Широтно-импульсная модуляция ( ШИМ ) или широтно-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 использовать батарея. [1]ШИМ особенно подходит для работы с инерционными нагрузками, такими как двигатели, на которые не так легко повлиять 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 источник питания должен переключаться, может сильно различаться в зависимости от нагрузки и приложения. Например, в электроплите переключение нужно производить несколько раз в минуту; 120 Гц в диммере лампы; от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода; и вплоть до десятков или сотен кГц в аудиоусилителях и компьютерных блоках питания. Основным преимуществом ШИМ является то, что потери мощности в коммутационных устройствах очень малы. 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 программных интерфейсов. Они обычно используются для управления двигателем постоянного тока (DC) в робототехнике и других приложениях.
Рабочий цикл
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
Некоторым машинам (например, двигателю швейной машины ) требуется частичная или регулируемая мощность. В прошлом управление (например, в ножной педали 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, потому что 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 иметь возможность приводить в действие двигатели для вентиляторов, насосов и роботизированных сервоприводов и должен был быть достаточно компактным, чтобы взаимодействовать с регуляторами яркости ламп. ШИМ возник как решение этой сложной проблемы.
Одно из первых применений ШИМ было в Sinclair X10, аудиоусилителе мощностью 10 Вт, доступном 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. например, диск Уорда Леонарда .
Принцип
Широтно-импульсная модуляция использует прямоугольную импульсную волну , ширина которой модулируется, что приводит к изменению среднего значения формы волны. Если мы рассмотрим форму импульса, с периодом , низкое значение , высокое значение и рабочий цикл D (см. рисунок 1), среднее значение формы сигнала определяется как:
В виде пульсовая волна, ее величина для а также для . Приведенное выше выражение становится таким:
Это последнее выражение можно довольно упростить во многих случаях, когда в виде . Отсюда среднее значение сигнала () напрямую зависит от рабочего цикла D.
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 (красная синусоида на рисунке 2) больше, чем форма волны модуляции (синий), сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии, в противном случае он находится в низком состоянии.
Дельта
При использовании дельта-модуляции для управления ШИМ выходной сигнал интегрируется, а результат сравнивается с пределами, которые соответствуют смещению опорного сигнала на константу. Каждый раз, когда интеграл выходного сигнала достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние. [3] Рисунок 3
Дельта-сигма
В дельта-сигма-модуляции в качестве метода управления ШИМ выходной сигнал вычитается из опорного сигнала для формирования сигнала ошибки. Эта ошибка интегрируется, и когда интеграл ошибки превышает пределы, выход меняет состояние. Рисунок 4
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 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 любой сигнал пытается выйти за пределы диапазона.
Распределение времени
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 эталонного значения, выход ШИМ меняет состояние с высокого на низкий (или с низкого на высокий). [4] Этот метод называется пропорциональным по времени, в частности , пропорциональным по времени управлением [5] - какая часть 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 можно изменять только дискретными шагами в зависимости от разрешения счетчика. Однако счетчик с высоким разрешением может обеспечить вполне удовлетворительную работу.
Типы
Возможны три типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ):
- Центр импульса может быть зафиксирован в центре временного окна, и оба фронта импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
- Переднюю кромку можно удерживать за переднюю кромку окна, а заднюю кромку можно регулировать.
- Задняя кромка может быть зафиксирована, а передняя кромка модулирована.
Спектр
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 ограниченыконверт ( функция sinc ) и 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 современной системе связи . Ограничивая полосу пропускания 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 ШИМ может быть совершенным. Теорема гласит, 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 Найквиста-Шеннона о выборке: «Если у вас есть сигнал, который полностью ограничен полосой пропускания f 0, тогда вы можете собрать всю информацию, содержащуюся в этом сигнале, путем дискретизации ее дискретизации, если ваша частота дискретизации больше. чем 2f 0 ". [8]
Приложения
Сервоприводы
ШИМ используется для управления сервомеханизмами ; см. сервоуправление .
Телекоммуникации
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 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. Понижающий преобразователь ), а энергия, передаваемая в нагрузку, также не является непрерывной. Однако нагрузка может быть индуктивной, и с достаточно высокой частотой и при необходимости с использованием дополнительных пассивных электронных фильтров последовательность импульсов может быть сглажена и восстановлена средняя аналоговая форма волны. 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.)
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 полевые 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 работы с электроникой; 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 ток в течение определенных частей каждого цикла сетевого напряжения 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 быстро реагирующих источников света можно уменьшить, увеличив частоту ШИМ. Если флуктуации света достаточно быстрые (быстрее, чем порог слияния мерцания ), человеческая зрительная система больше не может их разрешать, 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
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
Изменение коэффициента заполнения 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 эквивалентна сумме двух пилообразных волн с одной инвертированной.) [9]
Набирает популярность новый класс звуковых усилителей, основанный на принципе ШИМ. Названные усилителями класса D , они производят ШИМ-эквивалент аналогового входного сигнала, который подается в 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 больших выходных мощностей. В течение нескольких десятилетий промышленные и военные усилители ШИМ широко используются, 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), чтобы охватить все акустические частоты. диапазон с достаточной точностью. Этот метод используется в формате SACD , 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 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
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 "жестко мигающий" индикатор включения / выключения. Контрольная лампа на Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005 г.) была такого типа. Такой индикатор еще называют «пульсирующим свечением», а не «мигающим».
Смотрите также
- Преобразователь аналогового сигнала в дискретный интервал времени
- Усилитель класса D
- Компьютерное управление вентилятором
- Дельта-модуляция с плавным изменением наклона
- Дельта-сигма модуляция
- H-образный мост
- Амплитудно-импульсная модуляция
- Импульсно-кодовая модуляция
- Плотно-импульсная модуляция
- Позиционно-импульсная модуляция
- Радиоуправление
- RC сервопривод
- Управление скользящим режимом - обеспечивает плавное поведение за счет прерывистого переключения в системах
- Модуляция пространственного вектора
- Звуковой чип
Рекомендации
- ^ «Определение размеров фотоэлектрической системы, подключенной к сети ... с резервной батареей» . Журнал Home Power .
- ^ Schönung, A .; Штеммлер, Х. (август 1964 г.). "Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren". BBC Mitteilungen . 51 (8/9): 555–577.
- ^ Ду, Жоянь; Робертсон, Пол (2017). «Экономичный сетевой инвертор для микрокомбинированной теплоэнергетической системы» (PDF) . IEEE Transactions по промышленной электронике . 64 (7): 5360–5367. DOI : 10.1109 / TIE.2017.2677340 . ISSN 0278-0046 .
- ^ Барр, Майкл (1 сентября 2001 г.). «Введение в широтно-импульсную модуляцию (ШИМ)» . Barr Group .
- ^ Основы систем управления HVAC, Роберт МакДауэлл, стр. 21 год
- ^ Хаусмаир, Катарина; Шули Чи; Питер Зингерл; Кристиан Фогель (февраль 2013 г.). «Цифровая широтно-импульсная модуляция без наложения спектров для пакетных РЧ-передатчиков». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers . 60 (2): 415–427. CiteSeerX 10.1.1.454.9157 . DOI : 10.1109 / TCSI.2012.2215776 .
- ^ Дж. Хуанг, К. Падманабхан и О. М. Коллинз, «Теорема выборки с импульсами постоянной амплитуды и переменной ширины», IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 58, стр. 1178 - 1190, июнь 2011 г.
- ^ Уэскотт, Тим (14 августа 2018 г.). «Выборка: что Найквист не сказал и что с этим делать» (PDF) . Wescott Design Services.
Теорема выборки Найквиста-Шеннона полезна, но часто используется неправильно, когда инженеры устанавливают частоту дискретизации или проектируют фильтры сглаживания.
- ^ Синтезирование струнных: ШИМ и струнные звуки
- ^ Хирак Патангия, Шри Нихил Гупта Гуризетти, «Гармонически превосходный модулятор с широкой полосой модулирующих сигналов и возможностью настройки в реальном времени», Международный симпозиум IEEE по электронному дизайну (ISED), Индия, 11 декабря.
- ^ Хирак Патангия, Шри Нихил Гупта Гуризетти, «Устранение гармоник в реальном времени с использованием модифицированного носителя», CONIELECOMP, Мексика, февраль 2012 г.
- ^ Хирак Патангия, Шри Нихил Гупта Гуризетти, «Новая стратегия селективного устранения гармоник на основе синусоидальной модели ШИМ», MWSCAS, США, август 2012.
Внешние ссылки
- Введение в преобразователи дельта-сигма
- Широтно-импульсная модуляция в контуре ПИД-регулирования - бесплатный симулятор
- Широтно-импульсная модуляция в настольных мониторах - мерцание монитора