મોટર કંટ્રોલનું સરળીકરણ: PWM સિગ્નલ જનરેશન માટે એક વ્યાપક માર્ગદર્શિકા

પલ્સ વિડ્થ મોડ્યુલેશન (PWM) એ એક શક્તિશાળી તકનીક છે જેનો ઉપયોગ વિશ્વભરમાં મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સમાં વ્યાપકપણે થાય છે. તેની વર્સેટાલિટી, કાર્યક્ષમતા અને અમલીકરણની સરળતાએ તેને આધુનિક એમ્બેડેડ સિસ્ટમ્સ અને પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સનો પાયાનો પથ્થર બનાવ્યો છે. આ વ્યાપક માર્ગદર્શિકાનો ઉદ્દેશ PWM સિગ્નલ જનરેશનની ઊંડી સમજ પૂરી પાડવાનો છે, જેમાં તેના મૂળભૂત સિદ્ધાંતો, વિવિધ અમલીકરણ પદ્ધતિઓ, વ્યવહારુ વિચારણાઓ અને આંતરરાષ્ટ્રીય એન્જિનિયરિંગ પ્રોજેક્ટ્સ માટે સંબંધિત અદ્યતન વિષયોને આવરી લેવામાં આવ્યા છે.

પલ્સ વિડ્થ મોડ્યુલેશન (PWM) શું છે?

PWM એ ઊંચી ફ્રીક્વન્સી પર પાવર સપ્લાયને ચાલુ અને બંધ કરીને ઇલેક્ટ્રિકલ લોડને પહોંચાડવામાં આવતી સરેરાશ પાવરને નિયંત્રિત કરવાની એક પદ્ધતિ છે. "પલ્સ વિડ્થ" એ સાઇકલના કુલ સમયગાળાની તુલનામાં સિગ્નલ 'ઓન' સ્ટેટ (હાઇ વોલ્ટેજ) માં રહેવાના સમયનો ઉલ્લેખ કરે છે. આ ગુણોત્તર, ટકાવારી તરીકે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે, તેને ડ્યુટી સાઇકલ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

ઉદાહરણ તરીકે, 50% ડ્યુટી સાઇકલનો અર્થ એ છે કે સિગ્નલ અડધા સમયગાળા માટે 'ઓન' અને બાકીના અડધા માટે 'ઓફ' છે. ઊંચી ડ્યુટી સાઇકલ લોડને વધુ પાવર પહોંચાડે છે, જ્યારે નીચી ડ્યુટી સાઇકલ ઓછી પાવર પહોંચાડે છે.

PWM સિગ્નલના મુખ્ય પરિમાણો

• ફ્રીક્વન્સી: જે દરે PWM સિગ્નલ તેની સાઇકલનું પુનરાવર્તન કરે છે (હર્ટ્ઝ - Hz માં માપવામાં આવે છે). ઊંચી ફ્રીક્વન્સી સામાન્ય રીતે સરળ મોટર ઓપરેશન તરફ દોરી જાય છે પરંતુ સ્વિચિંગ લોસમાં વધારો કરી શકે છે.
• ડ્યુટી સાઇકલ: દરેક સાઇકલમાં સિગ્નલ 'ઓન' રહેવાનો સમય (ટકાવારી અથવા 0 અને 1 વચ્ચેના દશાંશ મૂલ્ય તરીકે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે). આ સીધું મોટર પર લાગુ થતા સરેરાશ વોલ્ટેજને નિયંત્રિત કરે છે.
• રિઝોલ્યુશન: ઉપલબ્ધ ડ્યુટી સાઇકલના અલગ-અલગ સ્તરની સંખ્યા. ઊંચું રિઝોલ્યુશન મોટરની ગતિ અને ટોર્ક પર વધુ સૂક્ષ્મ નિયંત્રણ પૂરું પાડે છે. રિઝોલ્યુશન ઘણીવાર બિટ્સમાં વ્યક્ત થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, 8-બિટ PWM માં 256 (2^8) સંભવિત ડ્યુટી સાઇકલ મૂલ્યો હોય છે.

મોટર કંટ્રોલ માટે PWM શા માટે વાપરવું?

PWM મોટર કંટ્રોલની પરંપરાગત એનાલોગ પદ્ધતિઓ કરતાં ઘણા ફાયદાઓ પ્રદાન કરે છે, જે તેને ઘણી એપ્લિકેશન્સમાં પસંદગીની પદ્ધતિ બનાવે છે:

• કાર્યક્ષમતા: PWM સ્વિચિંગ મોડમાં કાર્ય કરે છે, જે સ્વિચિંગ ઉપકરણો (દા.ત., MOSFETs, IGBTs) માં પાવર ડિસીપેશનને ઘટાડે છે. આના પરિણામે લિનિયર વોલ્ટેજ રેગ્યુલેટર્સની તુલનામાં ઊંચી ઊર્જા કાર્યક્ષમતા મળે છે, જે વધારાની શક્તિને ગરમી તરીકે વિખેરી નાખે છે. આ ખાસ કરીને બેટરી-સંચાલિત ઉપકરણો અથવા એપ્લિકેશન્સમાં મહત્વપૂર્ણ છે જ્યાં ઊર્જા સંરક્ષણ નિર્ણાયક છે.
• સૂક્ષ્મ નિયંત્રણ: ડ્યુટી સાઇકલ બદલીને, PWM મોટર પર લાગુ થતા સરેરાશ વોલ્ટેજ પર ચોક્કસ નિયંત્રણની મંજૂરી આપે છે, જે સચોટ ગતિ અને ટોર્ક નિયમનને સક્ષમ કરે છે.
• લવચીકતા: PWM ને માઇક્રોકન્ટ્રોલર્સ, ડિજિટલ સિગ્નલ પ્રોસેસર્સ (DSPs), અને ડેડિકેટેડ PWM કંટ્રોલર્સનો ઉપયોગ કરીને સરળતાથી જનરેટ કરી શકાય છે. આ સિસ્ટમ ડિઝાઇનમાં લવચીકતા પૂરી પાડે છે અને અન્ય કંટ્રોલ અલ્ગોરિધમ્સ સાથે એકીકરણની મંજૂરી આપે છે.
• ઓછું હીટ ડિસીપેશન: કારણ કે સ્વિચિંગ ઉપકરણો કાં તો સંપૂર્ણપણે ચાલુ હોય છે અથવા સંપૂર્ણપણે બંધ હોય છે, લિનિયર કંટ્રોલ પદ્ધતિઓની તુલનામાં હીટ ડિસીપેશન નોંધપાત્ર રીતે ઘટી જાય છે. આ થર્મલ મેનેજમેન્ટને સરળ બનાવે છે અને મોટા હીટ સિંકની જરૂરિયાત ઘટાડે છે.

PWM સિગ્નલ જનરેટ કરવાની પદ્ધતિઓ

PWM સિગ્નલને વિવિધ તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને જનરેટ કરી શકાય છે, જેમાં સરળ એનાલોગ સર્કિટથી લઈને અત્યાધુનિક માઇક્રોકન્ટ્રોલર-આધારિત સોલ્યુશન્સનો સમાવેશ થાય છે. અહીં કેટલીક સામાન્ય પદ્ધતિઓ છે:

૧. એનાલોગ PWM જનરેશન

એનાલોગ PWM જનરેશનમાં સામાન્ય રીતે રેફરન્સ વોલ્ટેજ (ઇચ્છિત ડ્યુટી સાઇકલનું પ્રતિનિધિત્વ કરતું) ને સોટૂથ અથવા ટ્રાયેન્ગલ વેવફોર્મ સાથે સરખાવવા માટે કમ્પેરેટરનો ઉપયોગ શામેલ હોય છે. જ્યારે સોટૂથ વેવફોર્મ રેફરન્સ વોલ્ટેજ કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે કમ્પેરેટર આઉટપુટ સ્વિચ થાય છે, જે PWM સિગ્નલ બનાવે છે.

ફાયદા: સહેલાઈથી ઉપલબ્ધ ઘટકો સાથે અમલ કરવો સરળ છે. ગેરફાયદા: મર્યાદિત ચોકસાઈ અને લવચીકતા. ઘટકોની વિવિધતા અને તાપમાનના પ્રભાવ માટે સંવેદનશીલ. જટિલ કંટ્રોલ અલ્ગોરિધમ્સ માટે યોગ્ય નથી.

ઉદાહરણ: RC સર્કિટ દ્વારા જનરેટ કરાયેલ સોટૂથ વેવ સાથે કમ્પેરેટર તરીકે ગોઠવેલ ઓપરેશનલ એમ્પ્લીફાયર (op-amp) અને ડ્યુટી સાઇકલ સેટ કરવા માટે વેરિયેબલ વોલ્ટેજ ડિવાઇડરનો ઉપયોગ કરવો. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ ઘણીવાર મૂળભૂત મોટર કંટ્રોલ સર્કિટ અથવા શૈક્ષણિક પ્રદર્શનોમાં થાય છે.

૨. માઇક્રોકન્ટ્રોલર-આધારિત PWM જનરેશન

આધુનિક મોટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સમાં PWM સિગ્નલ જનરેટ કરવા માટે માઇક્રોકન્ટ્રોલર્સ સૌથી સામાન્ય પ્લેટફોર્મ છે. મોટાભાગના માઇક્રોકન્ટ્રોલર્સમાં બિલ્ટ-ઇન PWM મોડ્યુલ્સ (ટાઇમર્સ/કાઉન્ટર્સ) હોય છે જેને ફ્રીક્વન્સી, ડ્યુટી સાઇકલ અને રિઝોલ્યુશન પર ચોક્કસ નિયંત્રણ સાથે PWM સિગ્નલ જનરેટ કરવા માટે ગોઠવી શકાય છે.

ફાયદા: ઉચ્ચ ચોકસાઈ, લવચીકતા અને પ્રોગ્રામેબિલિટી. જટિલ કંટ્રોલ અલ્ગોરિધમ્સનો અમલ કરવો અને અન્ય પેરિફેરલ્સ સાથે એકીકૃત કરવું સરળ છે. ફ્રીક્વન્સી, ડ્યુટી સાઇકલ અને રિઝોલ્યુશન માટે વિકલ્પોની વિશાળ શ્રેણી. ન્યૂનતમ બાહ્ય ઘટકોની જરૂર છે. ગેરફાયદા: પ્રોગ્રામિંગ કૌશલ્ય અને માઇક્રોકન્ટ્રોલર પેરિફેરલ્સની સમજની જરૂર છે.

અમલીકરણના પગલાં:

1. ટાઇમર/કાઉન્ટરને ગોઠવો: માઇક્રોકન્ટ્રોલરની અંદર યોગ્ય ટાઇમર/કાઉન્ટર મોડ્યુલ પસંદ કરો અને તેના ઓપરેટિંગ મોડને ગોઠવો (દા.ત., PWM મોડ, કમ્પેર મોડ).
2. PWM ફ્રીક્વન્સી સેટ કરો: ઇચ્છિત PWM ફ્રીક્વન્સી પ્રાપ્ત કરવા માટે જરૂરી ટાઇમર પ્રીસ્કેલર અને કમ્પેર વેલ્યુની ગણતરી કરો. આ માઇક્રોકન્ટ્રોલરની ક્લોક ફ્રીક્વન્સી પર આધાર રાખે છે.
3. ડ્યુટી સાઇકલ સેટ કરો: યોગ્ય કમ્પેર રજિસ્ટરમાં ઇચ્છિત ડ્યુટી સાઇકલ મૂલ્ય લખો. માઇક્રોકન્ટ્રોલર આ મૂલ્યના આધારે આપમેળે PWM સિગ્નલ જનરેટ કરે છે.
4. PWM આઉટપુટને સક્ષમ કરો: સંબંધિત માઇક્રોકન્ટ્રોલર પિનને આઉટપુટ તરીકે ગોઠવો અને PWM આઉટપુટ ફંક્શનને સક્ષમ કરો.

ઉદાહરણ (Arduino):

```arduino int motorPin = 9; // Digital pin connected to the motor driver int speed = 150; // Motor speed (0-255, corresponding to 0-100% duty cycle) void setup() { pinMode(motorPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(motorPin, speed); // Generate PWM signal with specified duty cycle delay(100); // Keep the speed for 100ms } ```

ઉદાહરણ (STM32):

આમાં STM32 HAL લાઇબ્રેરીનો ઉપયોગ કરીને TIM (ટાઇમર) પેરિફેરલને ગોઠવવાનો સમાવેશ થાય છે.

```c // Example assumes TIM3 is used on channel 1 (PA6 pin) TIM_HandleTypeDef htim3; //Configure the Timer void MX_TIM3_Init(void) { TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 71; // Adjust Prescaler for desired frequency htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 999; // Adjust Period for desired frequency htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; HAL_TIM_Base_Init(&htim3); sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig); HAL_TIM_PWM_Init(&htim3); sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig); sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 500; // Adjust Pulse for duty cycle (0-999) sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_MspPostInit(&htim3); } //Start the PWM HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); ```

૩. ડેડિકેટેડ PWM કંટ્રોલર્સ

ડેડિકેટેડ PWM કંટ્રોલર ICs, ખાસ કરીને હાઈ-પાવર મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સમાં, PWM સિગ્નલ જનરેટ કરવા માટે એક અનુકૂળ અને ઘણીવાર વધુ કાર્યક્ષમ ઉકેલ પૂરો પાડે છે. આ ICs માં સામાન્ય રીતે બિલ્ટ-ઇન સુરક્ષા સુવિધાઓ, જેમ કે ઓવરકરન્ટ અને ઓવરવોલ્ટેજ પ્રોટેક્શન, શામેલ હોય છે અને તે અદ્યતન કંટ્રોલ કાર્યો ઓફર કરી શકે છે.

ફાયદા: ઉચ્ચ પ્રદર્શન, સંકલિત સુરક્ષા સુવિધાઓ, સરળ ડિઝાઇન, ઘણીવાર વિશિષ્ટ મોટર પ્રકારો માટે ઓપ્ટિમાઇઝ કરેલ. ગેરફાયદા: માઇક્રોકન્ટ્રોલર-આધારિત સોલ્યુશન્સની તુલનામાં ઓછી લવચીકતા, ડિસ્ક્રીટ ઘટકોની તુલનામાં વધુ ખર્ચ.

ઉદાહરણ: Texas Instruments DRV8301 અથવા DRV8305 ગેટ ડ્રાઇવર IC નો ઉપયોગ, જેમાં થ્રી-ફેઝ મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સ માટે ખાસ ડિઝાઇન કરાયેલ બહુવિધ PWM ચેનલો અને સુરક્ષા સુવિધાઓ શામેલ છે. આ ICs નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે બ્રશલેસ DC (BLDC) મોટર ડ્રાઇવ્સમાં રોબોટિક્સ, ડ્રોન અને ઔદ્યોગિક ઓટોમેશન માટે થાય છે.

PWM ના મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સ

PWM નો ઉપયોગ વિવિધ મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સમાં થાય છે, જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:

• DC મોટર સ્પીડ કંટ્રોલ: DC મોટર પર લાગુ PWM સિગ્નલની ડ્યુટી સાઇકલ બદલીને, તેની ગતિને ચોક્કસપણે નિયંત્રિત કરી શકાય છે. આનો વ્યાપક ઉપયોગ રોબોટિક્સ, ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને ગ્રાહક ઉપકરણોમાં થાય છે.
• સર્વો મોટર કંટ્રોલ: સર્વો મોટર્સ તેમની સ્થિતિને નિયંત્રિત કરવા માટે PWM સિગ્નલનો ઉપયોગ કરે છે. પલ્સની પહોળાઈ મોટર શાફ્ટની કોણીય સ્થિતિ નક્કી કરે છે. સર્વો મોટર્સ રોબોટિક્સ, મોડેલ એરપ્લેન અને ઔદ્યોગિક ઓટોમેશનમાં પ્રચલિત છે.
• સ્ટેપર મોટર કંટ્રોલ: જોકે સ્ટેપર મોટર્સ સામાન્ય રીતે ડેડિકેટેડ સ્ટેપર મોટર ડ્રાઇવર્સનો ઉપયોગ કરીને નિયંત્રિત થાય છે, PWM નો ઉપયોગ મોટર વાઇન્ડિંગ્સમાં કરંટને નિયંત્રિત કરવા માટે થઈ શકે છે, જે માઇક્રોસ્ટેપિંગ અને સુધારેલ પ્રદર્શનને સક્ષમ કરે છે.
• બ્રશલેસ DC (BLDC) મોટર કંટ્રોલ: BLDC મોટર્સને ઇલેક્ટ્રોનિક કમ્યુટેશનની જરૂર પડે છે, જે સામાન્ય રીતે માઇક્રોકન્ટ્રોલર અથવા ડેડિકેટેડ BLDC મોટર કંટ્રોલર દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે જે મોટરના ફેઝ કરંટને નિયંત્રિત કરવા માટે PWM સિગ્નલ જનરેટ કરે છે. BLDC મોટર્સનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, ડ્રોન અને પાવર ટૂલ્સ સહિત વિવિધ એપ્લિકેશન્સમાં થાય છે.
• ઇન્વર્ટર કંટ્રોલ: ઇન્વર્ટર DC સ્ત્રોતમાંથી AC વેવફોર્મ જનરેટ કરવા માટે PWM નો ઉપયોગ કરે છે. PWM સિગ્નલ સાથે પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટર (દા.ત., MOSFETs અથવા IGBTs) ના સ્વિચિંગને નિયંત્રિત કરીને, ઇન્વર્ટર એડજસ્ટેબલ ફ્રીક્વન્સી અને એમ્પ્લિટ્યુડ સાથે સાઇનુસોઇડલ AC વોલ્ટેજ ઉત્પન્ન કરી શકે છે. ઇન્વર્ટરનો ઉપયોગ રિન્યુએબલ એનર્જી સિસ્ટમ્સ, અનઇન્ટરપ્ટિબલ પાવર સપ્લાય (UPS) અને મોટર ડ્રાઇવ્સમાં થાય છે.

મોટર કંટ્રોલમાં PWM સિગ્નલ જનરેશન માટેની વિચારણાઓ

જ્યારે મોટર કંટ્રોલ માટે PWM નો અમલ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પ્રદર્શનને ઓપ્ટિમાઇઝ કરવા અને વિશ્વસનીય કામગીરી સુનિશ્ચિત કરવા માટે ઘણા પરિબળો ધ્યાનમાં લેવા આવશ્યક છે:

૧. PWM ફ્રીક્વન્સીની પસંદગી

PWM ફ્રીક્વન્સીની પસંદગી નિર્ણાયક છે અને તે ચોક્કસ મોટર અને એપ્લિકેશન પર આધાર રાખે છે. ઊંચી ફ્રીક્વન્સી સામાન્ય રીતે સરળ મોટર ઓપરેશન અને ઘટાડેલા શ્રાવ્ય અવાજમાં પરિણમે છે પરંતુ પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં સ્વિચિંગ લોસ વધારે છે. નીચી ફ્રીક્વન્સી સ્વિચિંગ લોસ ઘટાડી શકે છે પરંતુ મોટર વાઇબ્રેશન અને શ્રાવ્ય અવાજનું કારણ બની શકે છે.

સામાન્ય માર્ગદર્શિકા:

• DC મોટર્સ: 1 kHz અને 20 kHz વચ્ચેની ફ્રીક્વન્સી સામાન્ય રીતે વપરાય છે.
• સર્વો મોટર્સ: PWM ફ્રીક્વન્સી સામાન્ય રીતે સર્વો મોટરના સ્પષ્ટીકરણો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે (ઘણીવાર લગભગ 50 Hz).
• BLDC મોટર્સ: સ્વિચિંગ લોસ અને શ્રાવ્ય અવાજને ઘટાડવા માટે 10 kHz અને 50 kHz વચ્ચેની ફ્રીક્વન્સીનો ઉપયોગ થાય છે.

PWM ફ્રીક્વન્સી પસંદ કરતી વખતે મોટરની ઇન્ડક્ટન્સ અને પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સ્વિચિંગ લાક્ષણિકતાઓ ધ્યાનમાં લો. વધુ ઇન્ડક્ટન્સવાળી મોટર્સને વધુ પડતા કરંટ રિપલને રોકવા માટે નીચી ફ્રીક્વન્સીની જરૂર પડી શકે છે. ઝડપી સ્વિચિંગ ટ્રાન્ઝિસ્ટર સ્વિચિંગ લોસમાં નોંધપાત્ર વધારા વિના ઊંચી ફ્રીક્વન્સીની મંજૂરી આપે છે.

૨. ડ્યુટી સાઇકલ રિઝોલ્યુશન

ડ્યુટી સાઇકલ રિઝોલ્યુશન મોટરની ગતિ અને ટોર્ક પર નિયંત્રણની સૂક્ષ્મતા નક્કી કરે છે. ઉચ્ચ રિઝોલ્યુશન વધુ સૂક્ષ્મ ગોઠવણો અને સરળ કામગીરીની મંજૂરી આપે છે, ખાસ કરીને ઓછી ગતિએ. જરૂરી રિઝોલ્યુશન એપ્લિકેશનની ચોકસાઈની જરૂરિયાતો પર આધાર રાખે છે.

ઉદાહરણ: 8-બિટ PWM 256 અલગ ડ્યુટી સાઇકલ સ્તર પૂરા પાડે છે, જ્યારે 10-બિટ PWM 1024 સ્તર પૂરા પાડે છે. ચોક્કસ ગતિ નિયંત્રણની જરૂર હોય તેવી એપ્લિકેશન્સ માટે, ઉચ્ચ રિઝોલ્યુશન PWM સામાન્ય રીતે પસંદ કરવામાં આવે છે.

ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન PWM મોડ્યુલ્સ (દા.ત., 12-બિટ અથવા 16-બિટ) વાળા માઇક્રોકન્ટ્રોલર્સ માંગણીવાળા મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સમાં શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન પ્રદાન કરે છે.

૩. ડેડ ટાઇમ ઇન્સર્શન

H-બ્રિજ મોટર ડ્રાઇવ્સમાં, એક ટ્રાન્ઝિસ્ટર બંધ કરવા અને વિરુદ્ધ ટ્રાન્ઝિસ્ટર ચાલુ કરવા વચ્ચે ટૂંકા વિલંબ (ડેડ ટાઇમ) દાખલ કરવો આવશ્યક છે. આ શૂટ-થ્રુ કરંટને અટકાવે છે, જે ટ્રાન્ઝિસ્ટરને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે. શૂટ-થ્રુ ત્યારે થાય છે જ્યારે H-બ્રિજના એક જ લેગના બંને ટ્રાન્ઝિસ્ટર ક્ષણિક રીતે એક જ સમયે ચાલુ હોય, જે પાવર સપ્લાય પર શોર્ટ સર્કિટ બનાવે છે.

ડેડ ટાઇમની ગણતરી: જરૂરી ડેડ ટાઇમ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સ્વિચિંગ સ્પીડ અને સર્કિટમાં સ્ટ્રે ઇન્ડક્ટન્સ પર આધાર રાખે છે. તે સામાન્ય રીતે થોડાક સો નેનોસેકન્ડથી લઈને થોડાક માઇક્રોસેકન્ડની રેન્જમાં હોય છે.

ઘણા માઇક્રોકન્ટ્રોલર PWM મોડ્યુલ્સમાં બિલ્ટ-ઇન ડેડ-ટાઇમ જનરેશન સુવિધાઓ હોય છે, જે H-બ્રિજ મોટર ડ્રાઇવ્સના અમલીકરણને સરળ બનાવે છે.

૪. ફિલ્ટરિંગ અને EMI ઘટાડો

PWM સિગ્નલ કરંટના ઝડપી સ્વિચિંગને કારણે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ટરફરન્સ (EMI) પેદા કરી શકે છે. ફિલ્ટરિંગ તકનીકોનો ઉપયોગ EMI ઘટાડવા અને સમગ્ર સિસ્ટમ પ્રદર્શનને સુધારવા માટે થઈ શકે છે. સામાન્ય ફિલ્ટરિંગ પદ્ધતિઓમાં શામેલ છે:

• ફેરાઇટ બીડ્સ: ઉચ્ચ-ફ્રીક્વન્સી અવાજને દબાવવા માટે મોટર પાવર લીડ્સ પર મૂકવામાં આવે છે.
• કેપેસિટર્સ: પાવર સપ્લાયને ડીકપલ કરવા અને વોલ્ટેજ સ્પાઇક્સને ફિલ્ટર કરવા માટે વપરાય છે.
• શિલ્ડેડ કેબલ્સ: મોટર કેબલ્સમાંથી રેડિયેટેડ ઉત્સર્જનને ઘટાડે છે.

EMI ઘટાડવા માટે સાવચેતીપૂર્વક PCB લેઆઉટ પણ નિર્ણાયક છે. ઉચ્ચ-કરંટ ટ્રેસ ટૂંકા અને પહોળા રાખો, અને કરંટ માટે લો-ઇમ્પિડન્સ રિટર્ન પાથ પ્રદાન કરવા માટે ગ્રાઉન્ડ પ્લેનનો ઉપયોગ કરો.

૫. ફીડબેક કંટ્રોલ

ચોક્કસ મોટર કંટ્રોલ માટે, ફીડબેક કંટ્રોલ તકનીકોનો વારંવાર ઉપયોગ થાય છે. ફીડબેક કંટ્રોલમાં મોટરની ગતિ, સ્થિતિ અથવા કરંટનું માપન કરવું અને ઇચ્છિત પ્રદર્શન જાળવવા માટે તે મુજબ PWM ડ્યુટી સાઇકલને સમાયોજિત કરવાનો સમાવેશ થાય છે. સામાન્ય ફીડબેક કંટ્રોલ અલ્ગોરિધમ્સમાં શામેલ છે:

• PID કંટ્રોલ: પ્રોપોર્શનલ-ઇન્ટિગ્રલ-ડેરિવેટિવ (PID) કંટ્રોલ એ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતું ફીડબેક કંટ્રોલ અલ્ગોરિધમ છે જે ઇચ્છિત અને વાસ્તવિક મોટર ગતિ અથવા સ્થિતિ વચ્ચેની ભૂલના આધારે PWM ડ્યુટી સાઇકલને સમાયોજિત કરે છે.
• ફીલ્ડ-ઓરિએન્ટેડ કંટ્રોલ (FOC): FOC એ BLDC અને AC મોટર્સ માટે વપરાતી એક અદ્યતન કંટ્રોલ તકનીક છે. તે મોટરના ટોર્ક અને ફ્લક્સને સ્વતંત્ર રીતે નિયંત્રિત કરે છે, જેના પરિણામે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને ગતિશીલ પ્રદર્શન મળે છે.

ફીડબેક કંટ્રોલનો અમલ કરવા માટે ફીડબેક સિગ્નલને માપવા માટે એનાલોગ-ટુ-ડિજિટલ કન્વર્ટર (ADC) ક્ષમતાઓવાળા માઇક્રોકન્ટ્રોલર અને રીઅલ-ટાઇમમાં કંટ્રોલ અલ્ગોરિધમ્સ ચલાવવા માટે પૂરતી પ્રોસેસિંગ પાવરની જરૂર પડે છે.

અદ્યતન PWM તકનીકો

મૂળભૂત PWM જનરેશન ઉપરાંત, ઘણી અદ્યતન તકનીકો મોટર કંટ્રોલ પ્રદર્શનને વધુ વધારી શકે છે:

૧. સ્પેસ વેક્ટર PWM (SVPWM)

SVPWM એ થ્રી-ફેઝ ઇન્વર્ટર ડ્રાઇવ્સમાં વપરાતી એક અત્યાધુનિક PWM તકનીક છે. તે પરંપરાગત સાઇનુસોઇડલ PWM ની તુલનામાં સુધારેલ વોલ્ટેજ ઉપયોગ અને ઘટાડેલ હાર્મોનિક ડિસ્ટોર્શન પ્રદાન કરે છે. SVPWM ઇન્વર્ટર ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે શ્રેષ્ઠ સ્વિચિંગ ક્રમની ગણતરી કરે છે જેથી ઇચ્છિત આઉટપુટ વોલ્ટેજ વેક્ટરનું સંશ્લેષણ કરી શકાય.

૨. સિગ્મા-ડેલ્ટા મોડ્યુલેશન

સિગ્મા-ડેલ્ટા મોડ્યુલેશન એ ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન PWM સિગ્નલ જનરેટ કરવા માટે વપરાતી એક તકનીક છે. તેમાં ઇચ્છિત સિગ્નલને ઓવરસૅમ્પલ કરવું અને ક્વોન્ટાઇઝેશન નોઇસને આકાર આપવા માટે ફીડબેક લૂપનો ઉપયોગ કરવાનો સમાવેશ થાય છે, જેના પરિણામે ઉચ્ચ સિગ્નલ-ટુ-નોઇસ રેશિયોવાળો સિગ્નલ મળે છે. સિગ્મા-ડેલ્ટા મોડ્યુલેશનનો ઉપયોગ ઘણીવાર ઓડિયો એમ્પ્લીફાયર અને ઉચ્ચ-ચોકસાઈવાળા મોટર કંટ્રોલ એપ્લિકેશન્સમાં થાય છે.

૩. રેન્ડમ PWM

રેન્ડમ PWM માં EMI સ્પેક્ટ્રમને ફેલાવવા માટે PWM ફ્રીક્વન્સી અથવા ડ્યુટી સાઇકલને રેન્ડમલી બદલવાનો સમાવેશ થાય છે. આ પીક EMI સ્તરોને ઘટાડી શકે છે અને સમગ્ર સિસ્ટમની EMC (ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક કમ્પેટિબિલિટી) પ્રદર્શનમાં સુધારો કરી શકે છે. રેન્ડમ PWM નો ઉપયોગ ઘણીવાર એવી એપ્લિકેશન્સમાં થાય છે જ્યાં EMI એક મહત્વપૂર્ણ ચિંતા હોય, જેમ કે ઓટોમોટિવ અને એરોસ્પેસ એપ્લિકેશન્સ.

આંતરરાષ્ટ્રીય ધોરણો અને નિયમનો

આંતરરાષ્ટ્રીય બજારો માટે મોટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇન કરતી વખતે, સંબંધિત ધોરણો અને નિયમનોનું પાલન કરવું મહત્વપૂર્ણ છે, જેમ કે:

• IEC 61800: એડજસ્ટેબલ સ્પીડ ઇલેક્ટ્રિકલ પાવર ડ્રાઇવ સિસ્ટમ્સ
• UL 508A: ઔદ્યોગિક કંટ્રોલ પેનલ્સ માટેનું ધોરણ
• CE માર્કિંગ: યુરોપિયન યુનિયનના સ્વાસ્થ્ય, સલામતી અને પર્યાવરણીય સંરક્ષણ ધોરણો સાથે સુસંગતતા દર્શાવે છે.
• RoHS: જોખમી પદાર્થોના પ્રતિબંધનું નિર્દેશ
• REACH: રસાયણોની નોંધણી, મૂલ્યાંકન, અધિકૃતતા અને પ્રતિબંધ

આ ધોરણો સલામતી, EMC અને પર્યાવરણીય પાલન જેવા પાસાઓને આવરી લે છે. લક્ષ્ય બજારોમાં લાગુ પડતી જરૂરિયાતોનું પાલન સુનિશ્ચિત કરવા માટે નિયમનકારી નિષ્ણાતો સાથે સલાહ લેવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે.

વૈશ્વિક ઉદાહરણો અને કેસ સ્ટડીઝ

ઉદાહરણ ૧: ઇલેક્ટ્રિક વ્હીકલ (EV) મોટર કંટ્રોલ

EVs ટ્રેક્શન મોટરની ગતિ અને ટોર્કનું સંચાલન કરવા માટે PWM પર આધારિત અત્યાધુનિક મોટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સનો ઉપયોગ કરે છે. આ સિસ્ટમ્સ ઘણીવાર કાર્યક્ષમતા અને પ્રદર્શનને મહત્તમ કરવા માટે FOC અલ્ગોરિધમ્સ અને અદ્યતન PWM તકનીકો (દા.ત., SVPWM) નો ઉપયોગ કરે છે. ટેસ્લા (યુએસએ), બીવાયડી (ચીન) અને ફોક્સવેગન (જર્મની) જેવી આંતરરાષ્ટ્રીય કંપનીઓ EV મોટર કંટ્રોલ ટેકનોલોજીમાં અગ્રણી છે.

ઉદાહરણ ૨: ઔદ્યોગિક રોબોટિક્સ

ઔદ્યોગિક રોબોટ્સ જટિલ કાર્યો કરવા માટે ચોક્કસ મોટર કંટ્રોલ પર આધાર રાખે છે. સર્વો મોટર્સ અને BLDC મોટર્સનો સામાન્ય રીતે ઉપયોગ થાય છે, જેમાં તેમની સ્થિતિ અને ગતિને નિયંત્રિત કરવા માટે PWM નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ABB (સ્વિટ્ઝર્લેન્ડ), Fanuc (જાપાન) અને KUKA (જર્મની) જેવી કંપનીઓ ઔદ્યોગિક રોબોટ્સ અને મોટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સના અગ્રણી ઉત્પાદકો છે.

ઉદાહરણ ૩: રિન્યુએબલ એનર્જી સિસ્ટમ્સ

સોલર પાવર સિસ્ટમ્સ અને વિન્ડ ટર્બાઇન્સમાં ઇન્વર્ટર ગ્રીડ કનેક્શન માટે DC પાવરને AC પાવરમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે PWM નો ઉપયોગ કરે છે. હાર્મોનિક ડિસ્ટોર્શનને ઘટાડવા અને ઊર્જા કાર્યક્ષમતાને મહત્તમ કરવા માટે અદ્યતન PWM તકનીકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. SMA સોલર ટેકનોલોજી (જર્મની) અને વેસ્ટાસ (ડેનમાર્ક) રિન્યુએબલ એનર્જી ક્ષેત્રના મુખ્ય ખેલાડીઓ છે, જે અત્યાધુનિક ઇન્વર્ટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સ વિકસાવે છે.

નિષ્કર્ષ

PWM સિગ્નલ જનરેશન આધુનિક મોટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સમાં એક મૂળભૂત તકનીક છે. આ માર્ગદર્શિકાએ PWM ના સિદ્ધાંતો, વિવિધ અમલીકરણ પદ્ધતિઓ, વ્યવહારુ વિચારણાઓ અને આંતરરાષ્ટ્રીય એન્જિનિયરિંગ પ્રોજેક્ટ્સ માટે સંબંધિત અદ્યતન વિષયોનું અન્વેષણ કર્યું છે. PWM ની સૂક્ષ્મતાને સમજીને અને એપ્લિકેશનની જરૂરિયાતોને કાળજીપૂર્વક ધ્યાનમાં લઈને, એન્જિનિયરો વિશ્વભરમાં વિવિધ એપ્લિકેશન્સ માટે કાર્યક્ષમ, વિશ્વસનીય અને ઉચ્ચ-પ્રદર્શનવાળી મોટર કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇન કરી શકે છે. ભલે તે સરળ DC મોટર સ્પીડ કંટ્રોલર હોય કે અત્યાધુનિક BLDC મોટર ડ્રાઇવ, PWM માં નિપુણતા મેળવવી એ મોટર કંટ્રોલ અને પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં કામ કરતા કોઈપણ એન્જિનિયર માટે આવશ્યક છે.