Pwm là gì? cách điều chế độ rộng xung

      37

Biến tần, Bộ chuyển đổi, mạch SMPS và Bộ điều khiển tốc độ,... đều có điểm chung là nó bao gồm rất nhiều công tắc điện tử ở bên trong. Các công tắc này là các thiết bị điện tử công suất như MOSFET, IGBT, TRIAC, v.v... Để điều khiển các công tắc điện tử công suất như vậy, chúng ta thường sử dụng một thứ gọi là tín hiệu PWM (Điều chế độ rộng xung). Ngoài ra, tín hiệu PWM cũng được sử dụng để điều khiển động cơ Servo và cũng cho các nhiệm vụ đơn giản khác như điều khiển độ sáng của đèn LED. Trong bài này, mời bạn cùng Uniduc tìm hiểu xem PWM là gì, cách điều chế độ rộng xung và một số thông số liên quan đến nó để có thể sử dụng chúng trong các thiết kế của mình.

Bạn đang xem: Pwm là gì? cách điều chế độ rộng xung

*

I. PWM là gì?

PWM là một loại tín hiệu có thể được tạo ra từ một vi mạch kỹ thuật số như vi điều khiển hoặc bộ định thời 555. Do đó, tín hiệu được tạo ra sẽ có một nhóm các xung và các xung này sẽ ở dạng một sóng vuông. Có nghĩa là, tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào, sóng sẽ cao hoặc sẽ thấp. Để dễ hiểu, chúng ta hãy xem xét tín hiệu 5V PWM, trong trường hợp này tín hiệu PWM sẽ là 5V (cao) hoặc ở mức mặt đất 0V (thấp). Khoảng thời gian mà tín hiệu duy trì ở mức cao được gọi là “đúng giờ” và khoảng thời gian tín hiệu duy trì ở mức thấp được gọi là “thời gian tắt”.

Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển dòng điện tiện lợi cho phép bạn kiểm soát tốc độ của động cơ, sản lượng nhiệt của máy sưởi và hơn thế nữa theo cách tiết kiệm năng lượng (và thường là êm hơn). Các ứng dụng hiện có cho PWM bao gồm, nhưng không giới hạn:

Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC.Mạch truyền động động cơ xe hybrid và điện.

Điều biến độ rộng xung đã thay đổi thế giới bằng cách cắt giảm mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị sử dụng động cơ như máy điều hòa không khí biến tần, tủ lạnh biến tần, máy giặt biến tần, trong số nhiều thiết bị khác. Ví dụ, máy điều hòa không khí biến tần có thể tiêu thụ ít hơn một nửa năng lượng so với máy điều hòa không khí biến tần trong một số trường hợp.

Trong thời đại ngày nay, nếu một thiết bị được quảng cáo là có máy nén tốc độ thay đổi hoặc quạt tốc độ thay đổi (điều này không bao gồm hai hoặc ba tốc độ quạt), thì có khả năng đáng kể là nó đang sử dụng PWM.

II. PWM hoạt động như thế nào?

PWM hoạt động bằng cách tạo xung dòng điện một chiều và thay đổi khoảng thời gian mà mỗi xung ở trạng thái “bật” để kiểm soát lượng dòng điện chạy đến một thiết bị chẳng hạn như đèn LED. PWM là kỹ thuật số, có nghĩa là nó có hai trạng thái: bật và tắt (tương ứng với 1 và 0 trong ngữ cảnh nhị phân, sẽ trở nên phù hợp hơn với bạn nếu sử dụng bộ vi điều khiển).

Mỗi xung được bật càng lâu, đèn LED sẽ càng sáng. Do khoảng thời gian giữa các xung quá ngắn nên đèn LED không thực sự tắt. Nói cách khác, nguồn điện của đèn LED bật và tắt quá nhanh (hàng nghìn lần mỗi giây) đến mức đèn LED thực sự vẫn sáng mà không nhấp nháy. Điều này được gọi là làm mờ PWM, và mạch như vậy chỉ được gọi là mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM.

Nếu chu kỳ làm việc của bộ nguồn PWM được đặt thành 70%, thì xung sẽ bật trong 70% thời gian và nó tắt 30% thời gian. Chu kỳ nhiệm vụ đề cập đến lượng thời gian nó được bật. Ở chu kỳ hoạt động 70%, độ sáng của đèn LED phải gần 70%. Mối tương quan giữa chu kỳ nhiệm vụ và độ sáng không phải là tuyến tính 100%, vì hiệu suất của đèn LED thay đổi theo lượng dòng điện được cung cấp.

Nếu chu kỳ nhiệm vụ là 0%, toàn bộ tín hiệu sẽ bằng phẳng. Chu kỳ nhiệm vụ PWM là 0% có nghĩa là nguồn bị tắt. Trong trạng thái như vậy, đèn LED sẽ không hoạt động.

Lý do chính khiến các mạch PWM rất hiệu quả là chúng không cố gắng hạn chế một phần dòng điện sử dụng điện trở mà chúng bật và tắt hoàn toàn dòng điện.

Top 10 nồi chiên không dầu tốt nhất hiện nay
Top máy lọc nước tại vòi tốt nhất 2021Top 11 máy massage chân tốt nhất hiện nay

III. Chu kỳ nhiệm vụ và tần số PWM.

Đối với một tín hiệu PWM, chúng ta cần xem xét hai tham số quan trọng liên quan đến nó, một là chu kỳ nhiệm vụ PWM và một là tần số PWM.

1. Chu kỳ nhiệm vụ.

Như đã nói trước đó, tín hiệu PWM vẫn bật trong một thời gian cụ thể và sau đó tắt trong khoảng thời gian còn lại. Điều làm cho tín hiệu PWM này trở nên đặc biệt và hữu ích hơn là chúng ta có thể đặt thời gian hoạt động của nó bằng cách kiểm soát chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM.

Phần trăm thời gian mà tín hiệu PWM vẫn ở mức CAO (đúng giờ) được gọi là chu kỳ nhiệm vụ. Nếu tín hiệu luôn BẬT, nó đang ở trong chu kỳ làm việc 100% và nếu nó luôn tắt thì đó là chu kỳ làm việc 0%. Các công thức để tính toán chu kỳ nhiệm vụ được hiển thị bên dưới.

*

Hình ảnh sau đây đại diện cho tín hiệu PWM với chu kỳ nhiệm vụ 50%. Như bạn có thể thấy, nếu xét trong toàn bộ khoảng thời gian (đúng giờ + thời gian tắt), tín hiệu PWM chỉ bật trong 50% khoảng thời gian.

*

Bằng cách kiểm soát chu kỳ Nhiệm vụ từ 0% đến 100%, chúng ta có thể kiểm soát “đúng thời gian” của tín hiệu PWM và do đó độ rộng của tín hiệu. Vì chúng ta có thể điều chỉnh độ rộng của xung, nó có tên mang tính biểu tượng là “Điều chế độ rộng xung”.

2. Tần số của một PWM.

Tần số của tín hiệu PWM xác định tốc độ PWM hoàn thành một giai đoạn. Một khoảng thời gian là thời gian BẬT và TẮT hoàn toàn của tín hiệu PWM như thể hiện trong hình trên. Các công thức để tính Tần số được đưa ra dưới đây.

*

Thông thường tín hiệu PWM do vi điều khiển tạo ra sẽ ở khoảng 500 Hz, tần số cao như vậy sẽ được sử dụng trong các thiết bị chuyển mạch tốc độ cao như bộ nghịch lưu hoặc bộ chuyển đổi. Nhưng không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu tần suất cao. Ví dụ để điều khiển một động cơ servo, chúng ta cần tạo ra tín hiệu PWM với tần số 50Hz, vì vậy tần số của tín hiệu PWM cũng có thể được điều khiển bằng chương trình cho tất cả các vi điều khiển.

IV. Tại sao chúng ta cần có Điều chế độ rộng xung?

Để hiểu sự cần thiết của điều chế độ rộng xung, chúng ta phải biết sự khác biệt giữa tín hiệu xung và tín hiệu liên tục là gì.

*

Trong hình trên, một tín hiệu DC liên tục và một tín hiệu DC xung được thể hiện. Cả hai tín hiệu đều có cùng giá trị đỉnh là 12V. Tín hiệu xung có chu kỳ làm việc 50%. Bây giờ nếu chúng ta kết nối một tải với nguồn DC liên tục thì tải sẽ nhận được đầy đủ 12V, nhưng nếu chúng ta kết nối tải đó với nguồn DC xung thì tải sẽ chỉ nhận được 6V. Vì giá trị trung bình của xung DC chỉ là 6V ở chu kỳ làm việc 50%.

Bây giờ nếu chúng ta giảm chu kỳ nhiệm vụ xuống 25% thì giá trị trung bình của xung sẽ là 3V. Vì vậy, rõ ràng là giá trị trung bình của tín hiệu xung phụ thuộc vào chu kỳ hoạt động.

PWM thay đổi tốc độ của động cơ của thiết bị để chúng chỉ tiêu thụ nhiều điện năng cần thiết mà không gây ra hậu quả thông thường là đốt cháy dòng điện không sử dụng dưới dạng nhiệt. Một ví dụ về một giải pháp thay thế cũ hơn là một mạch bóng bán dẫn đơn giản có thể thay đổi dòng điện đi qua nó bằng cách thay đổi điện trở của nó.

Xem thêm: 6 mẹo giúp bạn đặt mật khẩu an toàn, dễ nhớ, rất hay: quên mật khẩu tĩnh là gì

Quy tắc hiệu suất tương tự áp dụng cho điện trở cũng áp dụng cho bóng bán dẫn - Điện trở của chúng dẫn đến năng lượng bị lãng phí vì chúng đốt cháy một phần dưới dạng nhiệt. Chúng hoạt động giống như máy sưởi về mặt đó.

May mắn thay, những mạch này không bao giờ là chính thống. Các thiết bị như máy điều hòa không khí và tủ lạnh lúc nào cũng chạy với tốc độ tối đa, gây ra nhiều tiếng ồn và lãng phí nhiều năng lượng vì chúng phải bật và tắt thường xuyên.

V. Ưu, nhược điểm của PWM.

Ưu điểm:

Giá rẻTiêu thụ ít điện năng
Hiệu quả lên đến 90%Một tín hiệu có thể được tách rất dễ dàng tại giải điều chế và nhiễu cũng có thể được tách ra một cách dễ dàng
Công suất xử lý năng lượng cao
Có thể sử dụng tần số rất cao
Hơi nóng khi vận hành
Nhiễu ít hơn
Rất tiết kiệm năng lượng khi sử dụng để chuyển đổi điện áp hoặc cho bóng đèn
Một hệ thống kém hiệu quả vừa phải trong số cả ba loạiĐồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu không bắt buộc không giống như điều chế vị trí xung (PPM)Yêu cầu bộ lọc được giảm xuống
Biên độ và tần số có thể được kiểm soát độc lập
Giảm đáng kể THD của dòng tải

Nhược điểm:

Mạch phức tạpĐột biến điện áp
Hệ thống yêu cầu một thiết bị bán dẫn có thời gian BẬT và TẮT thấp nên chúng rất đắt
Nhiễu tần số vô tuyến
Tiếng ồn điện từBăng thông phải lớn để sử dụng trong giao tiếp
Suy hao chuyển mạch cao do tần số PWM cao
Công suất tức thời của máy phát thay đổi

Các ứng dụng của PWM bao gồm:

Trong những ngày hiện đại, kỹ thuật điều chế độ rộng xung được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ trong các ngành công nghiệp.Để làm mờ ánh sáng.Để kiểm soát công suất điện.Trong hệ thống thông tin liên lạc.Trong hệ thống âm thanh.Trong các biến tần hiện đại.Sử dụng kỹ thuật PWM và cơ chế chuyển mạch, chúng ta có thể điều khiển các tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng tín hiệu số.

VI. Cách điều chế độ rộng xung.

Điều chế độ rộng xung (PWM) nói chính xác là điều chỉnh điện áp ra tải hoặc còn gọi là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra.

Có 6 cách điều chế độ rộng xung như dưới đây:

1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung đơn.

*

Dùng cho mạch một pha. Thay đổi độ rộng của xung để điều khiển thời gian hoặc để điều khiển tín hiệu cổng của bóng bán dẫn để có thể điều khiển điện áp đầu ra của biến tần. Bằng cách thay đổi độ rộng hoặc bằng cách thay đổi độ rộng của tín hiệu chuyển phát nhanh, chúng ta chắc chắn có thể thay đổi thời gian hoạt động của bóng bán dẫn. Khi chúng ta thay đổi thời gian của bóng bán dẫn, chúng ta có thể thay đổi điện áp đầu ra của biến tần. Vì vậy, nếu độ rộng của xung cổng mà chúng ta nhận được như một đầu ra hoặc bộ so sánh sau khi điều chế độ rộng xung thì độ rộng của điện áp đầu ra sẽ nhận được là d.

2. Điều chế độ rộng xung tiêm hài bậc ba.

*

Điện áp hài thứ ba không có trên các điện áp pha và đường dây đối với tải ba pha có điểm trung tính thuộc loại dấu phẩy động. Do đó, nó không gây ra bất kỳ biến dạng nào trên điện áp pha. Bằng cách thêm tín hiệu hài thứ ba trong tín hiệu tham chiếu hình sin tần số thấp, chúng ta có thể nhận được sự gia tăng biên độ ở dạng sóng điện áp đầu ra.

3. Điều chế nhiều xung độ rộng.

*

Điều chế nhiều xung độ rộng bao gồm nhiều số lượng xung trên một nửa chu kỳ của điện áp đầu ra. Mỗi xung có thể được thay đổi bởi tín hiệu sóng mang. Tần số của sóng tam giác lớn hơn tần số được sử dụng trong điều chế độ rộng xung đơn và nó quyết định số lượng tín hiệu gating trên nửa chu kỳ. Bằng cách sử dụng nhiều xung, hàm lượng sóng hài có thể được giảm bớt. Tần số quyết định số xung trên một nửa chu kỳ. Điện áp đầu ra có thể được kiểm soát bằng cách kiểm soát chỉ số điều chế.

4. Điều chế độ rộng xung hình sin.

*

Nó chỉ ra rằng việc tạo ra các đầu ra của điều chế độ rộng xung với sóng sin làm tín hiệu điều chế. Thời gian chuyển mạch của tín hiệu PWM có thể thu được bằng cách so sánh sóng hình sin tham chiếu với sóng tam giác tần số cao. Loại điều chế độ rộng xung này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Giá trị RMS của điện áp đầu ra có thể thay đổi bằng cách thay đổi chỉ số điều chế. Kỹ thuật này cải thiện hệ số méo tiếng và loại bỏ tất cả các sóng hài nhỏ hơn hoặc bằng 2p-1. Bằng cách sử dụng một bộ lọc, chúng ta có thể dễ dàng loại bỏ các sóng hài bậc cao.

5. Điều chế độ rộng xung dải trễ.

*

Trong kỹ thuật này, đầu ra được tự do dao động trong dải lỗi được xác định trước được gọi là dải trễ. Tần số chuyển mạch của các thiết bị nguồn không cố định liên tục và sẽ thay đổi tùy thuộc vào cường độ và tần số của tín hiệu tham chiếu. Lợi ích chính của sơ đồ điều khiển này là khả năng đáp ứng nhanh chóng với tải và quá độ dòng.

6. Điều chế độ rộng xung vector không gian.

*

Điều chế vectơ không gian PW (SVPWM) là một thuật toán để điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM). Nó được sử dụng để tạo ra các dạng sóng dòng điện xoay chiều (AC), phổ biến nhất là điều khiển động cơ được cấp nguồn xoay chiều 3 pha ở các tốc độ khác nhau từ DC bằng cách sử dụng nhiều bộ khuếch đại lớp D. Sóng hài hiện tại ở đầu ra giảm và do đó phương pháp điều chế véc tơ này cung cấp dòng điện hoặc điện áp đầu ra tối ưu.

Điều chỉnh độ rộng xung là điều chế / thay đổi chiều rộng của xung (Không phải là tần số). Để hiểu rõ nhất PWM là gì, đầu tiên chúng ta hãy xem một số thuật ngữ cơ bản.

Vi điều khiển là các thành phần kỹ thuật số thông minh hoạt động trên các tín hiệu nhị phân. Biểu diễn của một tín hiệu nhị phân là một dải sóng vuông. Sơ đồ dưới đây giải thích các thuật ngữ cơ bản liên quan đến tín hiệu sóng vuông.

*

Như đã trình bày trong sơ đồ trên, điều quan trọng cần lưu ý trong tín hiệu PWM là thời gian, tần số luôn luôn cố định. Chỉ có thời gian ON và OFF của xung (chu kỳ làm việc) thay đổi. Bằng kỹ thuật này, chúng ta có thể điều chỉnh điện áp cho trước. Sự khác biệt giữa tín hiệu sóng vuông và tín hiệu PWM là tín hiệu sóng vuông có cùng thời gian ON và OFF (chu kỳ làm việc đều là 50%), trong khi một tín hiệu PWM có chu kỳ biến đổi. Các sóng vuông có thể được xem là một trường hợp đặc biệt của tín hiệu PWM có chu kỳ làm việc 50% (ON = OFF).

Ví dụ:

Với điện áp cung cấp là 50V, và nếu tải cần 40 V, cách tốt nhất để tạo ra 40v trên 50v là thực hiện băm xung. Bộ tạo xung cần một tín hiệu là một tín hiệu PWM để bật ON và OFF thyristor. Tín hiệu PWM này có thể dễ dàng tạo ra bởi một vi điều khiển có bộ đếm thời gian. Các yêu cầu cho tín hiệu PWM để tạo ra một 40V sử dụng một thyristor từ nguồn 50v cung cấp, Khi đó thời gian ON = 400ms, OFF = 100ms (cho chu kì của tín hiệu PWM là 500ms). Nói chung, điều này có thể dễ dàng giải thích theo cách sau: Về cơ bản, thyristor được vận hành như công tắc. Trong bộ tạo xung, tải kết nối với nguồn thông qua thyristor. Khi thyristor ở trạng thái OFF, tải không kết nối với nguồn và khi thyristor ở trạng thái ON, tải được nối với nguồn. Công việc chuyển đổi ON và OFF thyristor được thực hiện bởi tín hiệu PWM. Phần trăm thời gian mà tín hiệu PWM cao / ON được gọi là chu kỳ làm việc của tín hiệu. Nếu chu kỳ làm việc là 100% thì sóng sẽ trở thành một dòng DC cố định. Vì vậy, chu kỳ làm việc có thể được tính bằng công thức sau:

*

 


*

Khi sử dụng công thức trên, chúng ta có thể tính toán t
ON cho điện áp mà chúng ta muốn từ tổng nguồn điện áp. Bằng cách nhân chu kỳ làm việc với 100, chúng ta có thể đưa nó về tỷ lệ phần trăm. Vì vậy, tỷ lệ của chu kỳ làm việc là tỷ lệ thuận với điện áp lấy từ nguồn. Trong ví dụ trên, nếu chúng ta muốn điện áp 40V từ một nguồn 50V, điều này có thể được thực hiện bằng cách băm xung chu kỳ làm việc 80%. Vì 80% của 50 là 40.

Ví dụ:

Tại một tần số 50Hz thiết kế một dải sóng PWM với chu kỳ làm việc 60%.

*
Các xung PWM có dạng như sau:

*

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điều chế độ rộng xung là điều khiển tốc độ động cơ