Transcript Automatyka Wykład 28 Regulacja impulsowa z modulacją szerokości impulsu sterującego Modulacja szerokości impulsów.

Automatyka
Wykład 28
Regulacja impulsowa z modulacją
szerokości impulsu sterującego
1
Modulacja szerokości impulsów
2
Modulacja amplitudy impulsów
3
Modulacja częstotliwości impulsów
4
Konstrukcja i zasada działania regulatora PWM
Regulatory impulsowe, w tym regulatory z modulacją szerokości impulsów, posiadają wiele zalet, dzięki
którym powoli wypierają tradycyjne regulatory ciągłe. Mniejsze, lżejsze, coraz dokładniejsze i bardziej
efektywne a w dobie ekspansji techniki cyfrowej, łatwiejsze w realizacji i implementacji w układach
sterowania. Zapewniają znacznie lepsze właściwości regulacyjne w przypadku sterowania obiektami o
dużej inercji i z dużym opóźnieniem.
Wadami jakie posiadają regulatory impulsowe są hałas wynikający z pracy elementów przełączających oraz
trudny proces matematycznej analizy działania.
Obecnie w praktyce stosuje się gotowe układy scalone, posiadające wbudowane regulatory sygnału PWM.
Do najbardziej znanych i rozpowszechnionych w dziedzinie budowy zasilaczy impulsowych należą układy
z rodziny UC38xx, produkowanej przez znaną na rynku elektronicznym firmę Texas Instruments oraz
TOP242-250 firmy Power Integrations. Umieszczone na stronach firmowych dokumentacje, zawierają
dokładne specyfikacje modeli oraz przykłady budowy kompletnych układów przetwornic impulsowych,
opartych na danym mikrokontrolerze.
Niezależnie od producenta czy modelu kontrolera, wszystkie układy łączy jednakowa konstrukcja samego
regulatora PWM. Działanie układu regulacji z modulacją szerokości impulsu (z wyłączeniem regulatorów
cyfrowych) zawsze opiera się na tej samej zasadzie: porównaniu sygnału uchybu z sygnałem
piłokształtnym. Schemat konstrukcji regulatora PWM pokazany jest na rysunku.
5
6
Przetwornice impulsowe
W dobie ciągłego dążenia do maksymalnego wykorzystania energii, jednym z kluczowych
problemów stało się zagadnienie przetwarzania energii elektrycznej. Coraz wyższe wymagania
dotyczące jakości napięcia zasilania w połączeniu z dużym naciskiem na minimalizację i
energooszczędność stały się motorem rozwoju techniki zasilaczy impulsowych. Te niewielkie
gabarytowo urządzenia pozostają bezkonkurencyjne w stosunku do tradycyjnych zasilaczy
transformatorowych, pod względem rozmiarów oraz sprawności (90% w stosunku do ok. 50%
sprawności tradycyjnych przetwornic transformatorowych). Dodatkowo urządzenia te cechują
bardzo dobre właściwości sygnału wyjściowego (napięcia lub prądu) jak niewielka pulsacja czy
duża odporność na zakłócenia. Zasilacze impulsowe doskonale nadają się do zasilania urządzeń
małej i średniej mocy. Największymi wadami tych układów są skomplikowany proces
projektowania oraz możliwość występowania zakłóceń elektromagnetycznych, związanych z
pracą impulsową oraz występowaniem elementów indukcyjnych.
Zasada działania każdego zasilacza impulsowego jest jednakowa. Podawany na wejście układu
sygnał stały (np. napięcie sieci, wyprostowane przez układ Graet’za) jest następnie
impulsowany przez klucz lub układ kluczy (najczęściej kluczem jest tranzystor PNP, IGBT lub
MOSFET) w taki sposób, aby uzyskany na wyjściu sygnał miał wartość skuteczną równą
wartości oczekiwanej. Częstotliwość pracy może mieścić się w granicach od ok. 50 do 200 kHz.
Dodatkowymi elementami układu zasilacza impulsowego mogą być dławiki wyjściowe,
elementy pętli regulacyjnej, układy prostownikowe, zabezpieczające, etc.
7
8
Regulator PI

1 
  I we
V wy    R 6 
sC 3 

I we 
V ' out

V ref
R4
G reg  s  
R9
V wy
 V we

R9  R 4  R
 
 V we
R
R6 
1
1 
R 
sR 6 C 3


1 
   k 1 



sT i 


9
Regulator PWM
Regulacja szerokości impulsów odbywa się przez podanie na wejścia
przerzutnika sygnału piłokształtnego oraz sygnału wyjściowego z regulatora
PI. Pracujący w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego układ, generuje na
wyjściu impulsy o amplitudzie wyznaczonej wartościami nasycenia i
szerokości modulowanej przez momenty przecinania się przebiegów
sygnałów wejściowych.
Istotną sprawą, na którą należało zwrócić uwagę dobierając parametry
regulatora PI oraz regulatora sygnału PWM był fakt, użycia do budowy
układu proporcjonalno – całkującego wzmacniacza operacyjnego bez
nasycenia. Może to powodować, że sygnał z regulatora PI,
w wyniku
całkowania, wzrośnie ponad wartość amplitudy sygnału piłokształtnego.
Doprowadzi to do wzrostu współczynnika wypełnienia sygnału
kluczującego tranzystor do 100% czyli podawania na jego bramkę stałego
napięcia. Uniemożliwi to pracę układu do momentu zresetowania poprzez
rozładowanie kondensatora C3 (np. przez chwilowe odłączenie zasilania).
10