Принципы импульсного управления и модуляции рассмотрены в гл. 4 на примере простейшей схемы регулятора постоянного тока. При этом даны определения основных видов импульсной модуляции, используемых в теории линейных импульсных систем, которые соответствуют практике управления импульсными преобразователями постоянного тока.
Однако широтно-импульсная модуляция напряжений или токов в преобразователях переменного тока имеет в силовой электронике несколько иное определение, учитывающее особенности ШИМ при решении задач преобразования электроэнергии на переменном токе. Согласно определению МЭК 551-16-30, широтно- импульсной модуляцией называется импульсное управление, при котором ширина или частота импульсов или и та и другая модулируются в пределах периода основной частоты для того, чтобы создать определенную форму кривой выходного напряжения. В большинстве случаев ШИМ осуществляется в целях обеспечения синусоидальности напряжения или тока, т. е. снижения уровня высших гармоник относительно основной (первой) гармоники, и называется синусоидальной. Различают следующие основные методы обеспечения синусоидальности: аналоговая ШИМ и ее модификации; избирательное (селективное) подавление высших гармоник; гистерезисная или дельта-модуляция;
модуляция пространственного вектора.
Классическим вариантом организации аналоговой синусоидальной ШИМ является изменение ширины импульсов, формирующих выходное напряжение (ток) посредством сравнения сигнала напряжения заданной формы, называемого опорным или эталонным, с сигналом напряжения треугольной формы, имеющим более высокую частоту и называемым несущим сигналом. Опорный сигнал является модулирующим и определяющим требуемую форму выходного напряжения (тока). Существует много модификаций этого метода, в которых модулирующие сигналы представлены специальными функциями, отличными от синусоиды. В конспекте лекций будет рассмотрено несколько основных схем поясняющих эти методы ШИМ.
Метод избирательного подавления высших гармоник в настоящее время успешно реализуется средствами микропроцессорных контроллеров на основе программного обеспечения. Гистерезисная модуляция основана на принципах релейного «слежения» за опорным сигналом, например, синусоидальной формы. В простейшем техническом исполнении этот метод сочетает принципы ШИМ и ЧИМ (частотно-импульсной модуляции). Однако посредством специальных схемотехнических мер можно стабилизировать частоту модуляции или ограничить диапазон ее изменения.
Метод модуляции пространственного вектора основан на преобразовании трехфазной системы напряжения в двухфазную и получении обобщенного пространственного вектора. Величина этого вектора рассчитывается в моменты, определяемые основной и модулирующей частотами. Он считается весьма перспективным для управления трехфазными инверторами, в частности, при использовании их в электроприводе. В то же время он во многом сходен с традиционной синусоидальной ШИМ.
Системы управления на основе ШИМ позволяют не только обеспечить синусоидальную форму усредненных значений основной гармоники напряжения или тока, но и управлять значениями ее амплитуды, частоты и фазы. Так как в этих случаях в преобразователе используются полностью управляемые ключи, то становится возможным реализовать работу преобразователей переменного (постоянного) тока совместно с сетью переменного тока во всех четырех квадрантах в режимах как выпрямления, так и инвертирования с любым заданным значением коэффициента мощности основной гармоники cosφ в диапазоне от -1 до 1. Более того, с увеличением несущей частоты расширяются возможности воспроизведения на выходе инверторов тока и напряжения заданной формы. Это позволяет создавать активные фильтры для подавления высших гармоник.
Основные определения, используемые при дальнейшем изложении, рассмотрим на примере применения первого метода в однофазной полу мостовой схеме инвертора напряжения (рис. 8.1, а ). В этой условной схеме ключи S 1 и S 2 представлены полностью управляемыми коммутационными элементами, дополненными последовательно и параллельно соединенными с ними диодами. Последовательные диоды отражают однонаправленную проводимость ключей (например, транзисторов или тиристоров), а параллельные обеспечивают проводимость обратных токов при активно-индуктивной нагрузке.
Диаграммы опорного, модулирующего u M (θ) и несущего u H (θ) сигналов приведены на рис. 8.1, б . Формирование импульсов управления ключами S 1 и S 2 осуществляется по следующему принципу. При u M (θ) > u H (θ) ключ S 1 включен, a S 2 выключен. При u M (θ) < u H (θ) состояния ключей изменяются на противоположные: S 2 - включен, a S 1 - выключен. Таким образом, на выходе инвертора формируется напряжение в виде двух полярных импульсов. В реальных схемах для исключения одновременной проводимости ключей S 1 и S 2 следует предусматривать определенную задержку между моментами формирования сигналов на включение этих ключей. Очевидно, что ширина импульсов зависит от соотношения амплитуд сигналов u M (θ) и u H (θ). Параметр, характеризующий это соотношение, называется индексом амплитудной модуляции и определяется по формуле (8.1):
, (8.1.)
где U M m и U H m - максимальные значения модулирующего сигнала u M (θ) и несущего сигнала u H (θ) соответственно.
Рис. 8.1. Однофазный полу мостовой инвертор напряжения: а – схема; б – диаграммы напряжения при импульсной модуляции
Частота несущего сигнала u H (θ) равна частоте коммутации f H ключей S 1 и S 2 и обычно значительно превышает частоту модулирующего сигнала f M . Соотношение частот f H и f M является важным показателем эффективности процесса модуляции и называется индексом частотной модуляции, который определяется по формуле (8.2):
При малых значениях M f сигналы u M (θ) и u H (θ) должны быть синхронизированы, чтобы избежать появления нежелательных субгармоник. В в качестве максимального значения My , определяющего необходимость синхронизации, устанавливается М f = 21. Очевидно, что при синхронизированных сигналах и коэффициент M f является постоянной величиной.
Из диаграммы на рис. 8.1 видно, что амплитуда первой гармоники выходного напряжения U am 1 может быть с учетом (8.1) представлена в следующем виде (8.3):
(8.3)
Согласно (8.3) при М a = 1 амплитуда первой гармоники выходного напряжения равна высоте прямоугольника полуволн U d /2. Характерная зависимость относительного значения первой гармоники выходного напряжения от значения М a представлена на рис. 8.2, из которого видно, что изменение М a от 0 до 1 линейно и зависит от амплитуды U am 1 . Предельное значение величины М a определяется принципом рассматриваемого вида модуляции, согласно которому максимальное значение U am 1 ограничено высотой полуволны прямоугольной формы, равной U d /2. При дальнейшем увеличении коэффициента М a модуляция приводит к нелинейному возрастанию амплитуды U am 1 до максимального значения, определяемого формированием на выходе инвертора напряжения прямоугольной формы, которое в дальнейшем остается неизменным.
Разложение прямоугольной функции в ряд Фурье дает максимальное значение (8.4):
(8.4)
Эта величина ограничивается значением индекса М а, изменяющегося в диапазоне от 0 до примерно 3. Очевидно, что функция на интервале а-б значений от 1 до 3,2 является нелинейной (рис. 8.2). Режим работы на этом участке называется сверх модуляцией.
Значение M f определяется выбором частоты несущего сигнала u H (θ) и существенно влияет на технические характеристики преобразователя. С ростом частоты увеличиваются коммутационные потери в силовых ключах преобразователей, но при этом улучшается спектральный состав выходного напряжения и упрощается решение задачи фильтрации высших гармоник, обусловленных процессом модуляции. Важным фактором выбора значения f H во многих случаях является необходимость обеспечения его значения в звуковом диапазоне частоты более 20 кГц. При выборе f H следует также учитывать уровень рабочих напряжений преобразователя, его мощность и другие параметры.
Рис. 8.2. Зависимость относительного значения амплитуды основной гармоники выходного напряжения от индекса амплитудной модуляции для однофазной полу мостовой схемы
Общей тенденцией здесь является рост значений M f преобразователей малой мощности и низких напряжений и наоборот. Поэтом выбор M f является многокритериальной оптимизационной задачей.
Импульсная модуляция со стохастическим процессом . Использование ШИМ в преобразователях связано с появлением высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах. При этом в спектральном составе этих параметров наиболее значительные гармоники возникают на частотах, кратных индексу частотной модуляции M f и сгруппированных около них на боковых частотах гармоник с убывающими амплитудами. Высшие гармоники могут порождать следующие основные проблемы:
возникновение акустических шумов;
ухудшение электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими электротехническими устройствами или системами.
Основными источниками акустических шумов являются электромагнитные компоненты (дроссели и трансформаторы), на которые воздействуют ток и напряжение, содержащие высшие гармоники с частотами звукового диапазона. Следует отметить, что шумы могут возникать на определенных частотах, где высшие гармоники имеют максимальное значение. Факторы, вызывающие шумы, например явление магнитострикции, усложняют разрешение проблемы ЭМС. Проблемы с ЭМС могут возникать в широком частотном диапазоне в зависимости от критичности к уровню электромагнитных помех электротехнических устройств. Традиционно для снижения уровня шумов использовались конструктивные и технологические решения, а для обеспечения ЭМС применялись пассивные фильтры.
В качестве перспективного направления решения этих проблем рассматриваются методы, связанные с изменением характера спектрального состава модулируемых напряжений и токов. Сущность этих методов состоит в выравнивании частотного спектра и снижении амплитуды явно выраженных гармоник за счет стохастического их распределения в широком частотном диапазоне. Такой прием иногда называется «размазыванием» частотного спектра. Концентрация энергии помех уменьшается на частотах, где гармоники могут иметь максимальные значения. Реализация этих методов не связана с воздействием на компоненты силовой части преобразователей и в большинстве случаев ограничена программными средствами с незначительным изменением системы управления.
Рассмотрим кратко принципы реализации этих методов. В основе ШИМ лежит изменение коэффициента заполнения γ= t и / T n , где t и - длительность импульса; Т n - период его формирования. Обычно эти величины, а также положение импульса на интервале периода Т n являются постоянными в установившихся режимах. Результаты ШИМ определяются как интегральные усредненные значения. В этом случае детерминированные значения t и и включая положение импульса, обусловливают неблагоприятный спектральный состав модулируемых параметров. Если этим величинам придать случайный характер при сохранении заданного значения γ, то процессы становятся стохастическими и спектральный состав модулируемых параметров изменяется. Например, такой случайный характер можно придать положению импульса t и на интервале периода Т n или обеспечить стохастическое изменение последнего. Для этой цели может использоваться генератор случайных чисел, воздействующий на задающий генератор частоты модуляции f n =1/T n . Аналогичным образом можно изменять положение импульса на интервале Т n с математическим ожиданием, равным нулю. Усредненное интегральное значение γ должно оставаться на заданном системой регулирования уровне, в результате чего будет реализовано выравнивание спектрального состава высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные методы ШИМ для обеспечения синусоидальности тока или напряжения.
2. В чем отличие однополярной модуляции напряжения от двухполярной?
3. Перечислите основные параметры ШИМ.
4. С какой целью используется ШИМ со стохастическими процессами?
Простейший генератор широтно-импульсных сигналов.
Основным назначением программы PWM Generator является формирование сигналов широтно-импульсной модуляции в режиме реального времени. Данные тоны генерируются на основе заданных значений частоты (в Герцах), рабочего цикла – соотношения времени между низким и высоким состоянием сигнала (в процентах) и амплитуды – уровня цифрового сигнала (в dBFS). Все вышеперечисленные параметры могут быть мгновенно изменены во время работы. Максимально возможный уровень генерируемого сигнала равен 0 dBFS, а наибольшая частота составляет половину частоты дискретизации. Для настройки генерирования звука оптимального уровня качества предусмотрено целое меню выходных характеристик. Здесь присутствует возможность изменения количества и размера внутренних буферов данных, частоты дискретизации и квантования.
Программное обеспечение может использоваться для создания управляющих тонов различных электрических и электромеханических устройств. В частности результирующий ШИМ-сигнал, снятый с выхода звуковой карты персонального компьютера и пропущенный через стандартный аудиоусилитель, применяется для регулирования двигателей, вентиляторов, приборов освещения.
PWM Generator поддерживает работу с несколькими звуковыми картами, причем предоставляется возможность выбора той из них, которая будет использоваться для вывода искомого сигнала (по умолчанию программа работает с устройством вывода, указанным в панели управления Windows). Стоит отметить, что рабочий ШИМ-сигнал может быть сохранен в качестве WAV-файла и в дальнейшем прослушан с помощью стандартного программного обеспечения. А при регулярном использовании определенных тонов генератор ШИМ-сигналов дает возможность сохранять (и загружать) их в виде пресетов. Кроме того, несколько пресетов поставляются вместе с приложением.
PWM Generator поддерживает опцию синхронизации всех запущенных экземпляров программы, позволяя генерировать сразу несколько тонов. Необходимо отметить возможность работы программного обеспечения в фоновом режиме, позволяя, пользователям переключить внимание на другие приложения. Кроме того PWM Generator может управляться с помощью скриптовых команд, а также через системы Windows Messaging.
Авторы сообщают, что чем быстрее рабочая станция, тем выше будет качество звука и «отзывчивость» элементов управления во время воспроизведения тонов.
Рассматриваемое приложение было написано работниками немецкой компании Esser Audio. Данная организация занимается созданием и распространением программных продуктов ( , и т.д.), предназначенных, в основном, для тестирования и испытания аудиоаппаратуры. Программы от Esser Audio отличаются неплохой функциональностью и крайне простым интерфейсом.
Программа PWM Generator является условно-бесплатной, ознакомительная версия дает возможность свободного запуска и тестирования приложения в течение первых тридцати дней. Стоимость программы для стран не входящих в Европейский союз составляет 14 евро, для входящих – 16,66 евро (за счет добавления налога на продажу). При покупке нескольких лицензий предоставляется скидка.
Приложение распространяется на английском и немецком языках. Справочный файл содержит подробное описание всех возможностей софта, а для дополнительной поддержки пользователей программного пакета был создан справочный онлайн-форум. Русской версии PWM Generator пока не существует.
Последняя версия программного обеспечения работоспособна на любых компьютерах с 32- или 64-разрядной операционной системой Microsoft Windows (9x, NT, 2000, 2003, XP, Vista, 7, 8) и звуковой картой.
Распространение программы: условно-бесплатная 14 евро. Есть триал-версия (30 суток)
"Документация" - техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).
Фирма Microchip продолжает разработку и производство передовых продуктов, предоставляющих пользователю большую функциональность, гибкость и надежность. Микроконтроллеры PICmicro используются во многих приборах повседневного спроса - от стиральных машин и автомобильной техники до медицинских приборов. Модуль сравнения, захвата и ШИМ (ССР), который присутствует во многих микроконтроллерах Microchip, используется в основном для измерения и формирования импульсных сигналов. Расширенный модуль ССР (enhanced CCP - ECCP), имеющийся во многих новых микроконтроллерах, предоставляет дополнительные возможности для формирования широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Модуль ЕССР обеспечивает поддержку управления мостовыми и полумостовыми схемами управления, программируемое время задержки переключения (для предотвращения протекания сквозных токов через внешние силовые ключи, связанного с их разным временем переключения) и возможность автоматического выключения ШИМ при аварийных ситуациях. Модули ССР и ЕССР имеют широкие области применения. Эта статья описывает основные принципы использования данных модулей в каждом режиме, а также "нестандартные" варианты использования в практических решениях.
Модуль захвата используется для измерения длительности между двумя событиями, например периода, длительности импульса, скважности и т. п.
Пример 1. Измерение периода дискретного сигнала (рис. 1).
Рис. 1. Измерение периода
Пример 2. Измерение периода с усреднением результата (рис. 2).
Рис. 2. Измерение периода с усреднением результата
Усреднение результата измерений часто требуется при зашумленном входном сигнале. Модуль ССР в PIC-контроллерах Microchip позволяет выполнить усреднение с минимальными программными издержками.
Пример 3. Измерение длительности импульса (рис. 3).
Рис. 3. Измерение длительности импульса
Пример 4. Измерение скважности импульсов (рис. 4).
Рис. 4. Измерение скважности импульсов
Типичный пример, где требуется такого рода измерение - это измерение ускорения. Цифровые акселерометры обычно имеют выходной сигнал со скважностью, пропорциональной ускорению движения прибора. Скважность можно измерять по следующему алгоритму.
Пример 5. Измерение скорости вращения энкодера.
Рис. 5. Оптический энкодер
Скорость вращения энкодера может быть измерена разными способами. Два наиболее часто встречающихся типа датчиков в энкодерах - это оптический сенсор и датчики Холла. Оптические энкодеры используют инфракрасный светодиод и датчик, а также колесо с прорезями, модулирующими световой поток (рис. 5). Другой тип использует чувствительные к магнитному полю датчики Холла, с помощью которых можно определять положение магнитов в электромоторе или постоянных магнитов, закрепленных на вращающемся объекте (рис. 6).
Рис. 6. Энкодер с датчиками Холла
Такой датчик выдает один или несколько импульсов на один оборот объекта. На рис. 7 показаны временные диаграммы при разных скоростях вращения. При увеличении скорости вращения период импульсов и их длительность становятся меньше. Период и длительность импульса пропорциональны скорости вращения. Для получения большей разрешающей способности лучше использовать датчики с несколькими импульсами на 1 оборот. Описание измерения периода для определения скорости вращения энкодера см. в примере 1, а метод усреднения измерений периода - в примере 2.
Рис. 7. Выход энкодера при разных скоростях вращения
Пример 6. Измерение периода аналогового сигнала.
Рис. 8. Схема измерения периода аналогового сигнала
Микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором и модулем CCP или ЕССР может быть легко использован для измерения периода аналогового сигнала. На рис. 8 приведен пример схемы с использованием периферийных модулей контроллера PIC16F684. Резисторы R3 и R4 задают порог срабатывания компаратора. При пересечении входным сигналом уровня порога, выходной уровень напряжения компаратора переключается между 0 и 1. Резисторы R1 и R2 задают гистерезис для предотвращения "дребезга" при равенстве порогового и входного напряжений. Рис. 9 демонстрирует эффект гистерезиса.
Рис. 9. Диаграммы в контрольных точках
Модуль ССР конфигурируется в режим захвата для измерения периода на выходе компаратора.
В режиме сравнения 16-разрядные значения регистра CCPRx сравниваются с состоянием таймера. При совпадении происходит прерывание и вывод контроллера CCPx:
Реакция вывода определяется битами управляющего регистра CCPxCON .
Таймер 1 обычно не сбрасывается в 0 при возникновении прерывания от модуля CCP в режиме сравнения, кроме случая конфигурации модуля в режим Триггера специального события. В этом режиме, когда значения таймера и регистра CCPRx равны, формируется прерывание, таймер 1 очищается и автоматически запускается преобразование АЦП (если это разрешено).
Работа модуля в режиме сравнения подобна функции таймера в обычном секундомере. В случае секундомера определенное время загружается в часы и производится отсчет в обратном порядке с установленного времени до достижения нуля. Отличие работы таймера в режиме сравнения заключается в том, что время отсчитывается от нуля до установленного значения. Этот способ полезен для того, чтобы произвести определенные действия в точные интервалы времени. Обычный режим работы таймера может использоваться для исполнения тех же самых функций, однако в этом случае таймер нужно будет перезагружать каждый раз. Режим сравнения также может автоматически изменять состояние вывода CCPx.
Пример 7. Формирование модулирующих импульсов для различных форматов передачи данных.
Рис. 10. Широтно-импульсная (ШИМ)
Модуль ССР в режиме сравнения может использоваться для формирования различных форматов модуляции. На рис. 10-12 приведены различные варианты представления 0 и 1 в различных форматах передачи данных. Передача данных похожа на асинхронную передачу данных, содержащую СТАРТ-бит, восемь информационных бит и СТОП-бит. Время ТЕ является базовым временным элементом в каждом формате модуляции и задает скорость передачи данных. Триггер специального события может использоваться для формирования времени ТЕ. При возникновении прерывания от CCP подпрограмма обработки прерывания формирует требуемый формат передачи данных.
Рис. 11. Манчестерская модуляция
Рис. 12. Модуляция положением импульса
Пример 8.
Обычно стандартные модули ШИМ имеют разрядность в 10 бит. Модуль ССР в режиме сравнения может использоваться для формирования ШИМ с 16-разрядной точностью. Для этого:
Рис. 13. Формирование 16-разрядной ШИМ
Таймер Timer1 имеет четыре значения предделителя: 1:1, 1:2, 1:4 и 1:8. Возможная формируемая частота рассчитывается по формуле:
F PWM = F OSC /(65536 x 4 x предделитель)Для микроконтроллера, работающего на частоте FOSC = 20 МГц, значения частот FPWM будут составлять 76,3 Гц, 38,1 Гц, 19,1 Гц и 9,5 Гц.
Пример 9. Последовательное измерение с помощью АЦП.
Триггер специального события в режиме сравнения (при совпадении значения Timer1 и регистра сравнения CCPRxL и CCPRxH) может формировать периодические прерывания и дополнительно автоматически запускать измерения АЦП. Покажем на примере, как организовать последовательный опрос АЦП в четко определенные моменты времени.
Рис. 14. Последовательное измерение напряжений
Пример. Микроконтроллер PIC16F684 работает от внутреннего генератора, сконфигурированного на работу с частотой 8 МГц. Нужно последовательно опрашивать каналы АЦП и измерять входное напряжение на выводах RA0, RA1 и RA2 через каждые 30 мс.
Таймер 1 переполняется через время TOSC x 65536 x 4 x предделитель. Для предделителя 1:1 таймер переполнится через 32,8 мс.
Значение регистра CCPR1 рассчитывается по формуле:
CCPR1 = время/(TOSC x 4 x предделитель) = 30 мс/ (125 нс x 4 x 1) = 6000 = 0хЕА60 . CCPR1L = 0x60, CCPR1H = 0xEA .Модуль ЕССР должен быть сконфигурирован в режим триггера специального события. Этот режим формирует прерывание при совпадении значения Timer1 и регистра сравнения CCPRxL и CCPRxH. Для этого режима CCP1CONТ = "b00001011". При возникновении прерывания таймер автоматически очистится и установит бит GO в регистре ADCON0 для запуска преобразования АЦП. Когда произойдет прерывание от модуля ECCP, нужно выбрать следующий вход АЦП с помощью регистра ADCON0.
Широтно-импульсная модуляция, рассматриваемая в следующих примерах, используется в разных задачах - от формирования звукового сигнала и управления яркостью светодиодов до управления скоростью вращения электромотора. Все эти задачи основываются на базовом принципе ШИМ-сигнала - чем больше скважность импульсов, тем больше среднее значение напряжения (рис. 15). Зависимость среднего напряжения от величины скважности является линейной:
V СР = скважность х V макс
Рис. 15. Зависимость среднего значения напряжения от скважности ШИМ
Модуль ССР в микроконтроллерах Microchip может формировать ШИМ-сигнал с 10-разрядной точностью на выводе CCPx-микроконтроллера. Расширенный модуль ЕССР может формировать ШИМ на одном из 4 выводов Р1A...P1D в следующих режимах:
В мостовом режиме управления доступны четыре варианта работы:
Пример 10. Выбор частоты ШИМ Частота ШИМ зависит от различных факторов. При увеличении частоты увеличиваются потери на переключение, емкость и индуктивность нагрузки влияет на изменение формы сигнала. Поэтому в микромощных устройствах следует выбирать минимально возможную частоту ШИМ, а в схемах с емкостной или индуктивной нагрузкой выбирать частоту исходя из анализа схемы.
ШИМ применяется для управления двигателями в импульсном режиме. По характеристикам двигателя необходимо подобрать значение частоты ШИМ, чтобы обеспечить оптимальные характеристики электропривода. При выборе задающей частоты важным критерием являются акустические шумы, создаваемые двигателем при работе. Коллекторные двигатели могут создавать звуковой шум на частотах от 20 Гц до 4 кГц. Для исключения этого нежелательного эффекта нужно выбирать частоту выше 4 кГц. На таких частотах акустического шума уже не будет, так как механические части имеют более низкие резонансные частоты.
ШИМ часто используется для изменения яркости световых приборов. Эффект мерцания может быть заметен на частотах ниже 50 Гц, поэтому на практике частота ШИМ выбирается около 100 Гц или выше.
Пример 11. Управление коллекторным двигателем постоянного тока с использованием модуля ССР
Скорость вращения двигателя пропорциональна скважности ШИМ на выводе контроллера CCP1 (рис. 16). Рассмотрим, как нужно сконфигурировать микроконтроллер PIC16F628 для формирования ШИМ с частотой 20 кГц и 50-процентной скважностью. Тактовая частота контроллера 20 МГц.
Рис. 16. Управление скоростью вращения коллекторного двигателя постоянного тока
Выбираем величину предделителя Таймера 2: F PWM = F OSC /((PR2 x 1) x 4 х предделитель) = 19531 Гц , при PR2 = 255 и предделитель = 1.
Полученная частота несколько ниже, чем 20 кГц, таким образом, величина предделителя подходит.
Вычисляем величину регистра периода PR2: PR2 = F OSC /(F PWM x 4 x prescaler) - 1 = 249
Вычисляем значение регистра скважности CCPR1L и CCPCON: CCPR1L:CCP1CON = = скважность G 0x3FF = 0x1FF CCPR1L = OxlFF " 2 = 0x7F, CCP1CON = 3
Пример 12.
Рис. 17. Реверсивное управление коллекторным двигателем постоянного тока с использованием модуля ЕССР
Модуль ЕССР имеет опции для управления коллекторными двигателями постоянного тока. На рис. 17 приведена схема подключения мостовой схемы управления двигателем. Выводы модуля ЕССР P1A...P1D могут работать в режиме управления мостовой схемой и задавать скорость и направление вращения. Для примера, изображенного на рис. 17, модуль ЕССР конфигурируется так: P1A, P1C активный уровень "1"; P1B, P1D активный уровень "1" (CCP1CON). Это сделано для того, чтобы MOSFET-драйверы (ТС428) открывали выходные ключи. В таблице указана связь между режимами работы двигателя и выходами ШИМ.
| Режим | Р1А | Р1В | Р1С | Р1D | CCP1CON |
|---|---|---|---|---|---|
| вперед | 1 | X | X | ШИМ | b01xx1100 |
| назад | X | ШИМ | 1 | X | b11xx1100 |
| инерция | X | X | X | X | не важно |
| торможение | X | 1 | 1 | X | не важно |
Пример 13. Управление шаговым двигателем в режиме микрошага
Шаговые двигатели занимают уникальную нишу среди всего многообразия применений двигателей. Шаговые двигатели используются в системах измерения (в качестве индикаторов параметров) и в системах управления позиционированием исполнительных механизмов. Часто возникает необходимость управлять шаговым двигателем в режиме микрошага. Применение микроконтроллера дает много преимуществ: возможность управлять скоростью движения вала, то есть варьировать ускорением и торможением, точно позиционировать объект управления. Микроконтроллер PIC16F648 идеально подходит для большинства таких задач управления шаговым двигателем. Этот дешевый 14-вы-водной контроллер имеет 2К слов Flash-памяти программ, восемь каналов 10-разрядного АЦП, два аналоговых компаратора и модуль ECCP. Таким образом, используя только периферию контроллера, можно управлять шаговым двигателем с помощью специализированного модуля ШИМ - ECCP и реализовать защиту по току с помощью встроенного компаратора.
Подробное описание алгоритма управления шаговым двигателем и пример программы опубликованы на сайте Microchip в документе AN906 "Stepper Motor Control Using the PIC16F684".
Пример 14. Формирование аналогового сигнала
Рис. 18. Формирование аналогового сигнала с помощью ШИМ и ФНЧ
Выход ШИМ может применяться для цифро-аналогового преобразования с помощью нескольких внешних элементов. Преобразование ШИМ-сигнала в аналоговый осуществляется на основе фильтра ФНЧ (рис. 18). Для исключения появления в выходном сигнале нежелательных гармоник необходимо, чтобы частота модуляции (F PWM) была намного выше, чем частота выходного сигнала (F BW):
F PWM =К x F BW ,причем, чем больше значение К, тем меньше гармоник.
Для расчета фильтра применяется следующая формула:
RC=1/(2πF BW)Выбрав значение емкости С, вычисляют значение резистора R. Подавление частоты ШИМ в выходном сигнале определяется выражением:
-10 x log (дБ)Если подавление недостаточное, то увеличивают коэффициент К, увеличивая тем самым частоту модуляции. Подробное описание примера реализации есть в документе AN538 "Using PWM to Generate Analog Output in PIC17C42" на сайте Microchip.
Пример 15. Повышающий преобразователь напряжения
Рис. 19. Повышающий преобразователь
Широтно-импульсная модуляция используется в преобразователях напряжения, например в повышающих схемах (рис. 19). Работу схемы можно разделить на две фазы. В первой фазе, когда на выходе ШИМ активный единичный уровень, происходит накопление энергии в катушке L1 путем подключения ее вывода на "землю" транзистором Т1. Во второй фазе на выходе ШИМ нулевой уровень, который запирает транзистор. Ток из катушки течет через диод D1 на конденсатор накопления С2 и на нагрузку. При этом напряжение на нагрузке получается выше напряжения питания. Расчет необходимых характеристик схемы производится по формулам:
U вых /U вх =1/(1-D) ,где D - скважность импульсов ШИМ.
Выбор значения индуктивности производится на основе максимального выходного тока:
L = U вх (1-D)DT/2I вых ,где Т - период ШИМ.
При расчете максимальная скважность D принимается не более 75%, а частота ШИМ - 10...100 кГц. Также необходимо рассчитать пульсации тока:
I пульс = U вх DTЕсли ток пульсаций превышает значение тока насыщения индуктивности, то необходимо выбрать более высокое значение индуктивности.
кважность ШИМ вычисляется контроллером по закону ПИД, что позволяет поддерживать выходное напряжение при изменении нагрузки. Более подробно данный метод описан в примере AN258 "Low Cost USB Microcontroller Programmer" на сайте Microchip.
Пример 16. Управление яркостью светодиодов
Для изменения яркости светодиодов можно использовать ШИМ. Для этого на выход ССР подключается светодиод через резистор, ограничивающий максимальный ток. Изменяя скважность импульсов с помощью регистра CCPRxL в широких пределах (00...FF), можно менять яркость свечения. Необходимо отметить, что частота ШИМ должна быть не менее 100 Гц для устранения мерцания.
Пример 17. Протокол передачи данных Х-10. Синтез несущей частоты
Для передачи информации по электросетям, например, передачи данных внутри квартиры по силовой проводке 220 В, часто используется протокол Х-10. На основную частоту (50/60 Гц) накладывается модулированный сигнал более высокой частоты (120 кГц). Для получения такой частоты в контроллере можно применять модуль ССР в режиме ШИМ. На рис. 6 показана реализация передатчика.
В соответствии со спецификацией Х-10 частота 120 кГц должна иметь отклонения не более 2 кГц. Получение точного значения частоты в модуле ССР обусловлено примением системного кварца частотой 7,68 МГц. Подключение несущей частоты осуществляется в момент перехода сетевого напряжения через ноль.
В примере AN236 "X-10 Home Automation Using the PIC16F877A" можно найти более детальное описание протокола и исходные коды программ.
Рис. 20. Схема передачи сообщений по силовой сети 220 В по протоколу Х-10
Модуль ССР (ЕССР) в контроллерах Microchip может программироваться "на лету", за счет чего эти модули могут выполнять различные функции в одном и том же устройстве в зависимости от алгоритма работы. Рассмотрим возможности гибкого изменения функций на конкретных примерах.
Пример 18. Автоопределение скорости передачи RS-232
Интерфейс связи RS-232 имеет различные скорости передачи. Возможность устройства определять скорость связи и автоматически настраивать приемник и передатчик требует наличие в программе устройства соответствующих процедур.
Во многих новых контроллерах Microchip существует аппаратный модуль EUSART с возможностью автоматического определения скорости приема данных и подстройки скорости передачи, возможностью работы в режиме SLEEP и другими функциями, необходимыми для реализации таких протоколов, как LIN.
Рис. 21. Калибровочный символ для автоопределения скорости передачи RS-232
В тех контроллерах, где нет аппаратного модуля USART, модуль ССР можно использовать в режиме захвата для автоматического определения скорости связи и затем перенастроить в режим сравнения для формирования или приема данных через RS-232. Для работы алгоритма автоопределения скорости необходим калибровочный байт, с которого начинается передача данных от одного устройства к другому. Один из возможных калибровочных символов изображен на рис. 21. Известные временные параметры калибровочного символа позволяют принимающему устройству определить и настроить скорость передачи интерфейса RS-232.
Алгоритм определения скорости передачи по калибровочному символу:
Примеры программ для организации приема и передачи информации по последовательному каналу, а также процедуры автоопределения скорости передачи есть в AN712 "RS-232 Autobaud for the PIC16C5X Devices".
Пример 19. АЦП двойного интегрирования
Модуль ССР позволяет построить АЦП двойного интегрирования на основе внешнего интегратора. На рис. 8 представлена схема такого устройства. Интегрирование входного сигнала U вх осуществляется за фиксированный промежуток времени Т1. Затем на вход интегратора подается U оп и измеряется время, за которое на выходе интегратора появится нулевой уровень. По временам Т1 и Т2, а также по U оп можно вычислить U вх.
Рис. 22. АЦП двойного интегрирования с применением модуля ССР
Для задания времени Т1 нужно использовать режим сравнения модуля ССР, а для определения Т2 - режим захвата. Кратко алгоритм можно представить так:
Благодаря большому разнообразию контроллеров Microchip и их программной и аппаратной совместимости все описанные примеры могут быть легко перенесены на тот или иной контроллер в зависимости от требований разрабатываемой системы. Компания Microchip постоянно расширяет номенклатуру контроллеров как в сторону уменьшения числа выводов и увеличения периферийных устройств, так и в сторону мощных контроллеров с большим объемом памяти и с максимально возможной периферией.
Дата публикации: 01.09.2004
Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.
Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.
Область применения ШИМ не ограничивается импульсными источниками питания, стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.
Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.
Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:
Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).
Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.
ШИМ-контроллеры для большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.
При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу - некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.
Чтобы ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже - с вариантами их устранения.
Одна из часто встречающихся проблем - пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.
Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:
Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.
Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.
ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция, по-английски pulse-width modulation) – это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой, цифровой, двоичной и троичной.
Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД электрических преобразователей, особенно это касается импульсных преобразователей, составляющих сегодня основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. Обратноходовые и прямоходовые однотактные, двухтактные и полумостовые, а также мостовые импульсные преобразователи управляются сегодня с участием ШИМ, касается это и резонансных преобразователей.
Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать яркость подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. ШИМ реализована в , в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство сегодня использует при своей работе ШИМ.
В качестве коммутационных элементов, в современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме. Это значит, что часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода - полностью закрыт.
И так как в переходных состояниях, длящихся лишь десятки наносекунд, выделяемая на ключе мощность мала, по сравнению с коммутируемой мощностью, то средняя мощность, выделяемая в виде тепла на ключе, в итоге оказывается незначительной. При этом в замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение на нем напряжения приближается к нулю.
В разомкнутом же состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Это позволяет создавать компактные преобразователи с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) позволяют свести эти потери к минимуму.
В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий - модулирующий непрерывный сигнал.
Выходные импульсы получаются , частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала - на выходе будет отрицательная часть импульса.
Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал - на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное - когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ - микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.
Цифровая ШИМ используются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика.
Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.
Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.
Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации - это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.
Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.
При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.
Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.
Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.
Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, и т. д.
Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Duty cycle, или сокращенно DC.
Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.
