Modulación de ancho de pulso

La modulación de ancho de pulso ( PWM ; en inglés : Pulse Width Modulation , o PWM ), es una técnica comúnmente utilizada para sintetizar las señales pseudo analógicas usando circuitos de operación de todo o nada, o más generalmente a declaraciones discretas .

Se utiliza para generar un pseudo analógica de la señal desde un entorno digital o analógico para permitir el procesamiento de esta señal por los componentes de conmutación (comportarse como interruptores abiertos o cerrados).

El principio general es que aplicando una sucesión rápida de estados discretos con relaciones de duración bien elegidas, se puede obtener, mirando solo el valor medio de la señal, cualquier valor intermedio.

Aplicaciones

Los usos más frecuentes:

La conversión digital-analógica
Los amplificadores de clase D
Fuentes de alimentación conmutadas
Los variadores de velocidad
De manera más general, todos los dispositivos electrónicos de potencia utilizan componentes de conmutación del tipo MOSFET , IGBT , GTO .

También es posible transmitir datos mediante este método.

MLI digital

El principio es crear una señal lógica (igual a 0 o 1), a una frecuencia fija pero cuyo ciclo de trabajo se controla digitalmente, siendo el valor promedio de esta señal una cantidad analógica, igual al producto del ciclo de trabajo por el máximo. amplitud de la señal.

Principio de realización

Por lo general, este tipo de función se realiza mediante un microcontrolador . Los microcontroladores modernos ( ARM Cortex M , PIC , etc.) tienen todos periféricos dedicados a la generación PWM. Para los microcontroladores más antiguos ( 8051 , 68HC11 ), es posible desviar el funcionamiento de un TEMPORIZADOR para transformarlo en un generador PWM. Finalmente, si se usa un microprocesador , generalmente se emula el PWM.

En todos los casos, el principio del periférico o del programa de emulación consiste en generar una señal periódica a una frecuencia bastante alta (generalmente superior a 20KHz para evitar estar en el rango audible, aunque esto no es obligatorio) generalmente denominada portadora (pero el nombre es incorrecta) y generar pulsos en 1, cuya relación entre la duración y el período, es igual al valor medio deseado en comparación con el valor máximo de la señal:

${\ Displaystyle {\ frac {T _ {\ mathrm {en}}} {T}} = {\ frac {N} {N _ {\ mathrm {max}}}}}$

donde Ton es la duración del pulso, T el período de la señal, N el valor de la señal en el tiempo t (analógico o digital) y Nmax el valor máximo que N.

Por lo tanto, el voltaje promedio generado por la señal PWM (que varía entre E y 0) se convierte en:

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

Limitaciones del modelo

Para que se pueda usar una señal PWM, es imperativo que la carga se comporte como un filtro de paso bajo capaz de cortar el componente de alta frecuencia mientras retiene el componente variable de la señal. Por lo tanto, el período debe ser pequeño (o la frecuencia grande) frente a la frecuencia de corte del filtro para que la señal PWM no influya en el valor promedio.

PWM produce un espectro de frecuencia que se puede comparar con el de la modulación de amplitud (de ahí el mal uso del término portadora). Sin embargo, la señal es más cercana a la producida por muestreo (con los problemas de alias que esto puede presentar).

El PWM induce distorsiones significativas de la señal modulada; son comparables a los debidos al muestreo por una señal cuyo período es el del PWM.

En teoría, la frecuencia de la portadora puede aumentarse indefinidamente, lo que también puede parecer ventajoso, ya que el efecto principal será desplazar armónicos no deseados en alta frecuencia y, por lo tanto, disminuir las ondulaciones de la corriente. Lo que nos limitará en la práctica son:

Las capacidades del microcontrolador para ir más allá de una determinada frecuencia (generalmente no mucho más de 1 MHz)
El tiempo mínimo requerido para lograr la conmutación de sus interruptores, de hecho, si un pico de comando es más rápido que el tiempo de respuesta del sistema , los interruptores no tendrán tiempo de cambiar a tiempo.
En el caso de la electrónica de potencia , las pérdidas son muy elevadas en conmutaciones elevadas (pérdidas de conmutación y pérdidas de conducción). Esto significa que no es necesariamente deseable utilizar PWM a una frecuencia muy alta.
Aún en el contexto de la electrónica de potencia , no se debe descuidar la compatibilidad electromagnética (EMC), que puede plantear un problema para la electrónica alrededor de los dispositivos de potencia.

Otros tipos de MLI

MLI "intersectiva" o MLI analógica

Es el más clásico. Consiste en comparar el modulante (la señal a sintetizar) con una portadora generalmente triangular . La señal de salida es igual a 1 si el modulante es mayor que la portadora, 0 en caso contrario; por tanto, la señal de salida cambia de estado en cada intersección del modulante y la portadora.

Este método se presta bien a una implementación analógica : un generador de triángulos y un comparador son suficientes. Hay muchos circuitos integrados dedicados.

Podemos clasificar los subtipos de varias formas:

Muestreo analógico o digital, dependiendo de si el modulador y el comparador son de tiempo continuo o discreto;
Con soporte triangular o en diente de sierra centrado (izquierda o derecha);
Asíncrono o síncrono , dependiendo de si el modulante y la portadora son exactamente de múltiples frecuencias o no. Prestamos especial atención al lector para que no confunda el sincronismo de los PWM y los motores síncronos o asíncronos . De hecho, aunque tienen el mismo nombre, sus definiciones son al menos muy diferentes.

PWM por inyección de armónicos de tercer orden

La técnica siguiente es útil para controlar inversores de tensión, en particular porque implica, entre otras cosas, producir una tensión sinusoidal en la salida de dicho convertidor. Los PWM de inyección de tercer armónico (PWM de tercer armónico de inyección) son variantes simples pero efectivas del PWM clásico (llamado SPWM para PWM sinusoidal) descrito anteriormente. Su acrónimo en la literatura se llama THIPWM, y los dos que se utilizan principalmente son THIPWM1 / 6 y THIPWM1 / 4. Fueron inventados para aumentar la zona de linealidad del índice de modulación (como para el SVM ), pero también para aumentar la calidad armónica de las soluciones. De hecho, el índice de modulación se encuentra convencionalmente (con el SPWM) entre 0 y 1. El índice de modulación se ve aquí aumentado en un 15% para cubrir el área de los índices de modulación (índice de modulación en inglés) alcanzable de 0 a 1,15 .

La implementación técnica de este método es particularmente simple, basta con agregar o con los voltajes de modulación vectorial. No hay nada que cambiar respecto al portador, y esta inyección permite obtener voltajes realizados de mejor calidad. ${\ Displaystyle {\ frac {1} {6}} {\ frac {m} {2}} \ sin (3 \ omega t)}$ ${\ Displaystyle {\ frac {1} {4}} {\ frac {m} {2}} \ sin (3 \ omega t)}$

MLI "Vector espacial"

El llamado vector espacial PWM (vector espacial, abreviado como SVM en la literatura) es especialmente aplicable a los variadores de velocidad trifásicos sin neutro .

Consiste en considerar globalmente el sistema trifásico y aplicarle una transformada de Concordia para devolverlo al plano (Vα, Vβ). El sistema trifásico de voltajes que se generará para el tiempo de muestreo actual se puede representar como un vector único en este plano (ver también control vectorial ).

Este vector no es directamente alcanzable por los interruptores del variador, pero podemos buscar las tres configuraciones más cercanas (ubicadas en los vértices y en el centro del hexágono ), y aplicarlas sucesivamente durante una fracción adecuada del período d. Muestreo , para obtener en promedio el vector buscado.

En la modulación sinusoidal, da resultados similares (pero mejores) al PWM intersectivo con portadora triangular centrada. Sin embargo, puede ser más fácil de instalar en un microcontrolador y, desarticulado del armónico 3, permite maximizar la potencia disponible, lo que justifica su uso.

MLI "calculado previamente"

Se utiliza especialmente cuando, debido a una frecuencia portadora baja, es necesario optimizar el espectro de la señal generada. El patrón de la señal de salida está predeterminado (fuera de línea) y se almacena en tablas que luego se leen en tiempo real.

De hecho, estos PWM siempre son síncronos (la frecuencia de la portadora es exactamente un múltiplo de la frecuencia del modulante), una condición necesaria para tener un espectro armónico constante.

En la práctica, este tipo de MLI solo se puede realizar de forma digital.

Control de histéresis

Este método consiste en desarrollar la señal PWM directamente a partir de la cantidad a controlar, mediante decisiones de tipo todo o nada.

Las ventajas son la gran sencillez y el mínimo tiempo de respuesta a las perturbaciones. El mayor inconveniente es la falta de control de la frecuencia de conmutación de los transistores , lo que dificulta su dimensionamiento.