Широтно импульсная модуляция это: Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Содержание

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.

Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.

Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.

Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t.

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот.

Иногда можно обойтись и без этого, поскольку электродвигатель обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством компаратора с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.

Широтно импульсная модуляция сигналов (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция сигналов (сокращенно ШИМ) — процесс представления сигнала в виде череды импульсов с постоянной частотой и управления уровнем этого сигнала путём изменения скважности данных импульсов. В английском варианте ШИМ имеет название pulse-width modulation (PWM)

Определение звучит сложно, но на самом деле все очень просто. Достаточно понять, что такое скважность и среднее результирующее напряжение. Самый простой способ разобраться в понятии скважности и представить, что такое ШИМ, — это рассмотреть участок цепи, который находится под постоянным напряжением Uп, в результате чего в цепи течет постоянный ток Iп. Временная диаграмма такой ситуации представлена на рисунке 1.

Рисунок 1

Из диаграммы видно, что напряжение остается постоянным во времени. Теперь представьте, что это постоянное напряжение

Uп мы начинаем равномерно включать-выключать с высокой частотой, например 2000 раз в секунду. В результате получим набор импульсов рисунок 2.

Рисунок 2

Оказывается, что в этом случае набор импульсов воспринимается потребителем тока (каким либо устройством) как постоянное напряжение, но с другим (результирующим) уровнем напряжения Uрез. Это справедливо только при достаточно большой частоте импульсов. Чтобы оценить, как это результирующее напряжение отличается от постоянного, необходимо сравнить количество заряженных частиц, протекающих по проводнику за период импульсного колебания (время импульса + время паузы), с количеством заряда протекающего при постоянном напряжении за то же время.

После математических вычислений получим формулу: Uрез = (Uи·tи) / T ,
где Uи — напряжение импульса; tи — время длительности импульса; Т — период одного импульсного колебания (сумма времени импульса и времени паузы).

Таким образом, для случая, изображенного на рис. 2, когда продолжительность импульса равна времени паузы между импульсами (то есть Т=2·tи) , результирующее напряжение получится:

Uрез = (Uи·tи)/2·tи = 0,5 Uи. Результирующее напряжение получилось в два раза меньше напряжения импульса. При этом важно отметить, что в теории выделяются такие коэффициенты, как скважность — S = T / tи и обратный ему коэффициент заполнения — D = tи / T .

Он, как правило, выражается в процентах.

Фактически коэффициент заполнения показывает, на сколько процентов импульс заполняет весь период колебания Т. Если коэффициент заполнения D равен 1 (100%), то время импульса целиком заполняет период и фактически это постоянное напряжение. Если уменьшить коэффициент заполнения

D, например, до 0,25 (25%), то длительность импульса будет всего 25% от всего периода, а результирующее напряжение будет уже в 4 раза меньше, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Из всего сказанного следует и более наглядное понимание термина «Широтно-импульсная модуляция». Получается, что уровень сигнала (величина уровня напряжения) регулируется широтой импульса, т.е. сигнал модулируется посредством череды импульсов разной ширины.

Как видите, с помощью такой модуляции можно получать напряжения разных уровней. Причем в отличие от банального пропускания тока через резистор с целью уменьшения напряжения метод ШИМ гораздо экономичнее.

Если регулировать напряжение резистором, то на нем выделяется тепло и часть электрической энергии теряется. При ШИМ энергии теряется существенно меньше, поэтому данная модуляция активно используется в различных регуляторах напряжения и блоках питания. Принципы импульсной модуляции используются для решения многих других задач.

Сгенерировать собственную ШИМ, а так ж собрать различные интересные схемы с применением устройств управляемых ШИМ, вы сможете в наборах первого уровня Эвольвектор.

Анализ сигналов широтно-импульсной модуляции | Rohde & Schwarz

Решение компании Rohde & Schwarz

Быстрый и простой способ получить общую картину ШИМ-сигнала — использовать функцию послесвечения осциллографа. Использование послесвечения может дать представление о типе присутствующих в сигнале импульсов. Кроме того, цветовая градация показывает области наибольшей активности сигнала.
Тем не менее, послесвечение и цветовая градация не обеспечивают детального анализа. Модулируется ли помимо длительности период? С какой частотой повторяется цикл модуляции? Сколько длительностей каждого значения встречается? Эти сведения необходимы при разработке различных электронных модулей, таких, например, как понижающие преобразователи, которые используются в источниках питания, схемах питания процессоров или зарядных устройствах.

Чтобы получить эту информацию, необходимо использовать методы более глубокого анализа.
Функция отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000 способна демодулировать ШИМ-сигнал и извлекать основной сигнал модуляции в виде осциллограммы трека. Осциллограмма трека формируется из измеренных значений, расположенных в порядке времени их регистрации при захвате данных. Данный инструмент анализа отображает результаты любого заданного значения в зависимости от времени, обеспечивая четкое представление об изменении параметров ШИМ при измерении в течение относительно длительного интервала времени. В результате появляется возможность оценить правильность отслеживания и степень линейности в ШИМ-регуляторах/контроллерах.

Образец в функции отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000, интегрированный в блок матопераций, позволяет задавать верхний (однополярный сигнал) и нижний (биполярный сигнал) пороговые уровни для демодулируемого сигнала.

Блок матопераций содержит следующие стандартные функции анализа трека:

Трек: период (одно- и биполярный)
Трек: частота (одно- и биполярный)

Трек: длительность импульса (одно- и биполярный)
Трек: коэффициент заполнения (одно- и биполярный)

Результат эволюции линейных систем | Altium

Alexey Nutrikhin

|&nbsp Создано: 22 Марта, 2021 &nbsp|&nbsp Обновлено: 24 Марта, 2021

Отличные идеи и разумные решения

В мире технологий есть разные способы достижения целей, как конечных, так и промежуточных.

Некоторые из этих способов настолько успешны, что используются с невероятно высокой эффективностью. Для электроники, это также не исключение. В этой области, вероятно, более чем в других, находят свое применение великие идеи и гениальные инженерные решения.

Ярким примером этого является использование сигналов (энергии) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые применяются в любом современном электронном устройстве, будь то автопилот, смартфон, планшет, ноутбук, светодиодный прожектор или даже электронная игрушка, и помогает эффективно и экономично решать следующие вопросы:

Преобразование напряжения или тока для питания отдельных цепей, узлов и блоков электронного устройства (стабилизация питающего напряжения цепей, стабилизация тока светодиодных осветительных приборов).
Высокоэффективное усиление диапазона мощности аудиосигнала (усилитель мощности звука класса D с КПД, близким к 100%).
Управление исполнительными механизмами, такими как гидравлические или пневматические клапаны (приводы аэродинамических поверхностей крыльев, рулей самолетов и ракет, автоматические трансмиссии автомобилей, блоки управления двигателями внутреннего сгорания и турбинами, промышленная автоматизация в самом широком смысле).
Преобразование цифрового кода в конкретное пропорциональное значение напряжения или тока (альтернатива многим ЦАП).
Передача информации (включая команды управления) о положении рабочего устройства (например, управление БПЛА и рулевыми механизмами роботов).

Этот факт ставит ШИМ на первое место в списке на изучение и анализ в реальных приложениях. Чтобы применять ШИМ эффективно, необходимо понимать трудности, с которыми инженеры сталкивались в прошлом, а также мысли и идеи, которые впоследствии были объединены в эффективные и целостные решения для управления энергией с использованием ШИМ.

Инженерные трудности

Например, есть устройство, которое требует стабилизированного напряжения питания 5 В и потребляет ток 2 А. У нас есть блок питания с выходным напряжением от 10 до 36 В. Как мы можем использовать его для питания нашего устройства? Первая мысль – использовать линейный преобразователь, чтобы «рассеять» дополнительное входное напряжение свыше 5 В. Поэтому давайте создадим и смоделируем линейный преобразователь напряжения для нашего устройства и проанализируем его характеристики с помощью расширения Mixed Simulation в Altium Designer.

Примечание. Чтобы исключить проблему поиска компонентов с особыми характеристиками, схема будет создана с использованием электронных компонентов стандартной библиотеки Simulation Generic Components, интегрированной в Altium Designer.

В новом проекте мы создаем схему «Линейный преобразователь» на базе операционного усилителя.

Представленная схема в значительной степени идеализирована и состоит из компонентов, которые только отражают идею. Операционный усилитель сравнивает опорное напряжение V2(Ref) с напряжением на R1 и применяет управляющее воздействие на биполярный транзистор Q1, который играет роль регулирующего элемента. В нашем случае схема сохраняет выходное напряжение V (load) = 5 В равное опорному напряжению V2(Ref).

Обратите внимание на значение R1. Имитатор позволяет вводить в качестве значений не только строгие значения, но и математические формулы и выражения. В нашем случае, это формула закона Ома: 5 В / 2 А, т.е. 2,5 Ом, и, конечно же, вместо дроби можно просто написать 2,5 и результат будет тот же.

Чтобы отобразить напряжения в узлах схемы, запустите расчет рабочих точек, затем выберите отображение требуемых физических величин: напряжение, мощность, токи.

Начальное условие следующее: источник выдает напряжения в диапазоне 10–36В, поэтому нам важно увидеть, как схема ведет себя в этих условиях, т.е. нам нужно построить функцию V(load)(V(V1)). Это позволяет настроить следующий тип анализа DC Sweep.

В DC Sweep выберите параметр V1, который мы будем изменять, затем укажите его диапазон 10–36 В с шагом 0,1 В.
В диалоговом окне «Add Output Expression» укажите / добавьте (+ Add) значение, которое мы хотим видеть на графике 1.
В результате у нас есть функция V(Load)(V(V1)), настроенная для отображения на графике.

Ось абсцисс – входное напряжение V(V1).
Ось ординат – напряжение нагрузки V(Нагрузка), равное 5 В.

Видно, что схема корректно работает во всем диапазоне входных напряжений.

Оценим эффективность этого решения. Нам нужно сравнить полную мощность схемы, которая равна выходной мощности источника V1, с эффективной мощностью в нагрузке R1. Для этого мы добавляем (+ Add) в диалоговом окне Add Output Expression в DC Sweep новые функции для входного напряжения V(V1) на требуемых компонентах, таких как P(R1), (V(V1)) и P(V1)(V(V1)) и отображаем их на Графике 2.

Запустите DC Sweep и просмотрите графики.

Когда входное напряжение составляет 10 В, мощность нагрузки составляет половину мощности от источника питания, то есть КПД схемы составляет 50%. При напряжении 36 В, можно оценить значение с помощью калькулятора. Однако имитатор может сделать это более точно. Для расчета эффективности схемы необходимо добавить (+ Add) в диалоговом окне Add Output Expression в той же функции DC Sweep.

Введите «P(R1)/P(V1)) от V(V1)*100 в качестве выражения и результат отобразится на Графике 3.

Запустите DC Sweep и просмотрите графики.

Результат неутешительный. На графике 3 хорошо видно, как напряжение питания схемы увеличивается, а ее КПД линейно уменьшается с 50% до 14%. Если мы создадим такую схему, стоимость радиатора будет в несколько раз выше, чем общая стоимость электронной части этой схемы, без учета низкой эффективности использования энергии. Этот сценарий заставляет искать решения, которые смогут повысить эффективность преобразования энергии.

Несмотря на то что результат отрицательный, мы видим что из него можно сделать потенциально многообещающие выводы. В ситуации, которую мы описали, происходит повышение эффективности схемы, в то время как падение напряжения на регулирующем элементе снижается. Что это может значить?

Неочевидные перспективы

Теперь посмотрим на зависимость эквивалентного сопротивления регулирующего элемента от входного напряжения. -1:

Давайте посмотрим на весь список построенных нами графиков.

Запустите DC Sweep и просмотрите графики.

Нижний график – это изменение эквивалентного сопротивления Rq1 транзистора Q1. При увеличении КПД, значение Rq1 уменьшается, т.е. чем меньше сопротивление регулирующего элемента, тем выше КПД. Давайте изучим, что будет, если сопротивление регулирующего элемента станет равным нулю, и проверим, где и какая мощность будет генерироваться. Заменим транзистор Q1 на резистор R2 и посмотрим, как его сопротивление влияет на баланс мощности на схеме (нас не интересует напряжение на нагрузке R1). Для этого мы добавляем резистор в схему и скрываем электронные компоненты, которые не используются с помощью маски компиляции.

На этот раз мы отключаем (не удаляем) ранее вычисленные ненужные зависимости в DC Sweep, сняв соответствующие флажки.

Выберем параметр R2 в DC Sweep (который мы хотим изменить), затем мы указываем диапазон от 0 до 100 Ом с шагом 0,1 Ом и добавляем (+Add) новые функции в диалоговом окне Add Output Expression: P(R2) и P(R1) на R2.

Запустим DC Sweep. Будет много ошибок, которые отображаются в нижней части панели сообщений под графиками.

Вы все сделали правильно, но при работе с имитатором есть некоторые ограничения, которые необходимо знать, чтобы пользоваться им. Дело в том, что имитатор – это математическая машина, которая работает в «цифровом организме», ограниченная в своей способности представлять сверхмалые и сверхбольшие числа, из-за чего иногда (но не всегда!) терпит неудачу. В нашей ситуации имитатор явно делил что-то на ноль при расчетах. Имитатор не любит нулей и бесконечности сопротивлений и проводимостей.

В этой задаче имитатор отказал при нулевом значении сопротивления R2. Эту проблему легко решить. Вместо 0 Ом необходимо ввести небольшое ненулевое значение, например 1 мОм, которое не влияет на качество результата. Имитатор теперь легко справится с этой задачей.

Запустите DC Sweep и просмотрите графики.

Посмотрим внимательно, и мы увидим… Но нет! Возможно, смотреть тоже неправильно. Имитатор – это не только математическая машина, но телескоп и микроскоп одновременно. Он позволяет вам удобно видеть как маленькие, так и большие значения в одном окне, путем логарифмического искажения области отображения, то есть расширения малого и сжатия большого. Откройте диалоговое окно «Chart options», дважды щелкнув горизонтальную ось абсцисс графика.

Включите логарифмическую опцию и нажмите OK. Результаты показаны ниже.

Горизонтальная ось разделена на равные участки и их пределы различаются не на 10 Ом (как на предыдущем графике), а в 10 раз. Теперь вы можете в одном масштабе увидеть, что происходит в диапазонах и 0,1-1 Ом, 1-10 Ом и 10-100 Ом.

При взгляде на результат, кажется, что существует возможность расширить диапазон измерения вправо, поэтому давайте увеличим верхний диапазон в DC Sweep для параметра R2 в 100 раз, то есть до 10 кОм.

Чтобы оценить разницу в интерпретации, следует независимо оценить информативность графиков в линейном и логарифмическом масштабе, включив соответствующие параметры в диалоговом окне «Chart options». Имейте в виду, что все не так, как кажется, и то, что вы видите в линейной и логарифмической шкалах, — одно и то же. Это магия логарифма.

Вернемся к анализу графиков. Красный график – это мощность, передаваемая нагрузке, т.е. R1, а синий график – мощность, рассеиваемая на регулируемом элементе, т.е. R2. Как видите, если вы изменяете сопротивление управляемого элемента периодически (т.е. как можно быстрее) от 0 до бесконечности и обратно, вы можете подавать энергию от источника к нагрузке порциями без потери энергии на управляемом элементе! Этот режим регулируемого элемента известен как ключевой режим, а регулируемый элемент, работающий в этом режиме, часто называют ключевым. Отсутствие потерь энергии на ключе при крайних значениях его сопротивления очень интересно для практического применения. Ключевой режим является основой работы ШИМ-питания и позволяет с высокой эффективностью решать задачу его преобразования.

А глубже понять принципы ШИМ и её анатомию, вы сможете из второй части этой статьи: «Как продеть нитку в иголку?» в контексте изменения энергии.

Широто-импульсная модуляция

Мы уже говорили раньше, что таймеры могут работать в разных режимах. Один из них позволит нам управлять яркостью светодиода. Дабы разобраться, какой режим нам нужен, давайте порассуждаем.

Человеческий глаз — штука сложная. В нём есть палочки и колбочки, а яркость, с которой мы наблюдаем объекты, зависит от количества упавших на них фотонов. Особенность заключается в том, что «оцифровка» количества фотонов происходит не сразу. Они работают как сумматор, т. е. накапливают «заряд», и через какой-то промежуток времени показания снимаются. Это называют инертностью человеческого зрения. Другими словами, если объект будет мерцать быстрее, чем происходит снятие показаний — мы просто не заметим мерцания. Зачем нам это нужно? Всё просто! Время «регистрации» фиксировано (меняется от человека к человеку), а значит, на колбочку/палочку может упасть фиксированное (если мы берем конкретный источник света) количество фотонов. Если половину этого времени светодиод будет гореть, а вторую половину нет — то на колбочку/палочку попадет в два раза меньше фотонов, чем в том случае, если светодиод будет гореть постоянно. Примерная частота, при которой среднестатистический человек не заметит мерцания — 50 Гц.

Такой принцип используется не только для регулировки яркости светодиодов, но и при управлении некоторыми электродвигателями. Модуляция возможна разная, но самая популярная из них — это ШИМ (широтно-импульсная модуляция, с англ. PWM — Pulse Width Modulation). Частота (период) фиксирована, а вот заполнение (англ. duty) может меняться.

В реальности наши органы чувств имеют логарифмическую характеристику чувствительности, будь то слух или зрение. Это позволяет им работать в огромном диапазоне интенсивностей (закон Фехнера — Вебера). В связи с этим, линейно меняя заполнение, нам не удастся «плавно» менять яркость. Впрочем, мы пренебрежем этим знанием и реализуем зажигание и угасание светодиода по линейному закону (оставив возможность реализации «того, как правильно» на вашу совесть).

В разделе «Таймеры. Обзор» мы рассматривали возможности таймеров, и как не сложно догадаться, нам потребуется режим генерации ШИМ. Согласно схеме светодиод подключен к ножке PA3. Её следует настроить как альтернативный выход с подтяжкой. Настройка таймера в начале не многим отличается от того, что мы уже делали с TIM4, нам просто не нужно использовать прерывание. У таймера TIM2 имеется четыре канала, которые могут работать независимо друг от друга.

Частота для каждого канала будет одна и та же, а вот заполнение можно сделать разным. Более того, генерацию можно сделать инвертированной.

К ножке PA3 подведён 4 канал, соответственно его-то и нужно использовать. Выбрать его для генерации ШИМ нужно обратившись к регистру CCER, установив туда 1 в бит CC4E. Второй бит из этого регистра, CC4P, отвечает за активный уровень — запись 0 делает активным уровнем высокий (т.е. до того как счётчик досчитает до значения в ARR), а 1 низкий.

Все каналы могут работать как на вход (англ. capture), так и на выход (англ. compare). Так как мы собираемся генерировать ШИМ, нужно настроить нужный канал через регистры CCMR1 (1 и 2 канал) и CCMR2 (3 и 4 канал).

Записав 00 в CC4S канал настраиваемся на выход.

Записав в OC4M последовательность 110 активируется прямая модуляция (PWM mode 1), для получения инвертированной (PWM mode 2) придётся записать 111.

Напишем функцию изменения яркости светодиода. Пусть для простоты будет 256 (uint8_t) градаций яркости.

Протестируем функцию, и добавим её вызов в функцию main(). Светодиод долен плавно загораться и тухнуть.

Код урока можно найти на github: CMSIS.

Назад | Оглавление | Дальше

(PDF) ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ТРЕХФАЗНЫХ ИНВЕРТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ

выходного напряжения одинаковы как при постоянной, так и при

переменной частоте коммутации [6].

Способы повышения амплитуды основной гармоники выходного

напряжения. Наибольшее значение отношение действующего значения

основной гармоники фазного выходного напряжения АИН к напряжению

источника питания в рассмотренных выше разновидностях ШИМ равно

0,354. При этом в бестрансформаторном преобразователе частоты,

состоящем из неуправляемого мостового выпрямителя и инвертора по схеме

рис. 1,а, выходное напряжение не превышает 0,827 напряжения сети. В

реальных преобразователях это соотношение еще ниже, поскольку

коэффициент модуляции из-за необходимости выполнения условий

коммутации не достигает 1, имеются потери напряжения в преобразователе.

Поэтому задача повышения отношения основной гармоники выходного

напряжения инвертора к напряжению источника питания является весьма

актуальной.

Существует только один способ выполнения поставленной задачи – это

использование несинусоидального закона модуляции длительности

импульсов потенциалов фаз φA, φB и φC , причем выбор закона модуляции

должен обеспечивать увеличение амплитуды основной гармоники. Среди

законов модуляции, обеспечивающих повышение основной гармоники

можно назвать модуляцию по прямоугольному и трапециидальным законам.

Однако при их использовании гармонический состав фазного и линейного

выходных напряжений инвертора ухудшается: в низкочастотной области

спектра появляются гармоники искажения, прежде всего 5-я, 7-я, 11-я и 13-я

гармоники выходной частоты, которые содержатся в ШИМ-

последовательностях φA, φB и φC. Содержащиеся в тех же

последовательностях гармоники, кратные трем, являются гармониками

нулевой последовательности и при симметричной нагрузке, согласно

выражению (2), не содержатся в фазных и линейных напряжениях нагрузки.

Отсюда вытекает идея предмодуляции: применение несинусоидального

закона для модуляции длительности импульсов потенциалов фаз φA, φB и φC ,

который обеспечивает увеличение амплитуды основной гармоники, при этом

в спектре ШИМ-последовательностей φA, φB и φC помимо основной

гармоники содержатся только гармоники нулевой последовательности, т. е.

гармоники, кратные трем. Таким образом обеспечивается отсутствие в

низкочастотной части спектра фазных и линейных напряжений инвертора

гармоник искажения.

Принцип предмодуляции лежит в основе широко известных способов

широтно-импульсного управления трехфазными инверторами с

симметричной нагрузкой:

 ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой [2];

Основные методы широтно-импульсной модуляции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

факторов. Это связано с большим количеством данных факторов, недостаточной информированностью специалистов, экспертным характером выбора опасных факторов, а также хаосом на предприятии в наличии технологических схем. При определении критических контрольных точек ГОСТ Р 51705. 1 -2001 рекомендует применять метод «дерева принятия решений».

При разработке системы мониторинга определенной проблемой является распределение между специалистами ответственности за мониторинг, корректирующие и предупреждающие действия, а также состав и форма регистрации данных.

При внедрении системы ХАССП проблемой является совмещение данной системы с уже действующей на предприятии. Также выявлено, что расчет затрат на создание схемы обеспечения безопасности с использованием принципов ХАССП на предприятии является значительным и требует зачастую крупных капиталовложений, это связано с необходимостью создания на предприятиях отделов по качеству, приему новых сотрудников (менеджеров по качеству), закупки нового оборудования, а иногда и полностью пересмотру технологического процесса производства. На ряду с данными фактами, руководители предприятий не готовы на такие капиталовложения, несмотря на то, что впоследствии рентабельность высокая, и сроки окупаемости затрат, иногда составляют считанные месяцы.

Также важно, чтобы система ХАССП не носила формальный характер, а была результативна и эффективна. Сразу после внедрения желательно проводить аудит системы ХАССП. Такая проверка позволит выявить слабые места и устранить их еще до того, как сформируются неправильные поведенческие привычки.

ХАССП требует от всей компании преданности идее - от руководства и до простых рабочих. Скорее всего, эта проблема - самая трудная из всех, возникающих при внедрении ХАССП. Относительно легко написать программу ХАССП и внедрить ее на предприятии по производству пищевых продуктов, но значительно труднее изменить общую культуру компании и сделать обеспечение безопасности пищевых продуктов общей целью всех ее сотрудников. Если эта цель будет достигнута, успех программы ХАССП будет гарантирован.

Список использованной литературы:

1. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции» утв. Решением Комиссии Таможенного союза от 9 декабря 2011 г. № 880.

2. ГОСТ Р 51705.1-2001 Системы качества. Управление качеством пищевых продуктов на основе принципов ХАССП. Общие требования.

3. Горина Е.А. Этапы внедрения системы качества пищевых продуктов на основе принципов ХАССП // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Современные тенденции развития теории и практики управления отечественными предприятиями» 14-18 ноября 2010 г., Ставрополь.

УДК-621.313

Щагин Анатолий Васильевич,

доктор технических наук, профессор НИУ «МИЭТ» Бодрова Анна Александровна, магистрант группы САУК-11 Логвин Василий Игоревич,

магистрант группы САУК-11 Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва

E-mail: [email protected]

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Аннотация

В статье рассмотрены основные виды широтно-импульсной модуляции, их преимущества и

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_

недостатки.

Ключевые слова

Широтно-импульсная модуляция, выходное напряжение, стробирующие сигналы.

1. Односторонняя широтно-импульсная модуляция

В управлении с помощью широтно-импульсной модуляции ширина импульса изменяется для управления выходным напряжением инвертора, и присутствует только один импульс на половину цикла. При сравнении прямоугольный опорный сигнал с сигналом треугольной формы генерируются стробирующие сигналы. Частота опорного сигнала определяет основную частоту выходного напряжения [1].

Преимущества этого метода заключаются в том, что четные гармоники отсутствуют в силу симметрии выходного напряжения вдоль оси Х и n-ая гармоника может быть исключена из выходного напряжения инвертора, если ширина импульса равна 2п / n. Недостатки заключаются в том, что выходное напряжение производит [2] много гармоник и при низком выходном напряжении искажающие факторы значительно увеличивается [1].

2. Многократная широтно-импульсная модуляция

В многократной широтно-импульсной модуляции несколько равноотстоящих импульсов на половину цикла генерируются. Использование несколько импульсов в каждой половине цикла выходного напряжения уменьшает количество гармоник.

В этой технике амплитуды более низких гармоник уменьшаются и коэффициент снижения значительно снижается. Но основная часть выходного напряжения меньше и амплитуды высших гармоник увеличиваются значительно.

3. Синусоидальная широтно-импульсная модуляция

Сигнал стробирования формируется путем сравнения синусоидального опорного сигнала с сигналом треугольной формы с частотой fc, Выходная частота инвертора, Fo, и его максимальная амплитуда,Аг, определяет частоту опорного сигнала Fr и контролирует индекс модуляции, M, а затем среднеквадратичное выходное напряжение, Уо. Количество импульсов за полупериод зависит от несущей частоты [2]. Выход действующего значения напряжения можно варьироватьпутем изменения индекса модуляции М. Каждый импульс примерно соответствует площади под синусом между соседними серединами междуимпульсного интервала стробирующего сигнала.

4. Трапециидальная модуляция

При сравнении несущего сигнала треугольной формы Vc с опорной трапециевидной волной Vr генерируется переключение на полупроводниковом приборе. Этот тип модуляции увеличивает пик основного выходного напряжения до 1.05Vd, но выходное напряжение содержит гармоники низшего порядка [1].

5. Модуляция добавлением гармоник:

В этой модуляции сигнал генерируется путем введения гармоник к синусоиде. В результате формируется плоская верхняя волна, и это уменьшает количество перемодуляции. Обеспечивается высокая основная амплитуда и низкий уровень искажений выходного напряжения. Амплитуда основных частей примерно на 15% больше чем в обычной синусоидальной широтно-импульсной модуляции.

6. Дельта модуляция:

При такой модуляции сигналу треугольной формы допускается колебаться внутри определенного окна Jv выше и ниже опорной волны Vr. Выходное напряжение генерируется из вершин треугольного сигнала Vc. Этот тип модуляции также известен как отстающая модуляция. При сохранении наклона треугольной волны постоянным, если частота модуляции волны изменяется, количество импульсов и длительность импульса модулированной волны изменится. Основное выходное напряжение может быть поднято до Vs и зависит от пиковой амплитуды Ar и частоты Fr опорного напряжения. Эта модуляция может контролировать соотношение напряжения к частоте. В зависимости от допустимого содержания гармоник на выходе инвертора напряжения, типа машины, уровня мощности и полупроводникового коммутационного устройства, используемых для конкретного применения, выбирается конкретная широтно-импульсная модуляция [1].

Рисунок 1 - Односторонняя широтно-импульсная модуляция

Рисунок 5 - Модуляция добавлением гармоник

Рисунок 2 - Многократная широтно-импульсная модуляция

Рисунок 1 - Трапециидальная модуляция

Рисунок 3 - Синусоидальная широтно-импульсная модуляция

Рисунок 6 - Дельта-модуляция

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_

Список использованной литературы:

1. Y. Liu, X. Wu, L. Huang, Implementation of three level inverter using a novel Space vector modulation 342 The European Physical Journal Applied Physics algorithm, Proc. IEEE Conf. on Power System Technology, Power Con 2002, 13-17 Oct. 2002, Vol.1, pp. 606-610.

2. S. Wei, B. Wu, A General space vector PWM control algorithm for multilevel inverters, Eighteenth Annual IEEE on Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC'03, 9-13 Feb. 2003, Vol. 1, pp. 562-568

УДК 625.098

Щёлокова Татьяна Дмитриевна

Магистрант МИ (филиал) ВлГУ Владимирская обл., г. Муром, РФ E-mail: [email protected]

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ГОРОДАХ

Аннотация

В работе рассматриваются основные проблемы шумового загрязнения окружающей среды транспортом на примере города Мурома. Также в статье обозначается актуальность и необходимость исследований данной проблемы в современных городах.

Ключевые слова

Шумовое загрязнение, транспортные потоки, планировочная организация городов.

На сегодняшний день акустошумовое загрязнение является одним из важных факторов вредного влияния на окружающую среду и здоровье человека. Жители современных городов постоянно находятся в условиях шумового дискомфорта. Шумовое загрязнение становится причиной многих заболеваний, длительное воздействие шума ведет к снижению производительности труда, к ухудшению качества жизни и значительным экономическим потерям в связи с выполнением мер по улучшению экологической ситуации [1, с. 32-33].

Как известно, основными источниками шума в городах является автомобильный, железнодорожный и воздушный транспорт. Современную жизнь уже невозможно представить без транспортных сообщений, перевозок грузов, доставок товаров и т.п. Следовательно, уровень шумового загрязнения в городах будет расти с каждым годом. Улучшить сложившуюся шумовую ситуацию непросто, но акустическое благополучие городов - важная проблема многих отраслей градостроительства и решение данной ситуации можно достигнуть только при комплексном подходе.

Рассмотрим проблему шумового загрязнения на примере города Муром. Основной целью исследования акустошумового загрязнения в городах является определение уровня шумового загрязнения на оживленных участках, а также разработка мер по улучшению сложившийся шумовой ситуации.

Численность населения Мурома на 2015 год составляет 110746 человек, по данным территориального органа государственной статистики по Владимирской области Муром является лидером по числу машин на душу населения. На период исследований в городе насчитывается более 43 тысяч автомобилей, следовательно почти каждый третий житель города имеет автомобиль [2]. Эта статистика бьет не только средне областные, но даже общероссийские рекорды. Автомобильный парк города постоянно растет, вместе с этим увеличивается доля автомобилей, выработавших свой технический ресурс, следовательно в городе ухудшается не только акустическая, но и экологическая ситуация.

Долгое время острой проблемой для города Мурома являлся транзитный транспорт. Особенно данная

Широтно-импульсная модуляция

- learn.sparkfun.com

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Широтно-импульсная модуляция (PWM) - это причудливый термин для описания типа цифрового сигнала. Широтно-импульсная модуляция используется во множестве приложений, включая сложные схемы управления. Обычно мы используем их в SparkFun для управления затемнением светодиодов RGB или для управления направлением сервопривода. Мы можем достичь ряда результатов в обоих приложениях, потому что широтно-импульсная модуляция позволяет нам изменять, сколько времени сигнал находится на высоком уровне аналоговым способом. Хотя сигнал может быть только высоким (обычно 5 В) или низким (земля) в любое время, мы можем изменить пропорцию времени, в течение которого сигнал является высоким, по сравнению с тем, когда он низкий в течение согласованного временного интервала.

Роботизированная клешня, управляемая серводвигателем с использованием широтно-импульсной модуляции

Рабочий цикл

Когда сигнал высокий, мы называем это «вовремя».Чтобы описать количество «вовремя», мы используем понятие рабочего цикла. Рабочий цикл измеряется в процентах. Процент рабочего цикла конкретно описывает процент времени, в течение которого цифровой сигнал остается включенным в интервале или периоде времени. Этот период обратно пропорционален частоте сигнала.

Если цифровой сигнал проводит половину времени включенным, а другую половину - выключенным, мы бы сказали, что цифровой сигнал имеет рабочий цикл 50% и напоминает идеальную прямоугольную волну. Если процентное значение выше 50%, цифровой сигнал проводит больше времени в высоком состоянии, чем в низком, и наоборот, если рабочий цикл меньше 50%.Вот график, иллюстрирующий эти три сценария:

Примеры рабочего цикла 50%, 75% и 25%

100% рабочий цикл будет таким же, как установка напряжения на 5 В (высокое). Рабочий цикл 0% будет таким же, как заземление сигнала.

Примеры

Яркость светодиода можно регулировать, регулируя рабочий цикл.

ШИМ используется для управления яркостью светодиода

С помощью светодиода RGB (красный, зеленый, синий) вы можете контролировать, какое количество каждого из трех цветов вы хотите в смешении цветов, уменьшая их яркость с различной степенью.

Основы смешивания цветов

Если все три горят в равной степени, в результате будет белый свет различной яркости. Синий, равно смешанный с зеленым, станет бирюзовым. В качестве немного более сложного примера попробуйте полностью включить красный, зеленый - 50% рабочего цикла и синий - полностью выключить, чтобы получить оранжевый цвет.

PWM можно использовать для смешивания цветов RGB

Частота прямоугольной волны должна быть достаточно высокой при управлении светодиодами, чтобы получить надлежащий эффект затемнения.Волна 20% рабочего цикла при 1 Гц будет очевидна, что она включается и выключается для ваших глаз, в то время как 20% рабочий цикл при 100 Гц или выше будет выглядеть тусклее, чем полностью включенный. По сути, период не может быть слишком большим, если вы стремитесь к эффекту затемнения с помощью светодиодов.

Вы также можете использовать широтно-импульсную модуляцию для управления углом серводвигателя, прикрепленного к чему-то механическому, например, манипулятору робота. Сервоприводы имеют вал, который поворачивается в определенное положение в зависимости от его линии управления. Наши серводвигатели имеют диапазон около 180 градусов.

Частота / период зависят от управления конкретным сервоприводом. Ожидается, что типичный серводвигатель будет обновляться каждые 20 мс с импульсом от 1 до 2 мс, или, другими словами, от 5 до 10% рабочего цикла на форме волны 50 Гц. С импульсом 1,5 мс серводвигатель будет в естественном положении на 90 градусов. С импульсом 1 мс сервопривод будет в положении 0 градусов, а с импульсом 2 мс сервопривод будет в положении 180 градусов. Вы можете получить полный диапазон движения, обновив сервопривод промежуточным значением.

ШИМ используется для удержания серводвигателя под углом 90 градусов относительно его кронштейна

Ресурсы и дальнейшее развитие

Широтно-импульсная модуляция используется в различных приложениях, в частности, для управления. Вы уже знаете, что его можно использовать для затемнения светодиодов и управления углом наклона серводвигателей, и теперь вы можете начать исследовать другие возможные применения. Если вы чувствуете себя потерянным, не стесняйтесь проверить SparkFun Inventor's Kit, в котором есть примеры использования широтно-импульсной модуляции.Если вы готовы немедленно перейти к кодированию и иметь Arduino, посмотрите здесь пример кодирования PWM.

Не стесняйтесь исследовать:

Широтно-импульсная модуляция [Analog Devices Wiki]

Цель

В этой лаборатории мы исследуем широтно-импульсную модуляцию и ее использование в различных приложениях.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - это метод кодирования аналогового сигнала в один цифровой бит. Сигнал ШИМ состоит из двух основных компонентов, которые определяют его поведение: рабочий цикл и частота.

Он используется для передачи информации путем кодирования сообщения в импульсный сигнал, а также для управления мощностью электронных устройств, таких как двигатели, и в качестве основного алгоритма для фотоэлектрических зарядных устройств солнечных батарей.

Рабочий цикл описывает количество времени, в течение которого сигнал находится в высоком (включенном) состоянии, как процент от общего времени, необходимого для завершения одного цикла.

На следующей диаграмме показаны последовательности импульсов при рабочем цикле 0%, 25% и 100%.

Частота определяет, насколько быстро ШИМ завершает цикл и, следовательно, как быстро он переключается между высоким и низким состояниями.

При включении и выключении цифрового сигнала с достаточно высокой скоростью и с определенным рабочим циклом выходной сигнал будет вести себя как аналоговый сигнал постоянного напряжения при подаче питания на устройства, которые реагируют намного медленнее, чем частота ШИМ, например аудиоколонки, электродвигатели и электромагнитные приводы.

Материалы

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
1 Операционный усилитель OP97
1 Резистор 1 кОм 1 потенциометр 10 кОм

Широтно-импульсный модулятор - Принцип работы

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - это метод генерации низкочастотных выходных сигналов из высокочастотных импульсов. Быстрое переключение выходного напряжения ветви инвертора между верхним и нижним напряжениями шины постоянного тока, низкочастотный выход можно рассматривать как среднее значение напряжения за период переключения.

Помимо этого, есть также несколько других способов генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией, включая аналоговые методы, сигма-дельта модуляцию и прямой цифровой синтез.

Один из простейших методов генерации сигнала ШИМ - это сравнение двух управляющих сигналов, сигнала несущей и сигнала модуляции. Это известно как несущая ШИМ. Несущий сигнал представляет собой высокочастотный (частота переключения) треугольный сигнал. Сигнал модуляции может иметь любую форму.

Используя этот подход, выходной сигнал может быть ШИМ-представлением любой желаемой формы сигнала.В машинах синусоидальные и трапециевидные формы волны являются одними из самых распространенных.

Рассмотрим схему на рисунке 1.

Рисунок 1. Принцип работы ШИМ.

Следуя описанию принципа ШИМ, мы используем отрицательный вход операционного усилителя для несущей, а положительный вход для сигнала модуляции. Таким образом, более высокий сигнал модуляции приведет к выходу с высоким уровнем в течение большей части периода ШИМ.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для широтно-импульсной модуляции.

Рисунок 2. Принцип работы ШИМ - макетная схема.

Процедура

Используйте первый генератор формы волны в качестве несущего сигнала, обеспечивающего размах амплитуды 4 В, сдвиг 2,5 В, возбуждение треугольной волны кГц для схемы. Используйте второй генератор сигналов в качестве сигнала модуляции с размахом амплитуды 3 В, 2.Смещение 5 В, синусоида 50 Гц.

Подайте на операционный усилитель + 5В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

На рисунке представлены два канала генератора сигналов, содержащие два входных сигнала (оранжевый - сигнал несущей, фиолетовый - сигнал модуляции).

График выходного сигнала на канале 2 осциллографа представлен на рисунке 4.

Если мгновенная величина сигнала модуляции больше, чем сигнал несущей в определенный момент времени, выходной сигнал будет высоким. Если сигнал модуляции ниже, чем сигнал несущей, выходной сигнал будет низким.

Если пик модуляции меньше, чем пик несущего сигнала, выходной сигнал будет точным ШИМ-представлением сигнала модуляции. Редактировать

Управление шириной импульса с помощью модуляции постоянного напряжения

Фон

Для этого конкретного приложения мы будем использовать простой операционный усилитель в конфигурации режима переключения (дополнительные сведения см. В разделе «Действие: операционный усилитель в качестве компаратора»), чтобы продемонстрировать широтно-импульсную модуляцию постоянного напряжения.

Рассмотрим схему на рисунке 5.

Рисунок 5. Регулировка ширины импульса с помощью модулирующего напряжения постоянного тока.

Схема работает как простой компаратор, где отрицательный вход операционного усилителя подключен к сигнал несущей, в то время как положительный вход действует как пороговое напряжение, которое устанавливает, когда происходят переходы между выходом высокого напряжения и выходом низкого напряжения. Потенциометр действует как делитель напряжения для входного опорного напряжения, регулируя пороговое напряжение и косвенно рабочий цикл выходного сигнала.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для управления шириной импульса, используя напряжение модуляции постоянного тока.

Рисунок 6. Регулировка ширины импульса с помощью модуляции постоянного напряжения - схема макетной платы.

Процедура

Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin, чтобы обеспечить возбуждение треугольной волны амплитудой 5 В от пика до пика, 1 кГц для схемы. Используйте второй генератор сигналов в качестве источника постоянного напряжения с размахом амплитуды 5 В.Подайте на операционный усилитель + 5В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Анимированный сюжет представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Регулировка ширины импульса с использованием модуляции постоянного тока. Напряжение - формы сигналов.

Выходной сигнал представляет собой ШИМ-представление входного напряжения. Обратите внимание, что при изменении значения потенциометра рабочий цикл сигнала изменяется, а частота остается постоянной.

Фиксированная 50% ШИМ с нестабильным мультивибратором

Фон

Рассмотрим схему на рисунке 8.

Рисунок 8. ШИМ с нестабильным мультивибратором.

На схеме показан нестабильный мультивибратор на одном операционном усилителе. Функциональность легко понять при рассмотрении функционального принципа триггера Шмитта (схема компаратора с гистерезисом изучается в Activity: Op Amp as Comparator): Вход триггера Шмитта, идентичный инвертирующему входу операционного усилителя, подключен к выходу схемы через резистивно-конденсаторную цепь. В то время как напряжение конденсатора (которое также является входом триггера Шмитта) ниже нижнего порога, выходное напряжение равно положительному напряжению питания схемы. Теперь конденсатор заряжается через резистор R ₃, пока не будет достигнут верхний порог срабатывания триггера Шмитта. В результате выходное напряжение операционного усилителя становится отрицательным. Теперь конденсатор разряжается через R ₃, пока напряжение на этих устройствах не достигнет нижнего порога срабатывания триггера Шмитта.Выходное напряжение операционного усилителя приводится к положительному напряжению питания, и весь процесс начинается снова.

Преимущество этой схемы в том, что ей не требуется M2K для генерации несущей (но рабочий цикл фиксирован на 50%).

Настройка оборудования

Постройте следующую макетную схему для ШИМ с нестабильным мультивибратором.

Рисунок 9. ШИМ с нестабильной макетной платой мультивибратора.

Процедура

Подайте в цепь +/- 5В от источника питания.Настройте осциллограф так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 1.

График с выходным сигналом на канале 1 осциллографа представлен на рисунке 10.

Рисунок 10. Форма выходного сигнала ШИМ с нестабильным мультивибратором.

Обратите внимание, что рабочий цикл выходного сигнала составляет примерно 50%, в то время как значения низкого / высокого напряжения имеют тенденцию достигать положительных / отрицательных значений питания.

В предыдущем примере мы сгенерировали ШИМ с фиксированным рабочим циклом 50% с использованием нестабильных мультивибраторов.Но как мы можем отрегулировать рабочий цикл? Для этого нам нужно будет немного изменить схему.

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 11.

Рисунок 11. Регулировка рабочего цикла ШИМ с мультивибратором.

Резистор R ₃ на рисунке 8 был заменен потенциометром и вставлены два диода. Теперь зарядный ток конденсатора проходит через D ₁, а ток разряда проходит через D ₂.В зависимости от настройки потенциометра VR ₁ сопротивление зарядного тока, проходящего через верхнюю ветвь цепи, отличается от сопротивления разрядного тока, проходящего через нижнюю ветвь.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для регулировки рабочего цикла ШИМ с мультивибраторами.

Рисунок 12. Регулировка рабочего цикла для ШИМ с макетной схемой мультивибратора.

Процедура

Подайте в цепь +/- 5В от источника питания.Настройте осциллограф так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 1, а напряжение на конденсаторе (на отрицательном входе операционного усилителя) отображалось на канале 2.

Измените значение потенциометра и обратите внимание на изменение рабочего цикла. Пример графика представлен на рисунке 13.

Рисунок 13. Регулировка рабочего цикла для ШИМ с нестабильными формами сигналов мультивибратора.

В этом примере рабочий цикл был установлен примерно на 25%. Всякий раз, когда рабочий цикл изменяется, неизбежно происходит небольшое изменение частоты переключения, потому что две цепи связи на инвертирующем и неинвертирующем входе обе подключены к выходу операционного усилителя.

Продолжаем работу с лабораторией

Все действия в этой лаборатории основаны на простом операционном усилителе (OP97), сконфигурированном как компаратор. В комплект деталей ADALP2000 входит также компаратор AD8561, предназначенный для этой единственной цели. Следовательно, производительность схем ШИМ может быть увеличена с помощью этой части.

Постройте описанные выше схемы, используя AD8561 из набора деталей, и обсудите любые заметные изменения поведения схемы и входных / выходных сигналов.

Дополнительная литература

Диагностика цепи широтно-импульсной модуляции

Диагностика цепи широтно-импульсной модуляции - автосервис Hollenshade

Диагностика электронных сигналов

Профессиональное техническое обслуживание и ремонт автомобилей

Диагностика и ремонт электрических систем

Современные автомобильные электрические системы используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). ) для лучшего управления устройствами и компонентами при одновременном снижении энергопотребления.Правильная электрическая диагностика этого типа систем требует профессиональных инструментов и обучения. Специалисты автосервиса Hollenshade в Таусоне проводят диагностику и ремонт автомобилей на высочайшем уровне.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - хорошо известный метод, используемый во многих областях электротехники. Принцип состоит в том, чтобы обеспечить контроль скорости или контроль энергопотребления конкретного устройства. Вместо того, чтобы постоянно управлять устройством, ШИМ-управление подает импульсы мощности на устройство с определенной шириной, чтобы запустить устройство с желаемой скоростью или снизить потребляемую мощность.Термин «рабочий цикл» используется для количественной оценки времени включения сигнала по сравнению с общим временем одного цикла. Таким образом, если рабочий цикл ШИМ составляет 20%, устройство будет приводиться в действие в течение 0,2 секунды каждую секунду или любое другое время, определенное как один период.

Метод ШИМ полезен для многих вещей в автомобиле. Существует множество вентиляторов и насосов, которые не работают постоянно. Это дает инженерам больше возможностей для управления автомобилем и возможности его настройки. В некоторых случаях необходимо управлять устройствами, потребляющими больше тока, чем может обеспечить выходной сигнал ШИМ.В этих случаях используется реле для обеспечения как соответствующего тока, так и управления.

Комбинация управления компьютерным модулем и использования ШИМ предоставляет инженерам больше возможностей для конфигурации схемы и большую способность контролировать и / или защищать устройства и проводку. Поскольку компьютерный модуль может контролировать обе стороны цепи, он может управлять соответствующим устройством с гораздо большей точностью. Отслеживая потребление тока устройством, инженеры могут интегрировать более продвинутые функции, включая защиту от отключения цепи и автоматический сброс.

Специалисты Hollenshade’s в Таусоне могут решить любые проблемы, которые могут возникнуть с электрической системой вашего автомобиля. СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ, чтобы записаться на прием или задать вопрос о замене свечей зажигания на вашем автомобиле.

Командная станция

: мозг DCC

Краткое определение

Сердце и мозг цифровой системы командного управления. Прослушивает команды от дросселей и других устройств, обрабатывает их и отправляет полученные цифровые данные в бустер

Командные станции являются сердцем цифровой системы командного управления.Они получают команды от дроссельной сети (такой как Digitrax's Loconet или Lenz's ExpressNet), обрабатывают их и решают, нужно ли создавать стандартизированный пакет DCC для отправки декодерам в системе цифрового управления командами. Они не делают саму работу, они говорят другим вещам делать работу. Пакет цифровых данных отправляется в Booster, который создает сигнал DCC, накладываемый на дорожку.

Что такое командная станция?

В первые дни существования DCC командная станция была отдельной единицей. Требовалось два компонента: командный пункт и ракета-носитель. Сеть дроссельной заслонки подключена к командному посту, выход командного поста подключен к ускорителю. Выход ускорителя был подключен к рельсовому пути. В середине 1990-х небольшая компания RamFixx Technologies представила свою революционную систему RamTraxx DCC , в которой командная станция и бустер объединены в одно устройство. Объединение обоих устройств в единый пакет снизило стоимость примерно на 20%.Многие называют интегрированное устройство командной станцией.

Вашему макету требуется только одна командная станция . Может иметь несколько бустеров. По возможности избегайте использования командной станции в режиме повышения мощности, если она подключится к сети в качестве командной станции, возникнут проблемы. Выделенные бустеры - лучший вариант, когда требуется несколько бустеров. Старые командные станции с программными выходами всегда можно перепрофилировать в выделенную программную дорожку.

Для работы автономной командной станции требуется усилитель, например, от Lenz.Интегрированный блок имеет как командную станцию, так и ускоритель в одном корпусе.

Другой тип включает не только командную станцию и усилитель, но и дроссельную заслонку в том же устройстве, например, система Digitrax Zephyr. Командная станция EasyDCC CVP имеет дроссельную заслонку и командную станцию в одном пакете, но требует внешнего усилителя, такого как их ZoneMaster. Многие системы DCC начального уровня используют этот подход.

Назначение командного пункта

Командная станция слушает команды от дросселей и других устройств, обрабатывает их, отправляя полученные инструкции бустеру.Бустер усиливает поток цифровых данных от командного пункта до необходимого напряжения. В результате на выходе получается полностью цифровой сигнал, который подается на дорожку. На пути следуют локомотивы с многофункциональными дешифраторами. Другие вспомогательные декодеры, управляющие двигателями стрелочных переводов и проходными воротами, также могут быть подключены к рельсовому пути для приема команд.

Командная станция может быть ограничивающим фактором системы DCC. Он отвечает за отслеживание того, какие поезда управляются каким дросселем.Они также несут ответственность за множество других элементов, таких как интерпретация дополнительных функций, отправляемых дроссельной заслонкой.

Например, если ваша командная станция поддерживает только двухзначные адреса, ваши декодеры будут видеть на дорожке только двухзначные адреса, даже если декодер способен распознавать четырехзначный адрес. (Это шестнадцатеричные, а не десятичные числа. Фактический диапазон доступных адресов определяется программным обеспечением в командной станции). Некоторые бюджетные стартовые наборы DCC могут ограничивать общее количество доступных адресов до 10.То же самое относится к таким функциям, как шаги скорости, состав и максимальное количество локомотивов, которыми может управлять командная станция.

Как правило, любые ограничения командной станции должны быть указаны на упаковке, чтобы покупатель мог принять осознанное решение.

Командные станции различаются от производителя к производителю и предлагают разные уровни функций. Различия могут включать количество слотов (объем памяти) для движущихся поездов, диапазон поддерживаемых функций, возможности обновления или расширения, выходной ток (выраженный в амперах), доступный для пути, и общее количество поддерживаемых дросселей.Убедитесь, что вы понимаете, что получаете, чтобы не быть разочарованным или перегруженным возможностями. Имейте в виду, что у вас нет , у вас нет , чтобы использовать все функции командной станции, чтобы получить базовый макет и запустить его. Легче не использовать функции и возможности, чем добавлять их позже - для добавления функций обычно требуется новая командная станция!

Конечно, цены варьируются в зависимости от характеристик командной станции. Обязательно изучите различные марки и модели, прежде чем делать выбор.Некоторые командные станции ограничивают доступные функции, в то время как другие ограничиваются только функциями дроссельной заслонки, подключенной к ней.

Обратите внимание, что в большинстве случаев командные станции, предлагаемые различными поставщиками, несовместимы с другими брендами.

Скорость передачи данных

Интегрированная командная станция и усилитель 5A от NCE

Командная станция может передавать декодерам от 150 до 200 пакетов в секунду. Вы можете спросить: "Это много?" Давайте представим это человеческими терминами.

Например: десять локомотивов, оборудованных декодером, на пути. Каждый декодер будет получать адресованные ему пакеты данных от 15 до 20 раз в секунду. Это важно, потому что в отсутствие пакета, содержащего его адрес, локомотив продолжит делать то, что делал ... бесконечно. Если пакет информации по какой-либо причине поврежден, локомотиву требуется примерно на десятую долю секунды больше времени, чтобы отреагировать на изменение. Большинство людей не смогут определить, что ошибка произошла за такой короткий промежуток времени.

Программное обеспечение на командной станции также может оптимизировать скорость передачи, устанавливая приоритеты пакетов. Это сводит к минимуму отставание, когда необходимо своевременно обрабатывать большое количество локомотивов. Адреса без изменения статуса передаются реже, поэтому адреса с изменяющимися данными могут обрабатываться быстрее. Например, магистральный фрахт с хайболлом по сравнению с маневровым двигателем: один имеет небольшие изменения в дроссельной заслонке, другой - много.

Дроссельная заслонка

Командная станция - это центр дроссельной заслонки.Эта сеть соединяет дроссели и бустеры, а также другие аксессуары с командной станцией. В зависимости от производителя существуют разные типы дроссельных сетей. Это означает, что одна марка оборудования DCC не будет совместима с другой из-за различий в сети дроссельной заслонки.

Тип дроссельной сети не влияет на совместимость декодеров на треке. Стандарты NMRA DCC применяются только к сигналам DCC на треке и не включают дроссельные цепи.

Бустеры DCC передают данные и питание поездам.

Краткое определение

Booster - это электронное устройство, которое принимает инструкции от Command Station и создает цифровой сигнал, поступающий на трек.

Бустер

Многие системы цифрового командного управления объединяют командную станцию и усилитель в один пакет. Для этого определения бустер - это отдельное устройство, которое требует инструкций от внешней командной станции.

Что делает бустер?

Booster - это усилитель сигналов цифрового командного управления. Он усиливает поток данных низкого напряжения (логического уровня), создаваемый командной станцией, который затем подается на дорожку. Он обеспечивает питание, необходимое для работы поездов. Выходные данные являются точной копией цифрового сигнала, подаваемого с командной станции.

Представьте себе компонентную аудиосистему.

У вас есть устройство ввода, например тюнер или проигрыватель компакт-дисков. Сам по себе он не может обеспечить достаточную мощность для привода динамика.Устройство ввода подключено к усилителю, который усиливает сигнал низкого уровня до амплитуды, достаточной для включения динамика. Усилитель функционирует как усилитель, принимая сигнал логического уровня (низкое напряжение и ток) от станции управления и усиливая его для движения по рельсам.

Lenz «Электростанция», широко известная как Booster

Booster иногда называют «Power Station». Поскольку ракета-носитель не содержит интеллекта (не мыслящего), его можно рассматривать как «вьючного мула» системы DCC, поскольку он отвечает за объединение интеллекта с командного пункта с питанием от источника питания.У некоторых бустеров может не быть автореверса, в отличие от других.

Регулировка и защита мощности бустера

Бустеры

отвечают за следующие задачи:

Преобразуйте переменный или постоянный ток (от источника питания) в локальный внутренний источник постоянного тока, подходящий для привода гусеницы.
Обеспечьте защиту от короткого замыкания, поэтому любое короткое замыкание приведет к срабатыванию автоматического выключателя и отключит питание рельсов до того, как что-то будет повреждено.
По желанию можно обеспечить регулируемое напряжение для рельсов.
Обеспечивает автоматический сброс функции автоматического выключателя.
Преобразуйте цифровые сигналы уровня станции управления в формы сигналов трека DCC с подходящим напряжением и током для работы локомотивов.

Дополнительные усилители

Вы можете подумать, что лучше всего иметь одну большую станцию ускорителя / управления для питания всей вашей компоновки. Однако вы скоро узнаете, что обычно лучше иметь пару небольших бустеров, распределенных по вашему макету. Причины включают: дополнительные поезда, обратные участки и изоляцию сходов с рельсов.В более крупной компоновке несколько бустеров позволяют управлять работой шины питания.

Бустеры доступны с оптоизолированными входами, если такая функция требуется. На картинке ниже показан один бустер с наклейкой «opto».

Дополнительные локомотивы

Бустер рассчитан на величину тока, которую он способен подавать на путь. Если вам потребуется больше тока, чем он может обеспечить, он просто отключится.

Если вы заметили, что поезда начинают замедляться, когда идет несколько поездов, это признак того, что вы достигли предела своего ускорителя - пора добавить дополнительные ускорители.

Типичные бустеры выдают от 4 до 5 ампер, а могут достигать 10 ампер. Этого может быть достаточно, чтобы запустить поезд или два в саду, или почти дюжину поездов в масштабе HO или Z.

Изоляция сходов с рельсов

Рано или поздно поезд сойдет с рельсов, и бустер перейдет в режим защиты.

Как только это произойдет, все поезда, использующие этот ускоритель, немедленно остановятся. Если вы хотите предотвратить сход с рельсов, например, на распределительной или промежуточной станции, из-за остановки всех поездов на макете, запитайте эти секции отдельным усилителем.Таким образом, если кто-то случайно закоротит рельсы при установке локомотивов на рельсы, остальная часть компоновки продолжит работу.

Альтернативы

Существуют альтернативы добавлению бустеров для получения перечисленных выше функций, за исключением добавления бустеров для дополнительной мощности.

Если все, что вам нужно сделать, это изолировать небольшой участок пути или запустить один или несколько обратных участков, то вы можете использовать модули управления питанием от различных производителей.

Эти модули обычно проходят между бустером и участком пути (район энергоснабжения).

Например, реверсивный силовой модуль будет подключаться между бустером и реверсивной секцией, но остальная часть пути по-прежнему получает питание напрямую от того же бустера. В тот момент, когда колесо соединяется между рельсами с разной фазой, реверсор срабатывает и превращает их в одну и ту же фазу. Типичное приложение - это обратный цикл.

Некоторые модули управления питанием могут иметь один или несколько входов и обеспечивать несколько выходов. Это разбивает ваш план на несколько районов власти с помощью одного бустера.

Стационарные декодеры

Усилитель также может использоваться для создания выделенной шины для стационарных декодеров, изолируя стационарные декодеры от событий, происходящих на дорожке. Это полезный метод, если используемые стационарные декодеры не имеют возможности подключаться к дроссельной сети, такой как LocoNet или XPressNet.

Бустерных районов

Командная станция DCS100 с DB200 + Booster в модульном исполнении.

Чтобы добавить дополнительные бустеры, вы должны электрически разделить вашу компоновку на два района бустеров , подключив исходный бустер к одному району, а новый бустер - ко второму.Бустеру может потребоваться отдельный источник питания, и он должен быть подключен к шине газа вашей системы DCC. При подключении бустера к шине газа все бустеры на компоновке будут посылать одни и те же команды на все участки трассы. Это позволяет поездам принимать команды, даже если они пересекают бустерные районы. Никогда не подключайте два ускорителя к общему участку пути, так как это может вывести их из строя, если один выйдет из фазы.

В то время как энергетический район является одним из нескольких районов, питаемых через устройство управления питанием от одного усилителя, отдельный район, питаемый исключительно одним усилителем, называется районом повышения напряжения .

Бустеры должны иметь одинаковый выходной ток. Комбинирование сильноточного бустера с слаботочным, например, бустера на 8 А и 5 А, может привести к разрушению, если событие соединит выходы бустера вместе. Если возможно, используйте устройство управления питанием или размыкание цепи между каждым усилителем и дорожкой.

Предложение: Сделайте двойной зазор между гусеницами, чтобы полностью изолировать ускорители. То есть обе рельсы нужно разрезать в одном месте.Отсутствие пропусков создает короткое замыкание, если один район бустеров не синхронизируется с другими.

Если поезд останавливается в промежутке, ускорители могут быть на не в фазе . Отключите автоматическое реверсирование, если оно установлено, так как это может привести к тому, что оба бустера войдут в бесконечный цикл, пытаясь соответствовать постоянно меняющейся фазе другого. Поменяв местами силовые соединения гусеницы на одном усилителе, можно решить эту проблему. Возможно, вам придется позаботиться о том, чтобы легко поменять местами соединения на бустере, если он время от времени выходит из строя в фазе с другими бустерами.
- Чтобы предотвратить смещение фазы бустеров во время включения, убедитесь, что сеть дроссельной заслонки, передающая сигналы командных станций в бустеры, активна, сначала включив командную станцию, а затем бустеры. В противном случае ускорители могут перейти в режим онлайн не в фазе с другими ускорителями и сигналом DCC командной станции.

Не подключайте усилители параллельно. Это приведет к расплавлению пластика и жареным бустерам. Вы не можете соединить их параллельно. К отдельным ускорителям необходимо подключить отдельные участки пути (энергорайоны).

Внимание! Прочтите и следуйте инструкциям производителя усилителя и вашей системы DCC о том, как правильно подключить дополнительный усилитель.

Общий возврат : Обязательно подключите общий возврат (иногда называемый заземлением) между бустерами. Таким образом, все они имеют одну и ту же точку отсчета. Устройства управления питанием также могут потребовать общего возврата к командному посту или усилителю. Это функционирует как обратный путь с низким сопротивлением, когда ток должен вернуться к источнику.

Это «заземление» не то же самое, что заземление проводки в вашем доме. Никогда не подключайте низковольтную сторону вашей системы DCC к дому / заземлению.

Электропроводка

См. Руководство по эксплуатации для получения инструкций по подключению бустера и любых дополнительных бустеров. Также будет показано, как подключить входные сигналы к усилителю.

См. Также

Внешние ссылки

Широтно-импульсная модуляция - Основы схемотехники

Широтно-импульсная модуляция или ШИМ - это цифровой метод, позволяющий более эффективно пропорционально управлять аналоговыми устройствами.Он генерирует импульсы переменной ширины для представления амплитуды аналогового входного сигнала. Транзистор переключения выхода большую часть времени включен для сигнала высокой амплитуды и выключен большую часть времени для сигнала низкой амплитуды. Цифровая природа (полностью включенная или выключенная) схемы ШИМ требует меньших затрат в изготовлении, чем аналоговая схема, которая не дрейфует со временем. Типичными устройствами, использующими это, являются двигатели постоянного тока, обогреватели, фонари, светодиоды, двигатели гибридных автомобилей, печи, обжиговые печи, вентиляторы и т. Д.

Как это работает

В прошлом такие устройства могли управляться простым встроенным резистором.Но согласно закону Ома это приведет к сильному нагреву резистора. Таким образом, последовательность импульсов умеренно высокой частоты подается на устройство через подходящий управляющий транзистор или силовой полевой МОП-транзистор в цифровой системе. Теперь, поскольку привод либо полностью включен, либо полностью выключен, на устройстве отсутствуют потери I ² R (на самом деле, у полевого МОП-транзистора может быть небольшое сопротивление в несколько миллиомов).

Если драйвер работает половину времени и выключен половину времени, имеет смысл, что средняя мощность нагревателя составляет только половину или 50%.Если соотношение включения и выключения является переменным, можно получить любую степень контроля.

На рисунке выше мы видим, что импульс включен в течение 8 мс и выключен в течение 13 мс. Период - это сумма двух, которая составляет 8 + 13 = 21 мс. Частота обратно пропорциональна периоду, который составляет 1/21 мс = 47,6 Гц. Рабочий цикл или отношение метки к промежутку составляет (ширина ÷ период) * 100 = (8/21) * 100 = 38%.

Если бы импульсное напряжение было 5 В, среднее напряжение постоянного тока было бы рабочим циклом * V = (38/100) * 5 = 1,9 В.

Пример схемы

В приведенной выше схеме мы видим 555, подключенный как нестабильный генератор ШИМ.Q1 - это полевой МОП-транзистор, IRF540 - в порядке, а D1 - это светодиод (или, например, небольшой двигатель постоянного тока). D2 предотвращает повреждение полевого МОП-транзистора любой обратной ЭДС от индуктивной нагрузки (если бы светодиод был двигателем). Частота фиксирована и является функцией R1, 2 и 4 с C3 и составляет около 595 Гц. R4 (около 20 кОм) регулирует рабочий цикл, и, как вы можете видеть на двух дисплеях осциллографа ниже, он составляет от 78 мсек до 1,6 мсек. Как и раньше, период 78 + 1600 мкс = 1678 мкс, а частота 1 / P = 596 Гц.

Расчет рабочего цикла в примере 1, (ширина ÷ период) * 100 = (77.9 ÷ 1678) * 100 = 4,6%, а в примере 2 (1570 ÷ 1678) * 100 = 93,5%.

Итак, как видите, мы можем очень красиво уменьшить яркость светодиода D1 или управлять скоростью небольшого двигателя.

Если бы вы спустились прямо до 0%, у вас была бы прямая линия внизу кривой при 0 В и 100% то же самое, но при 5 В.

Здесь уместно задать вопрос: какое влияние имеет частота при любом рабочем цикле? Собственно, нет. Однако, если частота слишком низкая, вы увидите видимое мерцание светодиода, а если слишком высокая, устройство управления или нагрузка не смогут включаться и выключаться достаточно быстро.


Макет вышеуказанной схемы	A 50% рабочий цикл

4,6% рабочий цикл 9019 9019 9019 Рабочий цикл 9019

Мы видели простой нестабильный генератор 555, управляющий светодиодом. Многие микроконтроллеры, такие как Arduino, имеют встроенную функцию ШИМ, чтобы упростить управление устройством. Обратите внимание, что не все контакты могут работать с ШИМ.UNO, например, может выполнять ШИМ только на 3, 5, 6, 9, 10 и 11. Частота сигнала ШИМ на контактах 5 и 6 будет около 980 Гц, а на других контактах будет 490 Гц.

AB-012: Приводные вибрационные двигатели с широтно-импульсной модуляцией

Обзор

В предыдущих бюллетенях по применению и во многих документах по вибрационным двигателям есть много ссылок на сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В этом бюллетене объясняется, что такое ШИМ-сигнал, элементы, которые он содержит, его преимущества для управления вибрационным двигателем и как он обычно реализуется в схемах.

Также предоставляются формулы

PWM, позволяющие пользователю оценить результаты данного сигнала PWM. Кроме того, для пояснения включены графики и примеры схем. Если у вас есть какие-либо вопросы о сигналах ШИМ и их использовании с вибрационными двигателями, вы можете связаться с нами здесь.

Описание широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Сигнал с широтно-импульсной модуляцией - это тип цифрового сигнала. Он чередуется между импульсами «Вкл» и «Выкл», также известными как высокий и низкий соответственно, на фиксированной частоте.Сигнал PWM отличается от других цифровых сигналов (например, прямоугольных сигналов), потому что время, в течение которого сигнал является высоким и низким, может варьироваться. Это полезно, потому что, когда сигнал ШИМ усредняется с помощью простого аналогового фильтра, вырабатывается постоянное напряжение, пропорциональное рабочему циклу (который представляет собой процент времени, в течение которого сигнал ШИМ является высоким). Поскольку скорость и частота вибрации вибрационного двигателя прямо пропорциональны напряжению, приложенному к двигателю, мы можем использовать ШИМ для точного управления работой двигателя.

Заданная частота сигнала должна быть достаточно высокой, чтобы нагрузка, в нашем случае вибрационный двигатель, не видела «всплесков» высокого и низкого уровня (коммутирующий цифровой сигнал). Вместо этого мы хотим, чтобы ШИМ-сигнал выглядел как сглаженный усредненный сигнал, который пропорционален скважности цифрового сигнала.

К счастью, из-за индуктивной и резистивной природы обмоток двигателя постоянного тока он фактически имеет встроенный аналоговый фильтр нижних частот. Если бы нагрузка была чисто резистивной, то форма волны ШИМ все равно была бы видна.Примеры схем ниже демонстрируют разницу в результирующем напряжении между индуктивной нагрузкой (с двигателем) и резистивной нагрузкой (без двигателя). С двигателем в качестве нагрузки сигнал ШИМ явно усреднен (хотя все еще немного шипастый / шумный, но мы можем улучшить это позже).

Пример двигателя, управляемого ШИМ-сигналом

Модуляция не работает, если нагрузка - резистор

Ширина пакета включения может быть отрегулирована любым устройством, генерирующим сигнал ШИМ (обычно микроконтроллером), который дополняется обратным изменением длительности импульса выключения, таким образом поддерживая ту же частоту. Изменение ширины импульса приводит к изменению среднего напряжения после фильтрации, позволяя представить любое значение между нулем и максимальным напряжением путем увеличения или уменьшения длительности импульса включения. Отсюда и термин широтно-импульсная модуляция.

Это позволяет осуществлять аналоговое управление двигателем с использованием цифровой сигнализации, что делает его очень полезным в электронных системах, которые используют микроконтроллеры для управления двигателем. Многие микроконтроллеры имеют встроенные генераторы ШИМ, в качестве альтернативы антикварная техника заключается в генерации их с использованием аналогового сигнала, пилообразного сигнала и компаратора.

Генерация сигналов ШИМ выходит за рамки этого бюллетеня, вместо этого мы сосредоточимся на том, как его можно использовать для управления двигателем, и предположим, что подходящий источник ШИМ легко доступен в схеме.

Сигнал ШИМ состоит из трех отдельных компонентов:

A Voltage, \ (V_ {PWM} \) - значение «включенного» или высокого уровня напряжения (обычно между 2 ~ 5V, если сигнал PWM вырабатывается микроконтроллером / логикой CMOS).
Частота - период одного такта, т.е.е. один высокий пульс и один низкий пульс.
Рабочий цикл - отношение времени включения к времени выключения, которое контролирует результирующее напряжение, подробно объясненное ниже.

Рабочий цикл представляет собой длину импульса включения по сравнению с одним циклом периода. Выражается в процентах. Чтобы проиллюстрировать разницу в рабочих циклах, ниже приведены примеры сигналов:

Рабочие циклы ШИМ

Результирующее напряжение, которое видит двигатель, является средним напряжением за период.Он легко рассчитывается по следующей формуле:

$$ V_ {AVG} = V_ {PWM} \ times Рабочий цикл $$

Из формулы видно, что мы можем регулировать напряжение, изменяя рабочий цикл. Например, если у нас есть сигнал ШИМ 3 В с рабочим циклом 50%, среднее выходное напряжение будет:

$$ V_ {OUT} = V_ {AVG} = V_ {PWM} \ times Рабочий цикл $$

$$ V_ {OUT} = 3V \ times 50% $$

$$ V_ {OUT} = 3V \ times 0,5 $$

$$ V_ {OUT} = 1,5 В $$

Если бы мы хотели увеличить напряжение до 2. 25 В, мы можем изменить формулу, чтобы найти подходящий рабочий цикл:

$$ DutyCycle = \ frac {V_ {OUT}} {V_ {PWM}} $$

$$ DutyCycle = \ frac {2.25} {3} $$

$$ DutyCycle = 0,75 $$

$$ DutyCycle = 75% $$

Это означает, что управление скоростью двигателя, частотой вибрации, а также силой вибрации может быть легко достигнуто путем изменения рабочего цикла сигнала ШИМ в микроконтроллере. Преимущество этого метода заключается в том, что микроконтроллер может выполнять простую настройку своего выхода в зависимости от условий входа и своей программы.Кроме того, определенные выходные сигналы могут храниться в библиотеках или памяти, которые могут быть вызваны для определенных событий. Этот метод широко используется для тактильной обратной связи.

Пример из реальной жизни

Рассмотрим простой сигнал ниже:

Пример формы сигнала ШИМ

Здесь у нас есть простой сигнал, который начинается с рабочего цикла 25%, затем увеличивается до 50% и, наконец, 75%. Еще раз обратите внимание, что максимальное напряжение и частота остались постоянными, и изменился только рабочий цикл.Мы можем рассчитать среднее напряжение по каждой секции:

25% :: \ (V_ {OUT} = 0,25 \ times V_ {PWM} \)
50% :: \ (V_ {OUT} = 0,50 \ times V_ {PWM} \)
75% :: \ (V_ {OUT} = 0,75 \ times V_ {PWM} \)

Выходное напряжение, которое представляет собой напряжение, воспринимаемое двигателем, для вышеуказанной формы волны показано ниже:

Выходное напряжение для различных рабочих циклов

Обратите внимание, что это пример, нацеленный на демонстрацию эффекта изменения выходного напряжения с разными рабочими циклами, и что фактические характеристики могут отличаться.Например, ускорение между уровнями напряжения может различаться в зависимости от доступного тока и других компонентов схемы.

Приводные двигатели с ШИМ

Как показано выше, микроконтроллер может легко изменять напряжение, подаваемое на двигатель, с помощью сигнала ШИМ. Он может создавать довольно сложные формы сигналов для повышения производительности тактильной обратной связи и даже сохранять эти формы сигналов в библиотеках или в каком-либо удаленном месте памяти.

К сожалению, невозможно управлять двигателем напрямую от самого микроконтроллера из-за того, что двигатель потребляет ток.Следовательно, необходим коммутирующий усилитель с соответствующими сигналами ШИМ для решения двух проблем:

Подача тока, достаточного для привода двигателя.
Подача напряжения, достаточного для обеспечения необходимого пускового напряжения двигателя.

Микроконтроллеры обычно разрабатываются так, чтобы быть максимально эффективными с возможностью быстрого переключения. В результате они используют сигналы низкого напряжения и тока для своих входов и выходов. Вибрационные двигатели, как и большинство двигателей постоянного тока, имеют максимальный рабочий ток намного выше, чем может обеспечить микроконтроллер.

Кроме того, игнорируя проблему с подачей тока, выходное напряжение постоянного тока микроконтроллера также может быть слишком маленьким. В наших таблицах данных мы включаем значение Certified Start Voltage, то есть напряжение, при котором двигатель гарантированно запускается (в любой ориентации). В зависимости от выбора вибрационного двигателя и микроконтроллера, особенно для наших более мощных вибрационных двигателей, сертифицированное пусковое напряжение может быть выше выходного постоянного напряжения микроконтроллера.

В качестве примера мы можем сравнить обычный микроконтроллер Atmel ATmega168, который находится на популярной плате разработки Arduino Duemilanove, с нашим самым маленьким вибрационным двигателем 303-100.ATmega168 может обеспечивать постоянный ток до 40 мА и напряжение от 2,7 В до 5 В в зависимости от напряжения питания микросхемы.

303-100 имеет максимальный рабочий ток 85 мА (вдвое больше максимального значения ATmega168) и сертифицированное пусковое напряжение 1,8 В. Хотя в этом случае пусковое напряжение достаточно, ток - нет.

Если предположить, что напряжение питания составляет 2,7 В, диапазон значений ШИМ в начале сокращается. Рабочий цикл ниже 66% снизит среднее напряжение ниже пускового напряжения двигателя.

$$ Минимальный рабочий цикл = \ frac {V_ {Start}} {V_ {Supply}} $$

$$ Минимальный рабочий цикл = \ frac {1,8 В} {2,7 В} $$

$$ Минимальный рабочий цикл = 0,66667 $$

$$ Минимальный рабочий цикл = 66,7% $$

Когда двигатель вращается, пользователь может использовать полный диапазон значений ШИМ для изменения скорости двигателя от низкой до высокой амплитуды. Однако обратите внимание, что если двигатель остановится из-за слишком низкого сигнала ШИМ, вам придется повторно подавать пусковое напряжение, чтобы гарантировать, что он снова начнет вращаться в каждом случае.

Следовательно, для привода двигателя нам нужны дополнительные схемы, которые помогут удовлетворить требования к мощности двигателя.

Усиление сигнала ШИМ для двигателей

Эта опция полностью обсуждается в Информационном бюллетене 001: Дискретные схемы привода для вибрационных двигателей. Здесь сигнал PWM используется для переключения BJT или MOSFET, который, в свою очередь, управляет двигателем от источника более высокого напряжения.

Примеры схем n-канальных и p-канальных полевых МОП-транзисторов приведены ниже.Хотя BJT можно использовать вместо MOSFET, они, как правило, менее эффективны и требуют дополнительного управления температурой. Сигнал ШИМ должен иметь достаточно высокое напряжение, чтобы полевой МОП-транзистор работал в области насыщения, в противном случае он также потребует радиатора и будет очень неэффективным. Чтобы достичь насыщения, попробуйте выбрать MOSFET с Vgs, которое меньше 1/3 от Vmax сигнала PWM; это обеспечит жесткое включение MOSFET. Понижающий резистор гарантирует его резкое отключение.

Конфигурации со стороны низкого и высокого давления

Напряжение питания двигателя теперь равно \ (V_ {DD} \), что должно обеспечивать достаточно высокое напряжение и ток для адекватного управления двигателем. Эффект рабочего цикла остается тем же, за исключением того, что \ (V_ {PWM} \) заменяется на \ (V_ {DD} \).

$$ V_ {мотор} = V_ {DD} \ times Рабочий цикл $$

Использование моторного привода IC

Микросхемы привода двигателя

обладают множеством преимуществ. Они могут иметь встроенные H-образные мосты для продвинутой техники вождения, помогают регулировать напряжение и часто принимают сигналы ШИМ в качестве контроля.См. Бюллетень по приложениям 023: Ресурс миниатюрного драйвера двигателя для получения списка рекомендуемых драйверов для различных приложений.

DRV2603 Драйвер вибрационного двигателя (ERM или LRA)

Для получения дополнительной информации о том, как H-мосты могут повысить производительность тактильной обратной связи, см. Бюллетень по применению 002: Дискретные H-мостовые схемы для улучшенного управления вибрационным двигателем. Мы также опубликовали бюллетень по применению микросхем для управления вибрационными двигателями с линейным резонансным приводом, и хотя LRA предъявляют различные требования к вибродвигателям с эксцентриковой вращающейся массой, некоторые из рассмотренных интегральных схем могут использоваться для управления обоими типами вибрационных двигателей. См. AB-003: Как управлять линейно-резонансными приводами для получения дополнительной информации.

Многие микросхемы приводов двигателей могут принимать сигнал ШИМ и соответствующим образом регулировать свой выходной сигнал. Дополнительная информация будет доступна в техническом описании конкретного чипа.

Использование сигнала ШИМ с микросхемой, которая включает управление H-мостом, может позволить пользователю легко реализовать продвинутые тактильные методы, такие как перегрузка и обратное торможение. Для быстрого запуска вибрационного двигателя на него может подаваться напряжение, превышающее его номинальное напряжение в течение короткого периода времени.Это называется «перегрузкой» двигателя. И наоборот, чтобы быстро остановить двигатель, можно поменять полярность напряжения, по существу, двигая двигатель против его текущего направления вращения. Это называется обратным торможением.

Некоторые микросхемы приводов двигателей могут поддерживать вышеуказанные методы и использовать рабочий цикл сигнала ШИМ для определения его выхода, например, может быть достигнута следующая настройка:

Рабочий цикл ШИМ	Выход
100%	Повышающая передача по часовой стрелке
90%	Номинальное напряжение, приложенное по часовой стрелке
50%	Без вращения
10%	Номинальное напряжение, приложенное против часовой стрелки
0%	Повышающая передача против часовой стрелки

Выбор частот ШИМ и подавления электромагнитных помех / шумов

В нашем предыдущем бюллетене по применению 005 «Электромагнитная совместимость (EMC / EMI) с вибрационными двигателями» мы рассмотрели методы уменьшения электромагнитных помех или EMI.

Распространенным методом минимизации электромагнитных помех является использование конденсатора как можно ближе к клеммам двигателя. Это отфильтровывает высокочастотный шум и, к сожалению, также может фильтровать сигналы ШИМ. Чтобы избежать этого, емкость конденсатора должна быть выбрана так, чтобы резонансная частота системы была далека от резонансной частоты ШИМ. Частота сигнала ШИМ обычно составляет около 20 кГц или выше, и конденсатора 10–100 пФ будет достаточно.

Резонансная частота \ (f_ {r} \) может быть рассчитана как:

$$ f_ {r} = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_ {m} C_ {e}}} $$

Где \ (L_ {m} \) - индуктивность двигателя, а \ (C_ {e} \) - внешний развязывающий конденсатор.Для двигателей с низким оконечным сопротивлением дополнительный резистор, включенный последовательно с конденсатором, поможет сбросить нагрузку.

Более комплексное решение включает два дополнительных конденсатора к указанному выше, по одному на клемму двигателя, подключенных между клеммой и корпусом двигателя. Это уменьшит искрение, особенно в двигателях с угольными щетками.

Заключение

Использование сигнала ШИМ для управления вибрационными двигателями может относительно легко обеспечить высокопроизводительное управление вибрацией.ШИМ-сигналы являются общей характеристикой многих микроконтроллеров, и простые программы могут регулировать их частоту и рабочий цикл. Эти программы можно использовать для создания сложных сигналов ШИМ и сохранения их для дальнейшего использования.

Рабочий цикл сигнала ШИМ представляет собой длину импульса включения в одном волновом цикле, выраженную в процентах. Это изменение ширины импульса влияет на среднее напряжение. Когда сигнал PWM, который имеет высокую частоту, подается на двигатель постоянного тока или вибрационный двигатель, это среднее напряжение, которое приводит в движение двигатель.Это позволяет пользователям контролировать скорость двигателя или силу вибрации, регулируя рабочий цикл.

Типичные микроконтроллеры не могут обеспечить достаточный ток, а в некоторых случаях и напряжение, чтобы управлять вибрирующим двигателем.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот.

Похожие темы:

Широтно импульсная модуляция сигналов (ШИМ)

Анализ сигналов широтно-импульсной модуляции | Rohde & Schwarz

Решение компании Rohde & Schwarz

Результат эволюции линейных систем | Altium

Отличные идеи и разумные решения

Неочевидные перспективы

Широто-импульсная модуляция

(PDF) ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ТРЕХФАЗНЫХ ИНВЕРТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ

Основные методы широтно-импульсной модуляции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

- learn.sparkfun.com

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Рекомендуемая литература

Рабочий цикл

Примеры

Ресурсы и дальнейшее развитие

Широтно-импульсная модуляция [Analog Devices Wiki]

Цель

Материалы

Широтно-импульсный модулятор - Принцип работы

Настройка оборудования

Процедура

Управление шириной импульса с помощью модуляции постоянного напряжения

Фон

Настройка оборудования

Процедура

Фиксированная 50% ШИМ с нестабильным мультивибратором

Фон

Настройка оборудования

Процедура

Настройка оборудования

Процедура

Продолжаем работу с лабораторией

Дополнительная литература

Диагностика цепи широтно-импульсной модуляции

Диагностика электронных сигналов

Профессиональное техническое обслуживание и ремонт автомобилей

Диагностика и ремонт электрических систем

: мозг DCC

Что такое командная станция?

Назначение командного пункта

Скорость передачи данных

Дроссельная заслонка

Бустеры DCC передают данные и питание поездам.

Бустер

Что делает бустер?

Регулировка и защита мощности бустера

Дополнительные усилители

Дополнительные локомотивы

Изоляция сходов с рельсов

Альтернативы

Стационарные декодеры

Бустерных районов

Электропроводка

См. Также

Внешние ссылки

Широтно-импульсная модуляция - Основы схемотехники

Как это работает

Пример схемы

AB-012: Приводные вибрационные двигатели с широтно-импульсной модуляцией

Обзор

Описание широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Пример из реальной жизни

Приводные двигатели с ШИМ

Усиление сигнала ШИМ для двигателей

Использование моторного привода IC

Выбор частот ШИМ и подавления электромагнитных помех / шумов

Заключение

Оставить комментарийОтменить комментарий