Pulsbreddemodulasjon

Den modulering av pulsbredde ( PWM , i engelsk : Pulse Width Modulation , eller PWM ), er en metode som er vanlig benyttet for å syntetisere de pseudo analoge signaler ved hjelp av alt eller ingenting operasjonskretser, eller mer generelt til uttalelser diskrete .

Den brukes til å generere et pseudo- analogt signal fra et digitalt eller analogt miljø for å tillate behandling av dette signalet ved å bytte komponenter (oppfører seg som åpne eller lukkede brytere).

Det generelle prinsippet er at ved å anvende en rask rekkefølge av diskrete tilstander med velvalgte varighetsforhold, kan man oppnå ved å bare se på middelverdien til signalet hvilken som helst mellomverdi.

applikasjoner

De hyppigste bruksområdene:

Den digital-analoge konverteringen
Den klasse D forsterkere
Bytte strømforsyning
De frekvensomformere
Mer generelt alle kraftelektroniske enheter som bruker koblingskomponenter av MOSFET , IGBT , GTO-typen .

Det er også mulig å overføre data etter denne metoden.

Digital MLI

Prinsippet er å lage et logisk signal (lik 0 eller 1), med en fast frekvens, men hvis driftssyklus er digitalt kontrollert, og gjennomsnittsverdien til dette signalet er en analog størrelse, lik produktet av driftssyklusen med maksimum signalets amplitude.

Prinsipp for realisering

Vanligvis utføres denne typen funksjoner ved hjelp av en mikrokontroller . Moderne mikrokontrollere ( ARM Cortex M , PIC , etc.) har alle eksterne enheter dedikert til PWM-generasjon. For eldre mikrokontrollere ( 8051 , 68HC11 ) er det mulig å omdirigere driften av en TIMER for å transformere den til en PWM-generator. Til slutt, hvis en mikroprosessor brukes , blir PWM generelt emulert.

I alle tilfeller består prinsippet til det perifere eller emuleringsprogrammet i å generere et periodisk signal med en ganske høy frekvens (vanligvis større enn 20 KHz for å unngå å være i det hørbare området, selv om dette ikke er obligatorisk), vanligvis kalt bærer (men navnet er feil) og å generere pulser ved 1, hvorav forholdet mellom varighet og periode er lik ønsket gjennomsnittsverdi sammenlignet med maksimumsverdien til signalet:

${\ displaystyle {\ frac {T _ {\ mathrm {on}}} {T}} = {\ frac {N} {N _ {\ mathrm {max}}}}}$

hvor Ton er varigheten av pulsen, T signalets periode, N verdien av signalet på tidspunktet t (analog eller digital) og Nmax den maksimale verdien som N.

Derfor blir den gjennomsnittlige spenningen som genereres av PWM-signalet (varierende mellom E og 0):

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {avg}} = {\ frac {1} {T}} {\ biggl (} \ int \ limits _ {0} ^ {T _ {\ mathrm {on}}} E \ , \ mathrm {d} t + \ int \ limits _ {T _ {\ mathrm {on}}} ^ {T} 0 \, \ mathrm {d} t {\ Bigr)}}$ = ${\ displaystyle {\ frac {1} {T}} \ cdot E \ cdot T _ {\ mathrm {on}} = E \ cdot {\ frac {T _ {\ mathrm {on}}} {T}} = E \ cdot {\ frac {N} {N _ {\ mathrm {max}}}}}$

Modellbegrensninger

For at et PWM-signal skal kunne brukes, er det viktig at lasten oppfører seg som et lavpassfilter som er i stand til å kutte høyfrekvenskomponenten mens den beholder den variable komponenten i signalet. Perioden må derfor være liten (eller frekvensen stor) foran filterets avskjæringsfrekvens slik at PWM-signalet ikke påvirker gjennomsnittsverdien.

PWM produserer et frekvensspektrum som kan sammenlignes med amplitude-modulering (derav misbruk av begrepet bærer). Imidlertid er signalet nærmere det som produseres ved prøvetaking (med aliasingproblemene som dette kan gi).

PWM induserer signifikante forvrengninger av det modulerte signalet; de er sammenlignbare med de som skyldes prøvetaking med et signal hvis periode er PWM.

Frekvensen til bæreren kan i teorien økes på ubestemt tid, dette kan også virke fordelaktig siden hovedeffekten vil være å skifte uønskede overtoner i høy frekvens og dermed redusere strømkrusningene. Det som vil begrense oss i praksis er:

Kapasiteten til mikrokontrolleren til å gå utover en viss frekvens (vanligvis ikke mye mer enn 1 MHz)
Den minste tiden det tar å bytte bryterne, faktisk hvis en kommandotopp er raskere enn responstiden til systemet , vil bryterne ikke ha tid til å bytte i tide.
Når det gjelder kraftelektronikk , er tapene veldig høye ved høy kobling (koblingstap og ledningstap). Dette betyr at det ikke nødvendigvis er ønskelig å bruke PWMer med veldig høy frekvens.
Fortsatt i sammenheng med kraftelektronikk , bør ikke elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) overses , noe som kan utgjøre et problem for elektronikken rundt kraftenheter.

Andre typer MLI

"Intersective" MLI eller analog MLI

Det er det mest klassiske. Den består i å sammenligne modulanten (signalet som skal syntetiseres) med en generelt trekantet bærer . Utgangssignalet er lik 1 hvis modulanten er større enn bæreren, ellers 0; utgangssignalet endrer derfor tilstand ved hvert skjæringspunkt mellom modulanten og bæreren.

Denne metoden egner seg godt til en analog implementering : alt som trengs er en trekantgenerator og en komparator. Det er mange dedikerte integrerte kretser .

Vi kan klassifisere undertypene på flere måter:

Analog eller digital samplet, avhengig av om modulatoren og komparatoren er kontinuerlig eller diskret tid;
Med sentrert trekantet eller sagtannbærer (venstre eller høyre);
Asynkron eller synkron , avhengig av om modulanten og bæreren har nøyaktig flere frekvenser eller ikke. Vi er spesielt oppmerksomme på at leseren ikke forveksler synkroniseringen av PWM og synkron eller asynkron motor . Selv om de har samme navn, er definisjonene deres i det minste veldig forskjellige.

PWM Ved injeksjon av 3. ordens harmoniske

Teknikken nedenfor er nyttig for å kontrollere spenningsvekselrettere , særlig fordi det innebærer, blant annet produserer en sinusformet spenning på utgangen av omformeren. Third Harmonic Injection PWM (Third Harmonic Injection PWM) PWMs er enkle, men effektive varianter av den klassiske PWM (kalt SPWM for sinusformet PWM) beskrevet ovenfor. Forkortelsen deres i litteraturen kalles THIPWM, de to som hovedsakelig brukes er THIPWM1 / 6 og THIPWM1 / 4. De ble oppfunnet for å øke linearitetssonen til modulasjonsindeksen (som for SVM ), men også for å øke den harmoniske kvaliteten på løsningene. Faktisk er modulasjonsindeksen konvensjonelt (med SPWM) mellom 0 og 1. Modulasjonsindeksen ses her økt med 15% for å dekke det området av modulasjonsindeksene (modulasjonsindeks på engelsk) som kan oppnås fra 0 til 1,15. .

Den tekniske implementeringen av denne metoden er spesielt enkel, det er tilstrekkelig å legge til eller til vektormodulerende spenninger. Det er ingenting å endre på bæreren, og denne injeksjonen gjør det mulig å oppnå realiserte spenninger av bedre kvalitet. ${\ displaystyle {\ frac {1} {6}} {\ frac {m} {2}} \ sin (3 \ omega t)}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {4}} {\ frac {m} {2}} \ sin (3 \ omega t)}$

MLI "Space vector"

Den såkalte romvektoren PWM (romlig vektor, forkortet SVM i litteraturen) er spesielt anvendelig for trefasede drivenheter med variabel hastighet uten nøytral .

Den består i å vurdere trefasesystemet globalt, og i å bruke en Concordia-transformasjon på den for å bringe seg tilbake til planet (Vα, Vβ). Det trefasede spenningssystemet som skal genereres for den aktuelle prøvetakingstiden, kan deretter vises som en enkelt vektor i dette planet (se også vektorkontroll ).

Denne vektoren er ikke direkte oppnåelig med bryterne til variatoren, men vi kan se etter de tre nærmeste konfigurasjonene (plassert på toppunktene og i midten av sekskanten ), og bruke dem suksessivt i løpet av en tilstrekkelig brøkdel av perioden d. Prøvetaking. , for i gjennomsnitt å oppnå den etterspurte vektoren.

I sinusformet modulering gir det resultater som ligner (men likevel bedre) den kryssende PWM med sentrert trekantet bærer. Ikke desto mindre kan det være enklere å installere i en mikrokontroller , og, uavhengig av harmonisk 3, gjør det det mulig å maksimere den tilgjengelige effekten, noe som rettferdiggjør bruken.

"Forutberegnet" MLI

Det brukes spesielt når det på grunn av lav bærefrekvens er nødvendig å optimalisere spekteret til det genererte signalet. Mønsteret til utgangssignalet er forhåndsbestemt (offline) og lagres i tabeller som deretter leses tilbake i sanntid.

Faktisk er disse PWM-ene alltid synkrone (bærefrekvensen er nøyaktig multiplisert av frekvensen til modulanten), en nødvendig tilstand for å ha et konstant harmonisk spektrum .

I praksis kan denne typen MLI bare gjøres digitalt.

Hysteresekontroll

Denne metoden består i å utvikle PWM-signalet direkte fra mengden som skal kontrolleres, av alle eller ingen type beslutninger.

Fordelene er veldig stor enkelhet og minimal responstid på forstyrrelser. Den største ulempen er mangelen på kontroll av transistorens svitsjefrekvens , noe som gjør dimensjonen vanskelig.