Vor und Nachteile von PWM [Archiv]

wosh

24.04.2005, 22:15

hallo leute,

ich hätte ein dringendes anliegen an euch. also ich würde gerne die vor und nachteile einer pulsweitenmodulation wissen und wie es bei einer pwm mit fehler, genauigkeit, frequenz im vergleich zu anderen DA-Wandlungsverfahren aussieht.

mein problem ist ich hab da schon ewigkeiten im inet gesucht, aber finde natürlich nur fetzen und ich bin mir des zusammenstückelns schon leid.
hier steht wiedermal was von guter wirkungsgrad, da steht wiedermal was von störanfällig...

also darum wollte ich euch ersuchen, vielleicht findet sich ja irgendwo einer unter euch, der da ein bisschen was weiß drüber, oder mir vielleicht ein paar brauchbare links geben kann.

hab schon in ein paar anderen foren gefragt, aber da hat mir keiner so wirklich helfen können, naja vielleicht wollten sie ja auch nicht ^^.

also ich appelliere an eure freundlichkeit *schleim*,

mfg wosh

Thoralf

25.04.2005, 08:31

da ich gern als freundlich angesehen werden möchte :cheesy:

DAU
- schnell
- Genauigkeit abhängig von der Bitanzahl, damit auch der Portbits, oder bei I2C-Wandlern der Datenrate -> Digtalisierungsfehler = 1/2^Bitanzahl
- hoher Aufwand
- Driften und Temperaturanhängigkeiten

PWM
- langsam, da immer mehrere Perioden vergehen müssen, bis das Signal nach anschließender Integration den endgültigen Signalpegel annimmt
- Genauigkeit beliebig steigerbar aber auf Kosten der Geschwindigkeit
- extrem geringer Aufwand (nur ein RC-Glied)
- wenig Analogfehler, da nichts zum driften und Rauschen da ist.
- gut für Controller mit wenig Portpins

das mal so in aller Kürze, aber ich denke, das sind die wesentlichsten Dinge, kanna ber gern ergänzt werden.

RCO

25.04.2005, 12:05

@ Thoralf:

Was genau ist denn DAU (habe ich noch nie gehört), vielleicht das verschalten von Widerständen? Gibt es noch mehr Methoden?

madcyborg

25.04.2005, 12:55

würde eher tippen, das das nen digital-analogwandler mit treibertransistor ist.
jedenfalls wird bei der pwm-regelung keine leistung für die regelung ansich verbraten-->hoher wirkungsgrad. (oder sehe ich das falsch?)

Thoralf

25.04.2005, 16:36

DAU = digital-analog-Umsetzer (oder Wandler).

In der Leistunstechnik wird in fast allen Fällen die PWM als Digital-Analog-Umsetzverfahren benutzt, da man ja digitale Ausgangsimpulse bekommt. Die Impulsrate bleibt gleich, nur das Tastverhältnis (= das Verhältnis von einsen und nullen) und ist abhängig von der auszugebenden Zahl (oft von 0...255).
Die Integration, die ich im ersten Posting nannte wird dann durch mechanische Trägheiten, wie Motoren, durchgeführt.
Am Ausgang eines PWM-Wandlers kann man , da rein digitale Pulse vorliegen, mit digitalöen Treibern (können auch einzelne Transistoren sein) die Leistung so verstärkt, daß sich Motore antreiben lassen. Die rein digitalen Verstärker haben nur geringe Verlustleistungen und können höhere Lasten treiben.
Soweit klar?

wosh

25.04.2005, 19:45

Also erstens möchte ich dir thoralf mal meinen herzlichen Dank aussprechen, endlich hab ich da mal was konkretes untereinander aufgelistet.

Bin ja schon fast verrückt geworden auf der suche nach schön aufgelisteten vor- und nachteilen der pwm/DAC's im internet.
nachdem man einmal was konkretes im inet suchen muss wird einem bewusst, dass wirklich viel "blödsinn" im netz ist ^^,
und es nicht gerade leicht ist wenn man keine Bücher oder sonstige Quellen hat, sich in eine Materie einzuarbeiten.
Nur so zur Info, wird zwar keinen interessieren, aber dass du halt weißt für was ichs brauche. Hab nämlich ein Schwerpunktthema bei der Matura (Abitur bei euch in Deutschland), welches lautet:

Entwickeln sie ein Konzept der DA-Wandlung mit einem µC mittels PWM.
Wo wird dieses Verfahren eingesetzt und welche Vor- und Nachteile hat es.

Also wenn vielleicht jemand irgendwelche links weiß wo diese oder manche Vor- und Nachteile etwas erklärt sind mit einem Bsp. oder so, der kann sie mit Freuden reinposten.
Ich weiß dass ihr auch noch andere Sachen zu tun habt ;), is ja auch nur auf jene bezogen, die sich da schon etwas auskennen oder die es interessiert.

Nochmal vielen Dank und mal sehen wie sich der Thread weiterentwickelt.

mfg Wosh

ps.: Das Forum gefällt mir irgendwie, da werd ich öfter mal Fragen platzieren und vielleicht auch welche beantworten.

LinuxFan

25.04.2005, 19:53

DAU = Dümmst-anzunehmender-User!

sorry...

Manf

25.04.2005, 21:10

Entwickeln sie ein Konzept der DA-Wandlung mit einem µC mittels PWM.
Wenn es für einen offiziellen Bericht ist, dann könntest Du erwähnen, dass zur "integrierenden A/D Wandlung" in Controller betriebenen Messgeräten vor etwa 25 Jahren im wesentlichen das "Dual-Slope Verfahren" gab.

Das "Charge Balancing Verfahren", das das Analogsinal bei der Messung mit einem "PWMSignal" kompensiert, kam zunächst einmal aus patentrechtlichen Gründen neu hinzu. Am Anfang hat man dem Verfahren noch nicht so viel zugetraut, aber mit der Zeit wurde es immer weiter verfeinert bis es zum Dual-Slope (oder sogar dem "Quad-Slope" mit gebremsten Anfahren der Komparatorschwellen) etwa gleichwertig wurde.

Es sind Verfahren zur "integrierenden Messung" von elektrischen Spannungen, auf 4-8 Stellen.

Eine entscheidende Verfeinerung beim Charge Balancing Verfahren ist das Umschalten zwischen positiver und negativer Referenz mit festgelegter Häufigkeit während einer "Integrationsperiode". Dies wird durch die Überlagerung eines Rechtecksignals erreicht und eliminiert die Fehler die durch eine unterschiedliche Umschaltgeschwindigkeit zwischen den Referenzspannungen aufkommen können.

Du wirst hoffentlich über die "Schlüsselwörter" weitere Details finden.

Bei der D/A Wandlung ist es es "Sigma-Delta Verfahren" mit dem man durch "suksessive Annäherung" eine gute (die beste) Repräsentation eines Analogwertes erreicht , zumindest in einem getakteten System.

Manfred

Thoralf

25.04.2005, 22:21

wosh, gern geschehen, und schreib ruhig deine Fragen. Irgendwie paßt es ja immer und man kann nie wissen, wo es noch so alles zu gebrauchen ist. Mir hat das Forum auch schon oft geholfen.
viel Erfolg für deine Matura

BlackBox

26.04.2005, 08:35

Vorteile wurden ja schon genügend genannt. Ein nachteil der PWM ist, dass beim Schalten von höheren Lasten starke Störungen durch die steilen Schaltflanken auftreten können. PWM-Steuerungen sind meist echte EMV-Schleudern. ist nicht unbedingt einfach diese probleme in den Griff zu bekommen.

wosh

26.04.2005, 21:15

Is gut gemeint Manf (danke für deine bemühungen), aber zum Glück brauch ich das nicht für einen öffentlichen Bericht, is aufjedenfall nicht vorgesehen. Is ja eigentlich so dass ich das Gebiet zusammenfassen soll und dann nur 5 min drüber reden, danach kommt halt dann eine Umfeldfrage, die mein Gebiet umfassen wird.
Nur so zur Info ^^.

Jo und danke für die Glückwünsche ;) .

Aber jetzt mal ne Frage.
Also 1.

Ich hab als einen meiner nachteile von PWM geschrieben, dass oft das Problem vorliegt, dass man bei den µC nur eine begrenzte Frequenz zur Verfügung hat. Inwiefern stimmt das und is das mittlerweile durch die ganzen µC's am Markt nicht mehr so das Problem.

jo und 2.

blackbox du hast da von emv problemen gesprochen und dass diese beim umschalten durch die steilen schaltflanken entstehen. ist es nicht so, desto steiler die schaltflanken sind, desto weniger verlustleistung hab ich?
oder is das emv problem auf die frequenz bezogen?
vielleicht kannst das ja etwas genauer erläutern, würde mich interessieren.

(Wenn ich irgendwas falsches geschrieben habe, bessert mich bitte aus)

mfg wosh

madcyborg

26.04.2005, 22:54

zu 1.:
das kommt halt auf die genauigkeit an. z8mindest ists bei den avr's so, das ich bei 8bit 256 takte brauche um eine periode darzustellen. das heist die höchste frequenz die ich erreichen kann ist durch den takt begrenzt.
naja...ich hab keine ahnung wie schnell die avr's so werden können, aber ja mindestens 16mHz. es gibt bestimmt auch schnellere ic's.

zu 2.:
da denke ich liegt es tatsächlich an den flanken. denn je größer die stromänderung je zeit ist(und die zeit ist fast 0), desto stärker ist das induzierte magnetfeld-->um so leichter kann es etwas stören. und wenn man mehrere ampere laufend ein und ausschaltet kann ich mir gut vorstellen wie das stört.

UlliC

26.04.2005, 23:51

ch hab als einen meiner nachteile von PWM geschrieben, dass oft das Problem vorliegt, dass man bei den µC nur eine begrenzte Frequenz zur Verfügung hat. Inwiefern stimmt das und is das mittlerweile durch die ganzen µC's am Markt nicht mehr so das Problem.

Hallo wosh,

das Problem ist relativ und hängt vom Anwendungsfall ab.
In der Antriebstechnik nimmt man zum Beispiel gerne Zwischentaktfrequenzen oberhalb der Hörschwelle, also > 16 kHz
Bei einer üblichen Eingangstaktfrequenz von 16MHz erzielt man ein Auflösung der PW von 1: 1000 entsprechend etwa 10Bit, was in der Regel ausreicht.
EMV ist bei der reinen DA - Wandlung eigentlich kein Problem, erst wenn Leistungsbauelemente direkt angesteuert werden ist es eins; aus zwei Gründen: Steile Flanken, bzw Rechtecksignale enthalten hochfrequente Spektralanteile und diese werden in ihrer Amplitude durch die Leistungsbauelemente verstärkt.

BlackBox

27.04.2005, 08:06

Je Steiler die Flanken, um so geringer die Verlustleistung ist richtig. Allerdings ist eine anstiegsfreie Flanke auf Grund der immer irgendwo vorhandenen Induktivitäten und Kapazitäten nicht möglich. Es fliesen daher kurzzeitig sehr hohe Umschaltströme, die zu hochfrequenten Einschwingvorgängen führen, die dann über Zuleitung, Leiterbahn etc. abgestrahlt werden. Wie das z.B. bei einem Leistungsfet ungefähr aussieht habe ich mal angehängt.

Das gilt übrigens nicht nur für induktive oder Kapazitive Lasten. Ein paar cm Zuleitung oder eine Leiterbahn reichen aus um solche Probleme zu erzeugen. Bei einer hochfrequenten Leistungs-FET Ansteuerung ist z.B. jeder mm Leiterbahn zwischen Treiber und FET zu viel.

Das Bild zeigt die Steuerspannung des Fets (Ug), die Spannung über den zu steuernden Motor (Um) und dessen Strom (Is) beim Einschalt und Ausschaltvorgang. Zeitbasis ist 1ms/Div.

Nur noch als Anmerkung, der "komische" Verlauf des Stromes in den ersten 2ms wird durch die Induktivität von ca. 0,5m Zuleitung vom Akku zur Schaltung verursacht. Anfangs konnte ich mir den Verlauf nicht so recht klar machen.

Minifriese

27.04.2005, 08:39

Moin!

Zur EMV noch ne Frage: Prinzipiell hat natürlich eine steile Flanke, die ja bei PWM häufiger mal auftritt ;-) extrem viele Oberwellen, so gesehen sind Leitungen, auf denen PWM-Signale laufen, bestimmt EMV-Schleudern. Aber meistens glättet man ja das PWM-Signal über ein RC-Glied, so daß sich ein "weicherer" Spannungsverlauf ergibt.
=> Das müßte doch die EMV-Problematik reduzieren, oder?

Und: Wo glättet man eigentlich? Direkt am Ausgang des uC oder erst nach der Verstärkung, also im Leistungsstromkreis? Ich hätte ersteres gedacht, also vor der Verstärkung. Damit würde man ja die Leistung gar nicht mit so steilen Flanken schalten, was das Problem eher überschaubar machen sollte, oder?

Nils

BlackBox

27.04.2005, 13:52

Aber meistens glättet man ja das PWM-Signal über ein RC-Glied, so daß sich ein "weicherer" Spannungsverlauf ergibt.
=> Das müßte doch die EMV-Problematik reduzieren, oder?

Genau das ist eben bei der Steuerung großer Lasten nicht möglich, sondern nur da, wo aus der PWM eine Spannung gewonnen wird.

Und: Wo glättet man eigentlich? Direkt am Ausgang des uC oder erst nach der Verstärkung, also im Leistungsstromkreis? Ich hätte ersteres gedacht, also vor der Verstärkung. Damit würde man ja die Leistung gar nicht mit so steilen Flanken schalten, was das Problem eher überschaubar machen sollte, oder?

Wenn wir jetzt mal bei dem Beispiel einer Steuerung über einen Fet bleiben, dann müssen die Flanken so steil wie möglich am Gate anliegen. Also nirgnends nix mit glätten.
EMV-Probleme entstehen überall, wo steile Flanken auftreten also am MC, dem Fet-Treiber und am Ausgang selbst. Aus diesem Grund sollte man die Verbindungen generell so kurz wie möglich halten.

Die eigentliche Entschärfung der EMV-relevanten Signale erreicht man im Prinzip nur durch entsprechende Filter in den Versorgungsleitungen + geschirmtes Gehäuse. Die an der Last entstehenden Spitzen kann man über eine geeignete Beschaltung (z.B. Snubber-Network) reduzieren.

wosh

27.04.2005, 21:56

is ja etwas viel info auf einmal, muss aber auch zugeben dass mir das alles nicht so klar ist, wie es euch wahrscheinlich sein wird :D.

aber noch zu einer anderen frage:

irgendwie kommt mir der nachteil spanisch vor, kann mir den vielleicht wer, etwas erläutern.

PWM:

- langsam, da immer mehrere Perioden vergehen müssen, bis das Signal nach anschließender Integration den endgültigen Signalpegel annimmt

mfg wosh

Minifriese

27.04.2005, 22:45

langsam, da immer mehrere Perioden vergehen müssen, bis das Signal nach anschließender Integration den endgültigen Signalpegel annimmt.

Ich glaube, damit ist die Anwendung gemeint, die ich im Kopf hatte, naemlich die mit dem RC-Glied zur Glaettung. Dabei muss sich naemlich erst der Kondensator aufladen (oder entladen) bis der Ausgang sich auf die gewuenschte Spannung geaendert hat. Aber bei ausreichend hoher Frequenz ist der Kondensator klein genug, dass das recht fix geht.

Genau das ist eben bei der Steuerung großer Lasten nicht möglich, sondern nur da, wo aus der PWM eine Spannung gewonnen wird.

Hm. Aber genau das will ich doch machen: Ich will per PWM eine Spannung gewinnen, die dann die Steuerspannung fuer meinen Transistor ist. Wenn die Spannung moeglichst glatt ist, waere das doch gut, weil dann eben wie gesagt der Motor nicht diese Zacken zieht, sondern eine relativ konstante Spannung im Leistungskreis. Oder ist das eine besondere Eigenart von FETs? Ich hab jetzt nur an normale Transistoren gedacht.

Nils

UlliC

27.04.2005, 22:52

PWM:

- langsam, da immer mehrere Perioden vergehen müssen, bis das Signal nach anschließender Integration den endgültigen Signalpegel annimmt

Das gilt nur, wenn die elektrische Zeitkonstante des Stellgliedes >= der Periodendauer des PWM Signals ist.
Einfaches Beispiel:
Ein RC-Glied mit T=RC = 1ms wird von einem 1KHz PWM angesteuert.
Wenn du das Signal von 0 auf 99,3 % ändern willst, dauert es 5 Taktperioden bei einem Tastverhältnis von 100%.

Aber, auch wenn du nicht taktest, dauert es 5 T.

BlackBox

28.04.2005, 07:39

@Minifirese

Wenn Du den Transistor über die Spannung und damit im Prinzip über den Strom steuerst, arbeitet der Transistor als Längsregler und verbrät damit jede Menge Energie, womit der Hauptvorteil der PWM weg ist. Ein Motor soll z.B. mit 50% laufen, Ub=12V, Im=2A,
--> Transistor als Längsregler: Pv(Transistor)=6V*2A=12W,
--> Transistor als Schalter: Pv=0,7V (Uce)*2A/2=0,7W (/2, da Duty-Cycle 50%)

Auch ein Transistor wird bei PWM-Steuerungen im Schaltbetrieb betrieben. Jedenfalls bei größeren Strömen.