Phương pháp điều xung PWM

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU XUNG PWM
(PULSE WIDTH MODULATION)

Phương pháp điều xung PWM là gì?

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.

Ứng dụng của PWM trong điều khiển

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định .Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.

Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM Trên là đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM. Với độ rộng xung đầu ra tương ứng và được tính bằng %. Tùy thích do chúng ta điều khiển.

Nguyên lý hoạt động của PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tải  một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn.

Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn. Dùng van đóng cắt bằng Mosfet (Mosfet là Transistor hiệu ứng trường- Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.

Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - t0, ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian t0 - T, cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đếnT, ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải. Ta có:

Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D (Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM)

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trên tải sẽ là :

Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%) Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%) Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm.

Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556...

Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM.

Ở đây ta tham khảo 2 cách điều chế PWM phổ biến: bằng phương pháp so sánh và tạo xung vuông bằng phần mềm.

1- Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh Để tạo được bằng phương pháp so sánh ta cần 2 điều kiện sau đây : + Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM + Tín hiệu tựa (Ref) là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC). Xét sơ đồ mạch sau : Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác.

2- Tạo xung vuông bằng phần mềm Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vuông. Việc tạo bằng phần mền cho độ chính xác cao về tần số và PWM. Và mạch đơn giản hơn rất nhiều. Xung này được tạo dựa trên xung của CPU. Lấy 1 đoạn ví dụ tạo PWM trong chip 8501 :

PWM trong điều khiển động cơ và trong các bộ biến đổi xung áp

1-Trong động cơ : Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điều khiển động cơ hoạt động nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó. Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều.

Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC

Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ. Nếu muốn điều khiển  động cơ quay thuận quay ngược thì phải dùng đến cầu H.

2- Trong các bộ biến đổi xung áp: Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải. Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song.

Lấy ví dụ 1 mạch nguyên lý đơn giản trong bộ nguồn Boot đơn giản.

Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ nguồn Boot đơn giản

Đây là nguyên lý của mạch nguồn Boot. Dùng xung điều khiển để tạo tích lũy năng lượng từ trường , từ đó tạo điện áp ra tải lớn hơn điện áp vào.
Ngoài ra, PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC -AC , hay trong biến tần, nghịch lưu.