PWM

Šajā postā - par dažām PWM niansēm.

Kam tiek izmantots PWM?
PWM (Pulse Width Modulation) tiek izmantots dažādu izpildmehānismu ''analogai'' vadīšanai. Ar ''analogu'' šoreiz es domāju: plūdenu, nevis on/off veidu. Ar PWM tiek vadīti vārsti, elektromotori, sildelementi, spuldzes, utml. Ar PWM tiek regulēts spriegums (attiecīgi - arī strāva un jauda), kas tiek pievadīts izpildmehānismam.

Kāpēc PWM?
Kāpēc jāizmanto PWM, lai vadītu izpildmehānismus? Kādēļ nevar vadīt, piemēram ar DAC (Digital to Analog Converter)? Vadīt var, taču vadot ar PWM, mezglam ir labāks lietderības koeficients. Tātad - mazāki zudumi. Mazāki zudumi nozīmē gan akumulatora enerģijas taupīšanu (ja dzinējs nav ieslēgts), gan mazāku vadības bloku karšanu. Abi aspekti ir liela problēma mūsdienu auto. Auto patērētāju strāvas patēriņš sasniedz vairākus simtus A, pat DME/DDE tiek izmantota piespiedu dzesēšana - katrs % zudumu, ko izdodas samazināt, ir ļoti vērtīgs. Piemēram, pie 50 % izpildmehānisma aktivēšanas siltuma zudumi tiek samazināti no 50 % (DAC metode) līdz pāris % PWM gadījumā. T.i., vairākus desmitus reižu!

Kā darbojas PWM?
PWM izmantošanas gadījumā elektronisks slēdzis ātri (auto gadījumā - tipiski: vairākus simtus reižu sekundē) atveras un aizveras. Ja slēdzis ir atvērts, strāva plūst caur izpildmehānismam, brīžos, kad slēdzis ir aizvērts, strāva slodzē neplūst. Mainot proporciju starp ''ieslēgts'' un ''izslēgts'', ir iespējams mainīt izpildmehānismam pievadīto enerģiju. Tātad - izpildmehānisms ātri tiek pārslēgts pozīcijā ''on/off'', taču tā kā tam ir mehāniskā (termālā) inerce - tas nevis ātri ieslēdzas un izslēdzas, bet atrodas ''analogā'' pozīcijā, ko nosaka ''on'' un ''off'' ciklu garumu proporcija.

Ko nozīmē PWM rādījums?
Ko nozīmē, piemēram, 67 %? 67 % nozīmē, ka 67 % visa laika izpildmehānismam tiek pievadīta enerģija (slēdzis ir atvērts jeb ''on'' pozīcijā). Atlikušo laiku (100 - 67 = 33 %) enerģija izpildmehānismam netiek pievadīta. Tā kā parasti auto izpildmehānismi tiek vadīti no auto borta sprieguma, mēs varam novienkāršot aprakstu. 67 % PWM nozīmē, ka 67 % visa laika izpildmehānismam ir pievadīts auto borta spriegums. Jeb - spriegums uz izpildmehānisma izvadiem ir ap 8.0 V, ja borta spriegums ir 12.0 V. Jeb 9.4 V, ja borta spriegums ir  14.0 V.

PWM izejas un pieslēguma kontrole
Auto elektronikas bloki parasti kontrolē izpildmehānismu pieslēgumu (un savu vadības slēdžu veiktspēju). Lai šī kontrole būtu iespējama, PWM minimālā un maksimālā vērtība ir nevis 0 % un 100 %, bet gan nedaudz šaurāks regulēšanas diapazons, piemēram: no 0.5 % līdz 99.5 %. Neliela PWM diapazona sašaurināšana būtiski nepasliktina izpildmezgla vadīšanu, bet ''pauzēs'' ļauj vadības blokam pārliecināties, ka tā jaudas slēdzis strādā korekti un izpildmehānisms ir pieslēgts (spriegums bloka izejā mainās no 0 līdz Ubat un atpakaļ).

Pozīcijas stabilizēšana pēc Ubat
Piemērā augstāk ir labi redzams, ka - mainoties auto borta spriegumam, pie fiksēta PWM - mainās arī izpildmehānismam pievadītais vidējais spriegums. Attiecīgi - mainās arī jauda (enerģija), kas pievadīta izpildmehānismam. Šī iemesla dēļ auto elektronikas bloki mēra borta spriegumu un pārrēķina nepieciešamo PWM - ņem vērā borta sprieguma izmaiņu ietekmi. Jo lielāks auto borta spriegums, jo mazāks PWM - ar atbilstošu formulu palīdzību borta sprieguma izmaiņas tiek izkompensētas.

Izpildmehānismu pieslēgums
Izpildmehānismi var būt pieslēgti vairākos veidos:
a) viens no izpildmehānisma izvadiem ir pievienots Ground (auto šasijai); ar PWM tiek vadīts plusa (+) izvads;
b) viens no izpildmehānisma izvadiem ir pievienots pie Ubat (15/30 līnija); ar PWM tiek vadīts mīnusa (-) izvads;
c) abi izpildmehānisma izvadi tiek vadīti ar PWM - šajā gadījumā ir iespējama caur izpildmehānismu plūstošās strāvas polaritātes maiņa (Bridge pieslēgums).

Pirmie divi risinājumi tiek izmantoti vienkāršākos gadījumos - kad nav nepieciešams mainīt strāvas ''virzienu''. Piemēram: spuldzēm, solenoīdu vārstiem. Kāds tieši (a vai b) risinājums izmantots - atkarīgs no izstrādātāja. Tehniski lētāks ir b variants, taču lietošanai piemērotāks: a variants. Lai saprastu, tieši kurš pieslēgums tiek izmantots - jāskata konkrētā mezgla elektriskā shēma.
Trešais risinājums tiek izmantots gadījumos, kad jāmaina strāvas ''virziens''. Tipiski šāda nepieciešamība rodas, ja tiek izmantots elektromotors. Tam jāgriežas abos virzienos, šāda iespēja ir, izmantojot Bridge slēgumu.

Kāpēc es akcentēju šos 3 dažādos pieslēgumus? Atkarībā no pieslēguma, mainās veids, kā jāmēra izpildmehānismam pievadītais spriegums.
a gadījumā: spriegums ir mērāms pret Ground (auto šasiju);
b gadījumā: spriegums jāmēra attiecībā pret auto borta spriegumu (15/30 šinu);
c gadījumā: spriegums jāmēra tieši uz izpildmehānisma izvadiem.

Nepareizi mērot (piemēram, b pieslēguma gadījumā - attiecībā pret Ground) jūs iegūsiet pilnīgi nepareizus (''invertētus'') sprieguma rādījumus!

Kā izskatās PWM signāls?

Šāds izskatās ap 90 % PWM signāls a pieslēguma veidam, jeb ap 10 % PWM signāls b pieslēgumam (osciloskopa Ground pievienots auto šasijai). Lūk, labs piemērs tam, kā - atkarībā no izpildmehānisma pieslēguma, mainās PWM vērtība!


Piemēri
a) izpildmehānisms pieslēgts pie Ground; ar PWM tiek vadīts plusa (+) izvads

Lūk, visas spuldzes ar vienu izvadu pieslēgtas pie Ground (31 šina; vadi: brūnā krāsā); plusa (+) izvadi aiziet uz FRM moduli, kurā ar PWM tiek mainīts to spīdēšanas spilgtums).

b) izpildmehānisms pieslēgts pie Ubat (15/30 šina); ar PWM tiek vadīts mīnusa (-) izvads

Kā redzams, izplūdes klapes plusa izvads caur Fuse ir pieslēgts pie Ubat. Shēmā apakšējais izvads (mīnusa izvads) tiek vadīts ar PWM. Pievērsiet uzmanību - DME atbilstošais vadības slēdzis pieslēgts pie 31 šinas: apstiprinājums tam, ka tieši (-) izvads tiek vadīts ar PWM.

c) abi izpildmehānisma izvadi tiek vadīti ar PWM

Lūk, EGR vārsta elektromotors (izvadi 3 un 4) abi divi tiek vadīti ar PWM.