PWM гэж юу вэ?

PWM нь импульсийн өргөн модуляцийг илэрхийлдэг. Та хүчдэлийг тогтмол давтамжтайгаар асааж унтрааж, дундаж цахилгаан дамжуулалтыг хянахын тулд -асаах, унтраах- цагийн харьцааг өөрчилдөг. Ингээд л болоо. Үлдсэн хэсэг нь зөвхөн үр дагаврыг нь шийдэж байна.

3V шаардлагатай LED-ийг жолоодох 12V тэжээлийг аваарай. Ер нь та резистор эсвэл шугаман зохицуулагчийг ашиглаж, 9V-г халааж унтраадаг. Тэнэг хог хаягдал. PWM-ийн тусламжтайгаар та 12V-ыг бүрэн асааж унтраадаг бөгөөд LED-ийн дулааны масс нь дунджаар 3V-тэй тэнцэх хэмжээний . 25%-ийн ажлын мөчлөгийг өгдөг. LED нь 12V → 0V → 12V → 0V-ийг 1кГц давтамжтайгаар хардаг боловч хурдан хөргөж, халааж чадахгүй тул гэрэлтэлт нь тогтмол хэвээр байна.

Давтамж чухал. Хэт удаан (100 Гц-ээс бага) бөгөөд та харагдахуйц анивчих болно. Зарим хүмүүс 200 Гц хүртэл анивчихыг хардаг. Аюулгүй байдлын үүднээс би ихэвчлэн LED бүдэгрүүлэгчийг{6}}20 кГц давтамжтайгаар ажиллуулдаг бөгөөд хэрэв механик холболт байгаа бол түүнийг дуут дохионы хүрээнээс хол байлгадаг. Шилжүүлэлтийн хурд нь алдагдалд бас нөлөөлдөг, гэхдээ бид үүнд хүрэх болно.

Математик: хэрэв таны сарын тэмдэг T, асах хугацаа -хэрэв t бол ажлын мөчлөг D=t/T байна. Энгийн. Хүргэлтийн эрчим хүч ойролцоогоор D × V_ нийлүүлэлт × I_ачаалал, алдагдал хасагдсан. Эдгээр алдагдал нь бүх зүйл сонирхолтой болдог.

Эхний шалтгаан: үр ашиг. Боломжит гүйдлийн үед MOSFET-ийн ханасан байдал 0.1-0.2V буурдаг. MOSFET унтраалт нь микроампер татдаг. Тэгэхээр та (0.1V × гүйдэл) сарниж байна, эсвэл үндсэндээ юу ч биш. Үүнийг бүрэн гүйдлээр тасралтгүй 9 В-ыг бууруулдаг шугаман зохицуулагчтай харьцуул. Батерейны ашиглалтын зөрүү нь зарим тохиолдолд 40-50x байдаг нь хэтрүүлсэн биш юм.

Хоёрдугаарт: та хямд цахилгаан хангамж ашиглаж болно. 48V моторыг хувьсах хурдаар жолоодох шаардлагатай юу? Аналог удирдлагатай бол танд үнэтэй хувьсах 0-48V хангамж хэрэгтэй. PWM-ийн тусламжтайгаар та тогтмол 48V тэжээл (хямд) ба MOSFET (мөн хямд) ашигладаг. Дууслаа.

Гурав дахь шалтгаан нь хэн ч ярьдаггүй: худалдан авалт. Эзлэхүүн дэх сайн хувьсах аналог хангамжийг хайж үзээрэй. Тохиромжтой үйлдвэрлэгчдээс нийлүүлэх хугацаа хамгийн багадаа 26 долоо хоног байна. MOSFET? Digikey-д бүх зүйл бэлэн байна. Үйлдвэрлэл чам руу хашгирч байх үед энэ нь Монголбанкны зардлаас илүү чухал юм.

PWM

EMI таныг хуурах болно. Би анх удаа өндөр{1}}гүйдлийн PWM самбар (Тогтмол гүйдлийн моторын хувьд 120А) хийсэн бөгөөд энэ нь нэг машин дээрх CAN автобусыг устгасан. Гэмтээгүй пакетууд-бүрэн үхсэн. Миний хаалганы хөтчийн дуугарах нь явах эд ангиудын хөрсөнд холбогдож, CAN дифференциал хос дээр 40 В-ын гүйдэл үүсгэсэн. Феррит бөмбөлгүүдийг нэмж, талбайг нүүлгэсэн ч асуудалтай хэвээр байна. Эцэст нь моторын тэжээл дээр pi шүүлтүүр нэмж, нэг цэгийн холболтоор газрын хавтгайг тусгаарлах шаардлагатай болсон. Гурван самбарын эргэлт авсан.

Хаалганы хөтөч нь харагдахаас илүү хэцүү юм. Та драйвераасаа MOSFET хаалга руу бага эсэргүүцэлтэй байх шаардлагатай-өндөр ди/дт-д индукцийн асуудлыг хянах. Би 10нН ул мөр индукц нь сэлгэн залгах үед 50V хүчдэлийн огцом өсөлтийг үүсгэдэг болохыг харсан (V=L × ди/дт). Энэ нь 60 В-ын үнэлгээтэй MOSFET-ийг нэвтрүүлэхэд хангалттай юм. Хүмүүс математикийн талаар маргаж байгаа ч би үүнийг хамрах хүрээнээс харсан: 3А/н гүйдлийг 10nH-д шилжүүлэх нь танд 30V-ийн огцом өсөлтийг өгдөг. Нийлүүлэлтийн хүчдэлийг нэмбэл үнэмлэхүй дээд хэмжээнээс хэтэрсэн байна.

Дараа нь H-гүүрээр-буудлага хийнэ. Та доод талын -FET-ийг унтрааж, өндөр- талд (эсрэгээр) эргүүлэх хооронд тодорхой хугацаа байх ёстой. Тэг зогсолтгүй хугацаа гэдэг нь хоёр FET нь нэгэн зэрэг -FET сувгийн эсэргүүцлээр дамжуулан нийлүүлэлтээс газар руу шууд богино ажилладаг. 50А-аас 0.01Ω хоёр дахин их байх нь юмс тэсрэхээс өмнөх микросекундэд 1000А хэвээр байна. Гэмтлийн горим нь гайхалтай юм: цахиур дахь жижиг тогоо, FET нь байнга богиносдог, гинжин хэлхээний бусад бүх зүйлийг устгадаг.

Гэхдээ хэт их үхлийн хугацаа, биеийн диод үхсэн хугацаанд дамжуулдаг. Биеийн диодууд нь аймшигтай{1}}өндөр уналт (1-2V), сэргэлт удаан. Та үр ашгаа алдаж, илүү их дулаан үүсгэдэг. Худалдан авах хугацаа нь таны FET-ийн шилжих шинж чанараас хамааран ихэвчлэн 100-500 ns хугацаатай байдаг.

Хүн бүрийн анхны зөн совин: өндөр давтамж=жижиг индуктор/конденсатор=хямд. Заримдаа үнэн. Гэвч сэлгэн залгах алдагдал давтамж нэмэгдэх тусам нэмэгддэг-та FET шилжих бүрт эрчим хүч алдаж байна. ESwitching ≈ 0.5 × Vsupply × Iload × (trise + tfall) × fsw. Давтамжийг хоёр дахин, шилжүүлэлтийн алдагдлыг хоёр дахин нэмэгдүүлнэ.

Мотор хөтчийн хувьд 20 кГц давтамж түгээмэл байдаг. Дуут сонсогдохоос дээш механик цагийн тогтмолууд хамаагүй. Гэхдээ зөөврийн компьютерын тэжээлийн хангамжид та 300кГц-1МГц-ийг харж байна. Яагаад? Жижиг соронзон. 1МГц-ийн ороомог нь ижил индукцтэй 20кГц-ийн 1/50-ийн хэмжээтэй байна. Энэ нь зөөврийн төхөөрөмжүүдийн хувьд маш том юм. Танд илүү хурдан FET (доод Qg), илүү сайн зохион байгуулалт, илүү болгоомжтой драйвер дизайн хэрэгтэй.

Аудио (D ангиллын өсгөгч) нь 250кГц-1МГц давтамжтай ажилладаг. 200 кГц-ээс доош давтамжтай үед та зөөгч давтамжийг өндөр-нэг чанга гаслах мэт сонсож болно. 1МГц-ээс дээш давтамжтай үед та AM радио хөндлөнгийн оролцоотой тэмцэж эхэлнэ. Ихэнх загварууд нь 400-500 кГц давтамжтай, бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр нь 50 кГц давтамжтайгаар зөөвөрлөгчийг арилгах боломжтой байдаг.

Бодит жишээ: нэг удаа 500 кГц бак хөрвүүлэгч хийж, самбарыг багасгахын тулд 1 МГц руу орохыг оролдсон. Үр ашиг нь 4% (88% болж 84%) буурсан. Энэ нь 200 Вт тэжээлд 8 Вт нэмэлт дулаан юм. Илүү том халаагуур хэрэгтэй байсан тул жижиг индуктороос зай хэмнэх бүх боломжоо алдсан. 500 кГц давтамжтай байсан.

PWM

8{7}}бит PWM (256 алхам) нь LED-ийг 100% -аас 0% хүртэл жигд бүдгэрүүлэхийг оролдох хүртэл сайн сонсогдож байна. Ажлын мөчлөгийн 10% -иас доош бол та тод байдлын харагдахуйц алхамуудыг авах болно. Хүний нүд нь логарифм шинж чанартай - гэрлийн бага түвшинд өөрчлөлтөд илүү мэдрэмтгий байдаг. Бүтэн хязгаарт жигд бүдгэрүүлэхийн тулд хамгийн багадаа 12 бит (4096 алхам) шаардлагатай.

Гэхдээ энд анхаарах зүйл байна: 20 кГц-ийн 12 бит нь танд 20 кГц × 4096=81.92 МГц таймер цаг хэрэгтэй гэсэн үг юм. Бүх микронууд үүнийг хийж чадахгүй. Хэрэв танд 12 битийн олон бие даасан PWM суваг хэрэгтэй бол та зориулалтын таймерын нэмэлт төхөөрөмж эсвэл FPGA-г хайж байна.

Товч шийдэл: 8{6}}битийн PWM ашиглах боловч давтамжийг динамикаар тохируулна уу. Өндөр гэрэлтэй үед 20 кГц, бага гэрэлтэй үед 100 Гц хүртэл буурдаг. Танд хэрэгтэй газарт илүү нарийн алхмуудыг өгнө. Харин одоо танд хувьсах давтамжийн EMI байна. Үнэгүй зүйл байхгүй.

Аж үйлдвэрийн VFD (хувьсах давтамжийн хөтчүүд) нь 480VAC дээр хэдэн зуун амперийг шилжүүлдэг. Хяналтын стратеги нь илүү төвөгтэй-сансрын векторын модуляц, талбарт чиглэсэн-хяналт, юу ч байсан-гэхдээ үүний доор PWM нь гурван фазын гүүрээр зургаан IGBT-г шилжүүлдэг хэвээр байна.

Энэ масштабын ялгаа:

Хаалганы жолооч нарт 15 В-ын тусгаарлагдсан хангамж хэрэгтэй. Энэ нь 680VDC (зассан 480VAC) хүртэл өөр өөр потенциалаар хөвж буй 6 тусгаарлагдсан хангамж юм. Драйвер бүр өөрийн хүч чадал, өөрийн хаалганы эсэргүүцэл (ердийн 0.5-2Ω), өөрийн хэт гүйдлийн хамгаалалт хэрэгтэй.

IGBT нь MOSFET-ээс удаан байдаг тул дуусах хугацаа 2-5μs хүртэл нэмэгддэг

Моторын кабелийн багтаамж болон хурдан шилжих ирмэгүүд нь асар их нийтлэг{0}} горимын гүйдлийг үүсгэдэг учир гаралт дээрх dv/dt шүүлтүүрүүд. Би моторын гүйдлээс бүрэн тусдаа 5HP моторын кабель дээр нийтлэг{3}}20А гүйдлийг хэмжсэн. Ийм учраас танд хамгаалалттай кабель, зөв газардуулга хэрэгтэй.

Дулааны: 50кВт-д 2%-ийн алдагдал ч гэсэн 1кВт дулаан байна. Урсгалын унтраалга ба температурын түгжээтэй ус хөргөх. Хэрэв хөргөлтийн шингэний урсгал босго хэмжээнээс доогуур байвал хянагч шууд гаралтыг идэвхгүй болгоно. Хэн нэгэн хөргөлтийн түвшинг шалгахаа мартсан тул системүүд шатаж байна.

Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн сонголт нь хачирхалтай болдог. Тасралтгүй 100А-д зориулагдсан IGBT нь зөвхөн 80А-г 50 градусын орчинд, 60А-г 70 градуст зохицуулж чадна. Гэхдээ том мотор асаахад хэдэн секундын турш 6x нэрлэсэн гүйдэл татдаг. Тиймээс та тогтвортой-байдлыг биш оргилд нь тохируулаад дараа нь температурын хувьд бууруулна. Төгсгөлд нь "100А" програмын хувьд 300А IGBT-тэй болно. Монголбанкны зардал нь худалдан авалтыг маш их таагүй болгодог.

STM32 таймер: дийлэнх нь 16 битийн PWM-тэй, зарим загвар нь 32 битийн горимд шилждэг боловч танд ховор хэрэг болно. Илүү чухал зүйл бол харьцуулах суваг, нэмэлт гаралтын тоо юм. F4 цуврал дээрх TIM1 ба TIM8 нь нэмэлт гаралттай, програмчлагдах хугацаатай харьцуулах дөрвөн сувагтай. Хөдөлгүүрийг удирдахад тохиромжтой.

Асуудал: нэг таймер дээрх бүх PWM сувгууд нэг тоолууртай синхрончлогдсон. Хэрэв танд бие даасан давтамж хэрэгтэй бол тусдаа таймер хэрэгтэй. Мөн дэвшилтэт функцтэй маш олон таймер байдаг. STM32F4 дээр та TIM1, TIM8-г сайжруулж удирдах боломжтой. Үндсэн PWM-д зориулсан TIM2-5. TIM9-14 нь үхэх хугацаагүйгээр 16 бит юм. Хэрэв програмд олон тусгаарлагдсан PWM дохио шаардлагатай бол та хурдан дуусна.

Цаг хэмжигч сувгууд нь дуусч, программ хангамж дээр PWM-г-зохидог байсныг харсан. Аймшигтай санаа. Jitter, CPU-ийн ачаалал, бусад нь галыг тасалдуулах үед тэргүүлэх урвуу. Илүү олон таймертай микро машинд 2 доллар төлж эсвэл гадны PWM IC (PCA9685 гэх мэт) ашигла. Таны ирээдүйн хүн танд талархах болно.

ESP32 нь LED PWM захын төхөөрөмжийг ашигладаг 16 PWM сувагтай. Тэд бүгд нэг 80MHz APB цагнаас гаралтай бөгөөд хуваагчдыг бүлгээрээ хуваалцсанаас бусад нь гайхалтай сонсогдож байна. Өөр өөр давтамж хүсч байна уу? Эдгээр нь бүхэл тооны харьцаа гэж найдаж байна. Мөн ижил үндсэн цагийг ашиглаж байгаа тул давтамж нэмэгдэх тусам нягтрал багасдаг. 20кГц-т та 12-бит, 40кГц-т та 11-бит хүртэл буурдаг гэх мэт. Өгөгдлийн хүснэгт үүнийг тодорхой болгохгүй байна.

Spread{0}}спектр PWM: тогтмол давтамжийн оронд та үүнийг санамсаргүй байдлаар ±10% өөрчилдөг. EMI-ийг илүү өргөн давтамжийн мужид тарааж, хамгийн их ялгаруулалтыг бууруулдаг. FCC/CE тестийг аль болох олон шүүлтүүрийн төхөөрөмжгүйгээр давахад тусалдаг. Ихэнх орчин үеийн SMPS чипүүд үүнийг суулгасан байдаг. Cypress PSoC нь танд -хөрөө, гурвалжин, псевдо{7}}санамсаргүй догдолж буй хэв маягийг удирдах боломжийг олгодог.

Interleaved PWM: олон хөрвүүлэгчийг фазаас гадуур ажиллуул. 180 градусын фазын шилжилтийн хоёр хувиргагч нь оролтын конденсатор долгионы гүйдлийн хагасыг хардаг гэсэн үг юм. Дөрвөн хөрвүүлэгч 90 градусын фазын шилжилт- долгионыг дөрөвний нэгээр нь хуваана. Харин одоо танд сувгууд хоорондын фазын нарийн синхрончлол ба ачааллын тэнцвэржүүлэлт хэрэгтэй бөгөөд ингэснээр тэд гүйдлийг тэнцүү хуваарилдаг. Таны микро хангалттай нөөц байхгүй л бол ихэвчлэн тусгай хянагч IC хэрэгтэй.

GaN FET нь 10 ns-ээс бага хугацаанд шилжих боломжтой. 10MHz+ PWM давтамжийг нээдэг-индукторууд нь бараг л ПХБ-ийн ул мөр болж өчүүхэн болдог. Гэхдээ: самбарын зохион байгуулалт нь маш чухал, хаалганы хөтчийг нухацтай авч үзэх шаардлагатай, аливаа индукц нь хэт их ачаалал үүсгэдэг. Эхлэгчдэд зориулаагүй. Хэн нэгэн нь 5 см урттай стандарт хаалганы драйвер ашигласан тул 2x VDD хүртэл GaN загварын бөгжийг харлаа. FET амьд үлдсэнгүй.

PWM

Ихэнх зүйлсийн хувьд: 20кГц, техник хангамжийн таймер PWM, 10-битийн нягтрал. Хөдөлгүүрийг хянах, LED бүдэгрүүлэхэд хангалттай. Хаалганы драйвер IC (хамгийн багадаа 2А оргил гүйдэл), FET ус зайлуулах хоолойд бага ESR-тай керамик таг, өөхний гадаргууг нэмнэ. Эхний прототип дээр шилжих долгионы хэлбэрийг хамрах хүрээгээр шалгаад нэг удаа давтана.

10А-аас дээш тасралтгүй, дулааны симуляци хийхээс өмнө. Би ANSYS ашигладаг, гэхдээ энгийн FEA ч гэсэн ихэнх асуудлыг шийддэг. Алдагдалтай зэсийн давхаргыг дулааны эх үүсвэр болгон экспортлох, хилийн нөхцөлийг тогтоох, хамгийн их орчинд 125 градусын уулзварын температурт хүрэх эсэхийг шалгана уу. Хэрэв та 50 Вт-аас дээш хүчдэлийг сольж байгаа бол ихэвчлэн халаагч эсвэл албадан агаар хэрэгтэй.

Мөн температурт туршина. Өрөөний температурын туршилт нь асуудлын 60% -ийг илрүүлдэг. Хүрээлэн буй орчны 70 хэмд 8 цагийн турш халуун-хайрцаг нь үлдсэн-дулааны гүйлт, хаалганы босго шилжилт, конденсаторын ESR өсөлтийг олдог. Дизайн нь 25 градусын температурт сайн ажиллаж байсан ч би босго хүчдэлийн температурын коэффициентийг тооцоогүй тул FET нь 65 градуст түгжигдсэн үед надад долоо хоногт нэг удаа зардал гарсан.

Энэ бол PWM юм. Энгийн үзэл баримтлал, төгсгөлгүй дэлгэрэнгүй мэдээлэл.

Сүүлчийн зүйл: хэрэв та батарейгаар ажилладаг{0}}хөдөлгүүртэй PWM зүйл хийж байгаа бол эсийг хямд зардлаар бүү хий. Зарим нэргүй литийн багцуудыг нэг удаа оролдсон ч долгионы гүйдлийг даван туулж чадсангүй, ачааллын дор хүчдэл буурч, систем бүхэлдээ унтарсан. Зөв рүү шилжсэнион лити батерейзохих C{0}}үнэлгээтэй модулиудад асуудал арилсан. Нэг багцын нэмэлт 15 доллар намайг долоо хоногт гурван удаа тусламжийн дуудлагаас аварсан.