Широтно-импульсная модуляция

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Апрель 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Пример PWM в идеализированном индуктора с приводом от ■ источника напряжения , модулированного в виде серии импульсов, в результате чего ■ синус-как ток в катушке индуктивности. Тем не менее, прямоугольные импульсы напряжения приводят к более гладкой форме волны тока по мере увеличения частоты переключения . Обратите внимание, что форма волны тока является интегралом формы волны напряжения.

Широтно-импульсная модуляция ( ШИМ ) или длительно-импульсная модуляция ( ШИМ ) - это метод уменьшения средней мощности, передаваемой электрическим сигналом, путем эффективного разделения ее на дискретные части. Среднее значение напряжения (и тока ), подаваемого на нагрузку , регулируется путем быстрого включения и выключения переключателя между питанием и нагрузкой. Чем дольше переключатель находится во включенном состоянии по сравнению с периодами выключения, тем выше общая мощность, подаваемая на нагрузку. Наряду с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT), это один из основных методов снижения мощности солнечных панелей до уровня, который может использоваться батареей. ^[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; 120  Гцв 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 системах связи, где его рабочий цикл использовался для передачи информации по каналу связи.

В электронике многие современные микроконтроллеры (MCU) объединяют контроллеры PWM, открытые для внешних контактов, в качестве периферийных устройств под управлением встроенного программного обеспечения с помощью внутренних интерфейсов программирования. Они обычно используются для управления двигателем постоянного тока (DC) в робототехнике и других приложениях.

Рабочий цикл [ править ]

Термин рабочий цикл описывает пропорцию 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 [ править ]

Некоторым машинам (например, двигателю швейной машины ) требуется частичная или регулируемая мощность. В прошлом управление (например, ножной педалью швейной машины) реализовывалось с помощью реостата, подключенного последовательно с двигателем, чтобы регулировать количество 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. Хотя реостат был одним из нескольких методов управления мощностью (см. Автотрансформаторы и Variac 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 роботизированных сервоприводов, и должен быть достаточно компактным, чтобы взаимодействовать с диммерами ламп. ШИМ возник как решение этой сложной проблемы.

Одно из первых применений ШИМ было в Sinclair X10, аудиоусилителе мощностью 10 Вт, доступном в виде набора 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. например, диск Уорда Леонарда .

Принцип [ править ]

Рис.1: пульсовая волна , показывающая определения , и D.${\ displaystyle y _ {\ text {min}}}$${\ displaystyle y _ {\ text {max}}}$

Широтно-импульсная модуляция использует прямоугольную импульсную волну , ширина которой модулируется, что приводит к изменению среднего значения формы волны. Если мы рассмотрим импульсную форму волны с периодом , низким значением , высоким значением и скважностью D (см. Рисунок 1), среднее значение формы волны будет выражаться следующим образом:${\ displaystyle f (t)}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle y _ {\ text {min}}}$${\ displaystyle y _ {\ text {max}}}$

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

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

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

Это последнее выражение можно довольно упростить во многих случаях, когда as . Отсюда среднее значение сигнала ( ) напрямую зависит от скважности D.${\displaystyle y_{\text{min}}=0}$${\displaystyle {\bar {y}}=D\cdot y_{\text{max}}}$${\displaystyle {\bar {y}}}$

Самый простой способ сгенерировать сигнал ШИМ - это метод пересечения, который требует только пилообразной или треугольной формы волны (легко сгенерированной с помощью простого генератора ) и компаратора . 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 [ править ]

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

Дельта-сигма [ править ]

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

Модуляция пространственного вектора [ править ]

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) [ править ]

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 [ править ]

Многие цифровые схемы могут генерировать сигналы ШИМ (например, многие микроконтроллеры имеют выходы ШИМ). Обычно они используют счетчик, который периодически увеличивается (он напрямую или косвенно связан с часами 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 называется пропорциональным по времени, в частности , пропорциональным по времени управлением ^[5] - какая часть фиксированного времени цикла тратится 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 [ править ]

Возможны три типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ):

1. Центр импульса может быть зафиксирован в центре временного окна, и оба фронта импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
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 [ править ]

Результирующие спектры (для трех случаев) аналогичны, и каждый содержит компонент постоянного тока - базовую боковую полосу, содержащую модулирующий сигнал и модулированные по фазе несущие на каждой гармонике частоты импульса. Амплитуды гармонических групп ограничены огибающей ( функция sinc ) и простираются до бесконечности. Бесконечная полоса пропускания вызвана нелинейной работой широтно-импульсного модулятора. Как следствие, цифровая ШИМ страдает от искажения наложения спектров, что значительно снижает ее применимость в современных системах связи . Ограничивая полосу пропускания ядра ШИМ, можно избежать эффектов наложения спектров. ^[6]${\displaystyle \sin x/x}$

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

Теорема выборки ШИМ [ править ]

Процесс преобразования ШИМ является нелинейным, и обычно предполагается, что восстановление сигнала фильтра нижних частот несовершенно для ШИМ. Теорема выборки PWM ^[7] показывает, что преобразование PWM может быть совершенным. 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: «Если у вас есть сигнал, который полностью ограничен полосой пропускания f _0, то вы можете собрать всю информацию, содержащуюся в этом сигнале, путем дискретизации его дискретизации, если ваша частота дискретизации больше. чем 2f _0. " ^[8]

Приложения [ править ]

Сервоприводы [ править ]

ШИМ используется для управления сервомеханизмами ; см. сервоуправление .

Телекоммуникации [ править ]

В телекоммуникациях ШИМ - это форма модуляции сигнала, при которой 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 | | | | | | | | | | | | | | | |  __ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ | | ____ _ __ ____ ____ _Сигнал ШИМ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | _________ | | ____ | | ___ | | ________ | | _ | | ___________Данные 0 1 2 4 0 4 1 0

Включение тактового сигнала не обязательно, поскольку передний фронт сигнала данных может использоваться как тактовый, 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 питания [ править ]

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. Понижающий преобразователь ), а энергия, подаваемая в нагрузку, также не является непрерывной. Однако нагрузка может быть индуктивной, с достаточно высокой частотой и при необходимости с использованием дополнительных пассивных электронных фильтров., последовательность импульсов может быть сглажена и восстановлена ​​средняя аналоговая форма сигнала. Поток мощности в нагрузку может быть непрерывным. Поток мощности 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.)

Высокая частота системы управления ШИМ мощности легко реализуемы с полупроводниковыми переключателями. 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 биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), хорошо подходят для создания высокоэффективных 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%.

Контроллеры компьютерных вентиляторов с регулируемой скоростью обычно используют ШИМ, поскольку он намного более эффективен по сравнению с потенциометром или реостатом . (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 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 постоянно регулируемая мощность подается на нагревательные элементы, такие как плита или гриль, с помощью устройства, известного как термостат . 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 [ править ]

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

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 [ править ]

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 низкочастотного генератора . Это дает звуковой эффект, похожий на хорус или слегка расстроенные генераторы, играемые вместе. (Фактически, ШИМ эквивалентен сумме двух пилообразных волн с одной инвертированной.)^[9]

Становится популярным новый класс звуковых усилителей, основанный на принципе ШИМ. Названные усилителями класса D , они производят ШИМ-эквивалент аналогового входного сигнала, который подается на громкоговоритель через подходящую сеть фильтров для блокировки несущей и восстановления исходного звука. Эти усилители характеризуются очень хорошими показателями эффективности (≥ 90%) и компактными размерами / малым весом для большой выходной мощности. В течение нескольких десятилетий промышленные и военные усилители ШИМ широко использовались, часто для привода серводвигателей . Катушки градиента поля в аппаратах МРТ приводятся в действие относительно мощными усилителями ШИМ.

Исторически сложилось так, что для воспроизведения цифрового звука PCM на динамике ПК использовалась грубая форма ШИМ , которая управляется только двумя уровнями напряжения, обычно 0 В и 5 В. Тщательно рассчитывая длительность импульсов и полагаясь на Благодаря физическим фильтрующим свойствам динамика (ограниченная частотная характеристика, самоиндукция и т. д.) можно было получить приблизительное воспроизведение монофонических сэмплов PCM, хотя и с очень низким качеством и с очень разными результатами между реализациями.

В последнее время был представлен метод кодирования звука Direct Stream Digital , который использует обобщенную форму широтно-импульсной модуляции, называемую модуляцией плотности импульса , с достаточно высокой частотой дискретизации (обычно порядка МГц) для покрытия всех акустических частот. диапазон с достаточной точностью. Этот метод используется в формате SACD , и воспроизведение кодированного аудиосигнала по существу аналогично методу, используемому в усилителях класса D.

Электрика [ править ]

Сигналы SPWM (широтно-импульсная модуляция синусоидального треугольника) используются в конструкции микро-инверторов (используемых в солнечной и ветровой энергетике). Эти переключающие сигналы поступают на полевые транзисторы , которые используются в устройстве. Эффективность устройства зависит от содержания гармоник сигнала ШИМ. Существует много исследований по устранению нежелательных гармоник и повышению мощности основной гармоники, некоторые из которых включают использование модифицированного несущего сигнала 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 путем управления двигателями.

Мягко мигающий светодиодный индикатор [ редактировать ]

Методы ШИМ обычно используются для «мягкого мигания» некоторого индикатора (например, светодиода ). 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 "резко мигающий" индикатор включения / выключения. Контрольная лампа на Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005 г.) была такого типа. Такой индикатор также называют «пульсирующим свечением», а не «мигающим».

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с широтно-импульсной модуляцией .

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