INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE

DE PNUCO

Ingeniera Electrnica

Ingeniero: Manuel Antonio Arenas Mndez

Materia: Micro controladores y

Microprocesadores II

Trabajo de Investigacin.

Integrantes:

Martnez Francisco Jess Emmanuel

Garca Hernndez Jair

Ramos Hernndez Gerardo

E701

Modulacin por ancho de pulsos

La modulacin por ancho de pulsos (tambin conocida como PWM, siglas en

ingls de pulse-width modulation) de una seal o fuente de energa es una tcnica

en la que se modifica el ciclo de trabajo de una seal peridica (una senoidal o

una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir informacin a travs de un

canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energa que se enva a

una carga.

Fig. 1: una seal de onda cuadrada de amplitud acotada ( , ) mostrando el

ciclo de trabajo D.

El ciclo de trabajo de una seal peridica es el ancho relativo de su parte positiva

en relacin con el perodo. Expresado matemticamente:

D es el ciclo de trabajo

es el tiempo en que la funcin es positiva (ancho del pulso)

T es el perodo de la funcin

La construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un

comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un

oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la

seal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la seal

dientes de sierra y el ciclo de trabajo est en funcin de la portadora.

La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que

haya interferencias generadas por radiofrecuencia. stas pueden minimizarse

ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de

alimentacin.

Tcnicas de modulacin por anchos de pulsos

Existen varia tcnicas propuestas de modulacin PWM entre ellas tenemos

Modulacin de pulso simple

Es una tcnica de modulacin bsica, requiere solamente de dos conmutaciones

por ciclo, sin embargo, slo se usa en aplicaciones limitadas, por ejemplo, en

alimentacin de motores de induccin de media y baja potencia, debido al gran

contenido de armnicos que presenta la onda cuasi cuadrada, lo cual provoca que

la operacin del motor de induccin sea ineficiente y tenga un desempeo

insatisfactorio a bajas velocidades. A pesar de esta limitacin, esta tcnica ofrece

menos prdidas por conmutacin que el resto de las tcnicas.

Modulacin de pulsos mltiples

Esta se caracteriza por el utilizar un tren de pulsos por semiperodo. Todos los

pulsos tienen el mismo ancho. En este tipo de modulacin, al aumentar el nmero

de pulsos o el ancho de los mismos, disminuye el contenido de armnicos relativo

de la onda a partir de un nmero de pulsos igual a 10, la reduccin en el contenido

de armnicos relativo no es apreciable y la frecuencia en el inversor es muy alta.

Modulacin sinusoidal

La tcnica de modulacin por ancho de pulso sinusoidal (SPWM), es la ms

comnmente utilizada y existen algunas variaciones de la misma, las cuales

optimizan algn criterio en particular.

El contenido de armnicos en el voltaje de salida del convertidor puede ser

reducido considerablemente usando un conjunto de pulsos en cada semiperodo.

Si esa modulacin se realiza con una funcin sinusoidal, se obtiene una marcada

reduccin en el contenido de armnicos de la salida. En este mtodo, una seal

portadora triangular, se compara con una onda moduladora sinusoidal para

determinar los instantes de conmutacin. Esta tcnica de modulacin puede ser

implementada fcilmente utilizando circuitos analgicos, sin embargo, su

implementacin en sistemas digitales o a microprocesadores no resulta fcil, pues

el ancho de los pulsos no se puede obtener a travs de funciones analticas. Para

la implementacin en este tipo de sistemas, sin embargo, varias tcnicas como la

de muestreo natural, regular y optimizado, as como otros mtodos, son usados

para calcular el ancho de los pulsos. Adems los mtodos de eliminacin de

armnicos han sido propuestos, especficamente para sistemas digitales.

Razn de modulacin

Razn de modulacin (Carrier Ratio) es la relacin entre la frecuencia de la onda

portadora y la frecuencia fundamental se le denomina razn de la portadora o de

modulacin.

referenciaportadoraffn= (2.1)

Para disminuir el contenido de armnicos, esta razn es de gran importancia,

donde su valor debe ser alto y as obtener un gran nmero de pulsos en la onda

fundamental. Este nmero de pulsos est limitado por el tipo de dispositivos de

potencia utilizados.

Sin embargo, existen varios motivos para limitar la relacin n:

a) Existe un lmite con respecto a la velocidad a la cual los dispositivos de potencia

pueden ser activados o desactivados. Adems, cada desactivacin forzada de un

tiristor cuesta energa. Por lo tanto una relacin elevada de n (frecuentes des

energizaciones) corresponde a una reduccin del rendimiento del convertidor de

frecuencia. Si los tiristores del inversor se sustituyen por transistores es posible

reducir las prdidas por des energizacin.

b) Una relacin de n elevada corresponde a numerosos agujeros en la tensin, la

cual, por tanto, no puede tomar el valor mximo; sin embargo, este valor es

necesario cuando se desea obtener el par mximo a frecuencia nominal del motor.

Pero a bajas frecuencias es normal tener una relacin elevada de n, y obtener una

tensin que corresponde a la frecuencia.

ndice de modulacin

Para variar el voltaje se vara la relacin entre el valor mximo de la onda

moduladora y el de la portadora. Esta relacin se denomina ndice de modulacin

o profundidad de modulacin y se define como:

)max(portadora)max(referenciavvm= (2.2)

Modulacin en zona lineal y sobre modulacin

Cuando el ndice de modulacin de amplitud es menor que la unidad (m 1), el sistema entra en un estado de

saturacin denominada

Sobre modulacin, donde ya no se verifica la relacin anterior, y la seal PWM de

salida tiene una mayor tasa de armnicos.

Modulacin PWM natural

La mayora de los inversores PWM analgicos implementados utilizan esquemas

de control que emplean tcnicas de muestreo natural. Una realizacin prctica,

mostrando los rasgos generales de ese modo de muestreo, es ilustrada en la

figura 2.3. Esta tcnica de modulacin se denomina PWM de muestreo natural, o

sencillamente PWM natural o triangular. En la figura se puede apreciar que una

onda portadora triangular es comparada directamente con una onda sinusoidal

moduladora, para determinar el instante de conmutacin, y por consiguiente, el

ancho del pulso resultante.

Es importante sealar que, debido a que los bordes de conmutacin de la

modulacin por ancho de pulso, son determinados por la intercepcin instantnea

de las dos ondas, el ancho de pulso resultante es proporcional a la amplitud de la

onda moduladora en el instante en

que ocurre la conmutacin. Esto tiene dos consecuencias importantes: la primera

es que los centros de los pulsos de la onda, en la modulacin por ancho de pulso

resultante, no estn equidistantes o uniformemente espaciados y la segunda es,

que no es posible definir el ancho de los pulsos utilizando expresiones analticas.

De hecho, es til mostrar que el ancho de pulso slo puede ser definido utilizando

una ecuacin trascendental de la forma:

(++=21sensen212ttVTtpm (2.3)

Donde,

tp : Ancho del pulso.

T : Perodo de la seal moduladora.

Vm : Amplitud de la seal moduladora.

t1 : Inicio del pulso modulado.

t2 : Fin del pulso modulado.

Debido a esta relacin trascendental existente entre los tiempos de conmutacin,

no es posible calcular directamente el ancho de los pulsos modulados. Por lo

tanto, el ancho de los pulsos slo puede ser definido en trminos de una serie de

funciones Bessel.

Para construir un modelo computacional de la modulacin natural se requiere del

proceso ilustrado en la figura 2.3, el cual puede ser simulado directamente en la

computadora y el instante de conmutacin de la PWM es determinado usando

tcnicas numricas, como los mtodos de Gauss - Seidel o Newton - Raphson.

Por ello, dichas ecuaciones no pueden ser utilizadas directamente, excepto en

sistemas a microprocesadores con gran capacidad para el clculo aritmtico. Otra

solucin es utilizar

una computadora para el clculo de los instantes de conmutacin y luego grabarlo

en una memoria de slo lectura para su posterior uso, pero esto requiere de un

gran espacio de memoria para guardar los anchos de pulso para un amplio rango

de voltaje y frecuencia de la salida.

Figura 2.3. PWM Natural de dos niveles.

Donde,

a - Onda moduladora.

b - Onda portadora.

c - Voltaje PWM.

d - Armnico fundamental del voltaje PWM.

Tambin es posible generar un tercer nivel de la forma de onda de la modulacin

por ancho de pulso por conmutaciones entre (+1 y -1) como se muestra en la

figura 2.4. Esta forma de modulacin por ancho de pulso de tres niveles es tpica

de la forma de onda del voltaje de lnea en inversores monofsicos y trifsicos, no

incluye el portador de armnicos de frecuencia. La forma de onda de tres niveles

puede ser generada por la combinacin de las formas de onda de PWM de dos

niveles de dos fases adecuadamente o generadas directamente como se muestra

en la figura 2.4. Como se puede apreciar en la misma, el pulso cambia de

polaridad cada medio ciclo, y por consiguiente, el ancho de pulso en este medio

ciclo requiere, para ser modulado, del semiciclo positivo de una onda moduladora.

PWM Natural de tres niveles.

Donde,

a - Onda moduladora.

b - Onda portadora.

c - PWM de dos niveles.

d - Polaridad del circuito de control.

e - Voltaje del PWM de tres niveles.

f - Armnico fundamental del voltaje PWM

La onda no sinusoidal representa la funcin de disparos lgicos o secuencia de

disparos, la cual es necesaria aplicar correctamente para la conmutacin de los

dispositivos de potencia en el circuito inversor.

Una vez obtenidos los modelos computarizados de dos y tres niveles de la PWM

natural, entonces, estos pueden ser utilizados como bloque bsico para construir

una amplia variedad de sistemas inversores monofsicos y polifsicos con PWM

natural.

Aplicaciones

En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la

modulacin PWM, adems de otros muy particulares para lograr circuitos

funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores,

controles de elementos termoelctricos, choppers para sensores en ambientes

ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de

integrados compaas como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y

algunas otras ms.

Diagrama de ejemplo de la utilizacin de la modulacin de ancho de pulsos en un

variador de frecuencia.

En los motores

La modulacin por ancho de pulsos es una tcnica utilizada para regular la

velocidad de giro de los motores elctricos de induccin o asncronos. Mantiene el

par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energa elctrica.

Se utiliza tanto en corriente continua como en alterna, como su nombre lo indica,

al controlar: un momento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo

(apagado o desconectado), controlado normalmente por relevadores (baja

frecuencia) o MOSFET o tiristores (alta frecuencia).

Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensin elctrica, con lo que

disminuye el par motor; o interponen una resistencia elctrica, con lo que se pierde

energa en forma de calor en esta resistencia.

Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsos de

duracin constante, lo que se llama modulacin por frecuencia de pulsos.

En los motores de corriente alterna tambin se puede utilizar la variacin de

frecuencia.

La modulacin por ancho de pulsos tambin se usa para controlar servomotores,

los cuales modifican su posicin de acuerdo al ancho del pulso enviado cada un

cierto perodo que depende de cada servo motor. Esta informacin puede ser

enviada utilizando un microprocesador como el Z80, o un microcontrolador (por

ejemplo, un PIC 16F877A de la empresa Microchip).

Como parte de un conversor ADC

Otra aplicacin es enviar informacin de manera analgica. Es til para

comunicarse de forma analgica con sistemas digitales.

Para un sistema digital, es relativamente fcil medir cuanto dura una onda

cuadrada. Sin embargo, si no se tiene un conversor analgico digital no se puede

obtener informacin de un valor analgico, ya que slo se puede detectar si hay

una determinada tensin, 0 o 5 voltios por ejemplo (valores digitales de 0 y 1), con

una cierta tolerancia, pero no puede medirse un valor analgico. Sin embargo, el

PWM en conjuncin con un oscilador digital, un contador y una puerta AND como

puerta de paso, podran fcilmente implementar un ADC

PWM = Pulse Width Modulation, Modulacion del Ancho de Pulso

La tecnica PWM

La tcnica PWM tiene muchas aplicaciones como pueden ser un Dimmer de luz,

Control de velocidad de un Motor, y Convertidores DA y AD.

Hay muchos circuitos analgicos para el uso de PWM, por ej. Los basados en el

famoso LM555, que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho.

La forma de onda de un PWM se puede ver enseguida:

Como se observa, se tiene la misma frecuencia con un diferente ancho de pulso (o

ciclo de trabajo) de esta manera podemos regular la cantidad de energa que es

aplicada a una planta como un motor DC o una lmpara, controlando de esta

manera su velocidad o intensidad de luz.

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un

circuito analgico, como lo son la precisin y un mejor control de las variables

involucradas adems de espacio y ahorro de energa. Como el micro trabaja a 5V,

puede usarse como disparador de Driver como un transistor de potencia o SCR

para controlar cargas mayores.

CARACTERSTICA 18F2550 18F4550 Frecuencia de operacin

Hasta 48 MHz Hasta 48 MHz

Memoria de programa 32 Kbytes 32 Kbytes

Memoria RAM 2 Kbytes 2 Kbytes

Memoria EEPROM 256 bytes 256 bytes

Lneas de E/S 24 35

Fuentes de interrupcin 19 20

Temporizadores 4 4

Conversor A/D 10 bits 10 canales 13 canales

Comparadores anlogos 2 2

Comunicacin serial EAUSART, SPI, I2C EAUSART, SPI, I2C

Comunicacin USB 1 1

Mdulos PWM 2 2

A continuacion se muestra en la figura 1 y figura 2 la distribucin de los pines para

el 18f2550 y 18f4550 respectivamente.

Figura 1: Distribucin de pines del 18f2550 (Data sheet)

Figura 1: Distribucin de pines del 18f4550 (Data sheet)

CONFIGURACIN DEL OSCILADOR PRINCIPAL

Los microcontroladores 18F2550 y 18F4550 poseen un sistema del oscilador

principal bastante complejo (ver figura 3), debido al gran nmero de posibilidades

que ste ofrece. Para la seleccin del cristal, hay que tener en cuenta que

frecuencia de operacin del microcontrolador se desea, la mxima permitida es de

48MHz.

Figura 3: Diagrama interno del reloj del microcontrolador(Data sheet)

Si se desea trabajar con una frecuencia de operacin de 48MHz, no

necesariamente se requiere utilizar un cristal de esta velocidad, puesto que

internamente posee un PLL que aumenta de 4MHz a 96MHz, entonces se puede

utilizar cualquier cristal que al ajustar los diferentes bloques, me proporcione una

entrada de 4 MHz al PLL.

Por ejemplo se quiere una frecuencia de operacin del microcontrolador a 48MHz,

pero solo se tiene un cristal de 12 MHz, la configuracin adecuada se muestra en

la figura 4.

Figura 4: Configuracin para obtener 48MHz a partir de un cristal de 12 MHz

Inicialmente se tiene un cristal de 12 MHz, el cual pasa por un mux, que es

controlado por las entradas PLLDIV, estas entradas seleccionan la divisin por 3,

obtenido a la salida del mux 4MHz que es la frecuencia necesaria para que el PLL

proporcione 96 MHz, despus del PLL pasa por otro mux que es controlado por

las entradas CPUDIV, estas seleccionan la divisin por 2 obteniendo a la salida 48

MHz, que es la frecuencia que finalmente utilizara la CPU para su funcionamiento.

PALABRA DE CONFIGURACIN

La palabra de configuracin define muchos parmetros necesarios para el buen

funcionamiento del microcontrolador, entre ellos se encuentran los bloques del

diagrama del reloj, perro guardin, programacin a bajo voltaje, tipo de cristal,

cdigo de proteccin, entre otros. A continuacin se define la palabra de

configuracin para utilizar un cristal de 12MHz.

#FUSES HSPLL, PLL3, CPUDIV1, MCLR, NOWDT, NOPROTECT, NOLVP,

NODEBUG

En la tabla 2 se pueden apreciar las diferentes nomenclaturas que se utilizan para

la seleccin del cristal, estas dependen de la velocidad de operacin y del tipo de

oscilador que se desea utilizar.

En la tabla 3 se explican cada una de las partes de la palabra de configuracin,

sta puede tener ms o menos elementos dependiendo de los mdulos que se

estn configurando, cuando el elemento posee un NO antes quiere decir que se

est deshabilitado, esta palabra tambin es requerida por el software de

programacin (PICkit 2). En el caso de ser omitida la palabra de configuracin el

software enva un mensaje indicando dicha falencia.

Tabla 2: Nomenclatura para los diferentes tipos de cristales

TIPO DESCRIPCIN

XT Cristales con frecuencia no superior a 4MHz

XTPLL Cristales con frecuencia no superior a 4MHz con PLL activo

HS Cristales con frecuencia superior a 4MHz

HSPLL Cristales con frecuencias superiores a 4MHz PLL activo

EC Reloj externo con FOSC/4 de salida

ECIO Reloj externo con I/O en RA6

ECPLL Reloj externo con PLL activo

ECPIO Reloj externo con PLL activo y con I/O en RA6

INTHS Oscilador interno como fuente de reloj del microcontrolador, el oscilador HS

utilizado como fuente de reloj del USB

INTXT Oscilador interno como fuente de reloj del microcontrolador, el oscilador XT

utilizado como fuente de reloj del USB

INTIO Oscilador interno como fuente de reloj del microcontrolador, el oscilador EC

utilizado como fuente de reloj del USB, con FOSC/4 de salida RA6

INTCKO Oscilador interno como fuente de reloj del microcontrolador, el oscilador EC

utilizado como fuente de reloj del USB, I/O en RA6

Figura 5: Estructura bsica de un programa

En primer lugar se debe incluir la librera del microcontrolador con que se desea

trabajar, sta carga todas las funciones y caractersticas correspondientes a dicho

microcontrolador.

La palabra de configuracin define varios parmetros necesarios para el buen

funcionamiento del microcontrolador, como ya se explico anteriormente.