خروجی PWM در PLC

در الکترونیک قدرت، مدولاسیون عرض پالس یک تکنیک موثر اثبات شده است که برای کنترل دستگاه های نیمه هادی استفاده می شود. مدولاسیون عرض پالس یا PWM یک تکنیک کنترلی رایج است که سیگنال‌های آنالوگ را از دستگاه‌های دیجیتال مانند میکروکنترلر ها تولید می‌کند. سیگنالی که به این ترتیب تولید می شود دارای یک قطار از پالس ها خواهد بود و این پالس ها به صورت امواج مربعی خواهند بود. بنابراین، در هر زمان معین، موج یا زیاد یا کم خواهد بود. اجازه دهید در این مقاله درباره مدولاسیون عرض پالس بیشتر بیاموزیم.

مدولاسیون عرض پالس چیست؟

مدولاسیون عرض پالس با تبدیل سیگنال به قسمت های مجزا، متوسط ​​توان تحویلی سیگنال الکتریکی را کاهش می دهد. در تکنیک PWM، انرژی سیگنال از طریق یک سری پالس به جای سیگنال پیوسته متغیر (آنالوگ) توزیع می‌شود.

مقاله پیشنهادی : معرفی و اصول برنامه نویسی PLC

سیگنال مدولاسیون عرض پالس چگونه تولید می شود؟

سیگنال تعدیل کننده عرض پالس با استفاده از مقایسه کننده تولید می شود. سیگنال تعدیل کننده یک قسمت از ورودی مقایسه کننده را تشکیل می دهد، در حالی که موج غیر سینوسی یا موج دندانه ای قسمت دیگر ورودی را تشکیل می دهد. مقایسه کننده دو سیگنال را با هم مقایسه می کند و یک سیگنال PWM را به عنوان شکل موج خروجی خود تولید می کند.

پارامترهای مهم مرتبط با سیگنال PMW

دیوتی سایکل  PMW

همانطور که می دانیم، یک سیگنال PWM برای یک زمان معین “روشن” و برای مدت معینی “OFF” می ماند. درصد زمانی که سیگنال “روشن” می ماند به عنوان DUTY CYCLE شناخته می شود. اگر سیگنال همیشه “روشن” است، سیگنال باید دارای دیوتی سایکل  100٪ باشد. فرمول محاسبه چرخه کار به شرح زیر است :

مقدار متوسط ​​ولتاژ به دیتی سایکل  بستگی دارد. در نتیجه، مقدار متوسط ​​را می توان با کنترل عرض “ON” یک پالس تغییر داد. فرکانس PMW تعیین می کند که یک PMW با چه سرعتی یک دوره را کامل می کند. فرکانس یک پالس در شکل بالا نشان داده شده است. فرکانس PMW را می توان به صورت زیر محاسبه کرد :

ولتاژ خروجی سیگنال PWM :

ولتاژ خروجی سیگنال PWM درصدی از دیوتی سایکل  خواهد بود. به عنوان مثال، برای یک دیوتی سایکل  100٪، اگر ولتاژ کاری 5 ولت باشد، ولتاژ خروجی نیز 5 ولت خواهد بود. اگر دیوتی سایکل 50٪ باشد، ولتاژ خروجی 2.5 ولت خواهد بود.

مطلب پیشنهادی : ساخت و مونتاژ تابلو برق صنعتی

سه نوع متداول تکنیک مدولاسیون عرض پالس وجود دارد که به شرح زیر نامگذاری می شوند:

TRAIL EDGE MODOULATIN – در این تکنیک، لبه سرب سیگنال مدوله می شود و لبه انتهایی ثابت نگه داشته می شود.

Lead Edge Modulation – در این تکنیک، لبه سرب سیگنال ثابت می شود و لبه انتهایی مدوله می شود.

Pulse Center Two Edge Modulation – در این تکنیک مرکز پالس ثابت است و هر دو لبه پالس مدوله می شوند.

کاربردهای مدولاسیون عرض پالس :

با توجه به راندمان بالا، تلفات توان کم و توانایی تکنیک PWM در کنترل دقیق توان، این تکنیک در انواع کاربردهای برق مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از کاربردهای PWM به شرح زیر است :

• تکنیک مدولاسیون عرض پالس در مخابرات برای اهداف رمزگذاری استفاده می شود.
• PWM به تنظیم ولتاژ کمک می کند و بنابراین برای کنترل سرعت موتورها استفاده می شود.
• تکنیک PWM فن داخل یک CPU کامپیوتر را کنترل می کند و در نتیجه گرما را با موفقیت دفع می کند.
• PWM در تقویت کننده های صوتی/تصویری استفاده می شود.

مقاله پیشنهادی : HMI چیست ؟ | کاربرد HMI در صنعت

مزایا و معایب مدولاسیون عرض پالس :

ابتدا، اجازه دهید در مورد مزایای تکنیک مدولاسیون عرض پالس قبل از بحث در مورد معایب آن صحبت کنیم:

• تکنیک PWM از گرم شدن بیش از حد LED با حفظ روشنایی آن جلوگیری می کند.
• تکنیک PWM دقیق است و زمان پاسخگویی سریع دارد.
• تکنیک PWM ضریب توان ورودی بالایی را فراهم می کند.
• تکنیک PWM به موتورها کمک می‌کند حتی زمانی که در سرعت‌های پایین‌تر کار می‌کنند، حداکثر گشتاور تولید کنند.

موارد فوق برخی از مزایای تکنیک مدولاسیون عرض پالس بود، حال اجازه دهید برخی از معایب را بررسی کنیم:

از آنجایی که فرکانس PWM بالا است، تلفات سوئیچینگ به طور قابل توجهی بالا است باعث ایجاد تداخل فرکانس رادیویی (RFI) می شود.

PWM در کنترل دما

کنترل دمای PLC با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM)

در اینجا از سنسور RTD برای اندازه گیری دما و یک ترنسمیتر برای تبدیل خروجی سنسور به خروجی جریان استاندارد 4-20 میلی آمپر استفاده می کنیم که سپس به ورودی PLC متصل می شود.

سنسور RTD دما را تشخیص می دهد و ترنسمیتر سیگنال الکتریکی را با توجه به دمای اندازه گیری شده تولید می کند.

رله حالت جامد (SSR) برای کنترل المنت استفاده می شود و SSR توسط خروجی PWM (مدولاسیون عرض پالس) PLC کنترل می شود. رله حالت جامد یا همان SSR  تغذیه المنت را کنترل می کند تا به دمای مورد نظر رسیده و همچنین دمای مورد نیاز را حفظ کند.

به عنوان مثال ، اگر PWM خروجی PLC از محدوده 0 تا 100٪ متغیر باشد، بر این اساس SSR منبع تغذیه هیتر را کنترل می کند، بنابراین ما می توانیم دمای هیتر را حفظ کنیم.

کنترل کننده PID بر اساس فیدبک سیگنال ورودی دما، PWM را تولید می کند.

List of Inputs/Outputs

List of Inputs

Temperature Analog input :- IW64

List of Outputs

PWM output for heater (SSR) : Q1.1

M memory

PID enable :- M61.0

Manual enable :- M61.1

PID reset :- M61.2

Set temperature :- MD500

Actual temperature :- MD704

PID output (%) :- MD758

PID state word :- MW770

PID error word :- MD778

PID enable input :- M61.0

PID manual mode enable input :- M61.1

PID controller reset :- M61.2

PID high limit alarm :- M766.0

PID low limit alarm:-M766.1

PID input warning:-M766.2

Ladder diagram for Temperature control with PWM of PID

توضیحات برنامه : برای این برنامه از S7-1200 PLC و نرم افزار پورتال TIA برای برنامه نویسی استفاده کردیم.

نت ورک 1 :

در شبکه، ما پارامترهای استاندارد را برای عملکرد PID پیکربندی کردیم.

“Drive PID “.sRet.r_Ctrl_Gain : – بهره متناسب ذخیره شده یا افزایش P برای PID

“Drive PID “.sRet.r_Ctrl_Ti : -زمان انتگرال ذخیره شده یا من برای PID (20 ثانیه) به دست می‌آورم.

نت ورک 2 :

“Drive PID”.sRet.r_Ctrl_Td: -زمان مشتق ذخیره شده یا بهره D برای PID (0s).

نت ورک 3 :

در اینجا ما حداکثر حد خروجی PID دما و حداقل حد خروجی را گرفته‌ایم. ما در اینجا حداکثر حد را برای خروجی PID 100 در نظر گرفته ایم و حداقل حد 0 است.

نت ورک 4 :

زمان نمونه برداری از دستور PID_Compact r_Cycle به طور خودکار و معمولاً معادل زمان چرخه OB فراخوانی تعیین می شود.

0.1s را برای این اپلیکیشن در نظر بگیرید.

نت ورک 5 :

در اینجا ما از کنترل کننده PID استفاده کردیم که SSR را با خروجی PWM کنترل می کند.

نت ورک 6 :

کنترل حالت اجرای PID فعال است.

نت ورک 7:

در اینجا ما سیگنال ورودی جریان (4-20 میلی آمپر) را به سیگنال دیجیتال (0-27648) تبدیل کردیم.

توجه :

برنامه فوق ممکن است با برنامه واقعی متفاوت باشد. این مثال فقط برای توضیح است. ما می توانیم این منطق را در PLC های دیگر نیز پیاده سازی کنیم . این مفهوم کنترل دما با PWM PID است، ما می توانیم از این مفهوم در نمونه های دیگر نیز استفاده کنیم.

سوالات متداول در مورد مدولاسیون عرض پالس :