мощности – 960 Вт;
если напряжение 36 В, максимальное значение мощности – 1440 Вт;
если напряжение 50 В, максимальное значение мощности – 2000 Вт.

Плата регулятора оснащена четырьмя клеммами-зажимами, к которым подключают двигатель и питание.

К онтакты обозначены:

• для подачи питания: Power- и Power +;
• для подсоединения двигателя: Motor- и Motor+.

Регулятор получает питание от внешнего источника. Показатели напряжения питания – от 10 до 50 В, постоянный ток. Максимальное значение коммутируемого тока – 40 А.

Характеристики:

• регулировка скоростей для двигателей (постоянный ток) с помощью ШИМ;
• показатель напряжения питания: от 10 до 50 В, постоянный ток;
• максимальное значение коммутируемого тока: 40 А;
• реверс: есть;
• диапазон рабочего цикла ШИМ: от 1% до 100%;
• показатель мощности двигателя: от 0,01 до 2000 Вт (зависит от напряжения питания);
• показатель частоты ШИМ: 25 кГц;
• габариты: 100 x 76 x 28 мм;
• вес регулятора: 180 г;

Частота ШИМ BLDC

Я управляю двигателем BLDC, используя 6-ступенчатую таблицу коммутации на частоте ШИМ 40 кГц, и затрудняюсь с выбором оптимальной. Я понимаю, что максимальная частота зависит от отношения R / L двигателя и времени простоя MOSFET.

Согласно данным моего мотора:

• межфазное сопротивление терминала составляет 0,0686 Ом.
• конечная индуктивность составляет 0,0811 мГн.
• у него 7 пар полюсов.
• рабочее напряжение 48 В.
• Номинальный ток 3,59А.
• Максимальный ток двигателя 71,1A (48,5 DC постоянного тока при максимальной мощности, ток останова 198A).
• 5300rpm без нагрузки скорость.

Какая связь между этими числами и максимальной частотой?

Я еще больше запутался в отношении мертвого времени MOSFET . Это сумма времени задержки включения и времени нарастания? Я предполагаю, что период ШИМ не может быть меньше его, это правильно?

Брюс Эбботт

JonRB

Марко Буршич

Брюс Эбботт

Брюс Эбботт

L / R определяет минимальную частоту ШИМ. Чтобы избежать чрезмерной потери мощности, постоянная времени L / R должна быть намного длиннее, чем период ШИМ, так что большая часть напряжения падает по индуктивности, а не по сопротивлению. Это также сглаживает протекание тока, что снижает пиковый ток и уменьшает потери в других частях цепи.

На примере вашего двигателя эквивалентная схема выглядит следующим образом:

При 50% ШИМ двигатель получает среднее напряжение 24 В. Когда он вращается, он генерирует напряжение, которое немного меньше 24 В из-за падения напряжения на его внутреннем сопротивлении. Когда SW2 включен, ток увеличивается в индуктивности, и когда он выключается, ток затухает, когда магнитное поле разрушается. Постоянная времени L / R составляет 81,1 мкГн / 0,0686 Ом = 1,18 мс. При 40 кГц период ШИМ составляет 25 мкс, что намного меньше постоянной времени L / R.

Результирующая форма тока двигателя выглядит следующим образом:

Средний ток двигателя составляет 3,33 А, а среднеквадратичный ток немного выше 3,5 А. Это вызывает примерно на 10% больше потерь в сопротивлении обмотки, чем плавный постоянный ток, что, вероятно, приемлемо.

Однако, если частота ШИМ была снижена до 1 кГц, ток увеличился бы до 120 А во время включения ШИМ и упал до нуля во время отключения. Чтобы вернуть средний ток до 3,33 А, вам необходимо понизить коэффициент ШИМ до

11%, а затем среднеквадратичный ток составит 8,4 А, а форма волны будет представлять собой серию пиков, достигающих пика при 32 А! Это значительно снизит эффективность, а также сделает управление скоростью очень нелинейным.

Максимальная частота ШИМ, как правило, ограничена потерями при переключении MOSFET. При переключении полевых транзисторов на них подается напряжение и ток, поэтому они рассеивают большую мощность. Эти пики возникают только в течение короткого времени, но при более высокой частоте переключения их больше, поэтому средняя рассеиваемая мощность увеличивается. Предел рассеяния обычно достигается задолго до того, как время переключения влияет на период ШИМ.

Мертвое время — это больше время выключения, чем время включения. Если один полевой транзистор не выключился к тому времени, когда другой включается, то ток будет «пронизывать» оба полевых транзистора, вызывая очень высокое рассеяние. Полевой транзистор обычно начинает включаться задолго до того, как напряжение на затворе достигает максимума, и не выключается полностью, пока не достигнет порогового значения. Поэтому выключение обычно занимает больше времени, чем включение, что противоположно тому, что вы хотите. Требуемое время простоя зависит от того, насколько быстро драйвер может перевести напряжение затвора (которое зависит от мощности драйвера, емкости затвора, порогового напряжения затвора и напряжения питания), а также от времени внутреннего включения и выключения FET.

Однако время простоя действительно требуется только для «активного свободного хода», когда нижний и верхний полевые транзисторы включаются попеременно. Если ШИМ применяется только к нижнему (или верхнему) FET, то у вас фактически 100% мертвого времени. В течение времени «выключения» верхний диод корпуса полевого транзистора берет на себя работу по рециркуляции тока через двигатель. Это немного менее эффективно, потому что диод падает

0,7 В, тогда как включенный FET падает 0,1 В или меньше. В высоковольтной системе эта небольшая потеря напряжения едва ли значительна, но она заставляет верхние полевые транзисторы нагреваться немного больше.