¿Puede una PWM con una resolución del 1% en un circuito del calentador PID lograr una precisión de temperatura superior al 1%?

Depende de la constante de tiempo de la carga. Una carga caliente a menudo responderá en 10 segundos.

Si genera un PWM del 30% durante un segundo, luego el PWM del 31% para el siguiente segundo, se verá como el 30.5% promediado durante varios segundos.

Los termostatos del horno tienden a funcionar un minuto encendido, un minuto apagado y aún así alcanzar temperaturas estables de hasta un solo dígito de C. Un PWM al 1% ajustado una vez por segundo podría hacer varios órdenes de magnitud mejor que eso.     

Sí.

Dado que en relación con otras regulaciones (voltaje, corriente, etc.), la regulación de la temperatura es bastante lenta, lo que puede hacer es usar un microcontrolador (supongo que ya lo hace), pero agregue una variación cíclica de El ancho de la señal PWM.

imagine que para que su sistema sea estable, necesita tener un ancho de pulso de 3.8%. simplemente debe aplicar un ciclo de trabajo del 3% durante el 20% del tiempo y el 4% durante el 80% restante. hacer eso durante un segundo o así debería permitirle alcanzar la precisión que necesita.

Preguntas extrañamente formuladas, pero lo que creo que está preguntando es si la temperatura de la carga aumentará en pasos del 1% con un PWM de 1% de resolución de pasos. es decir, 2.828C por paso.

Aunque suene como debería, la respuesta es probablemente no.

La razón es que, para que eso ocurra, debe haber una relación de 1 a 1 entre la potencia y el aumento de temperatura en la carga. Sin embargo, dependiendo de la geometría y el entorno de la carga, es poco probable que sea cierto.

Para calentar algo a una temperatura específica, debe agregar suficiente potencia para equilibrar la potencia que el objeto pierde a su alrededor a esa temperatura. El problema es que, a medida que aumenta la temperatura, la eficiencia de transferencia de calor de la superficie de lo que está calentando también cambia normalmente.

Para un rango de temperatura pequeño, la potencia a la temperatura se puede considerar casi lineal, pero 300C no es un rango de temperatura pequeño.

ADDICIÓN

De su pregunta no queda claro si ha incluido la detección de temperatura en su circuito de control. Sospecho, desde que hiciste la pregunta, que la respuesta es no, de ahí el enfoque en esta respuesta.

Si necesita ajustar la temperatura de manera precisa en todas las condiciones, realmente debería vincular esa medida nuevamente al circuito de control del sistema. En ese momento, puede variar la modulación PWM para mantener la temperatura con la misma precisión con la que puede medirla, todo ello con cierto retraso térmico e histéresis.

Pero, por supuesto, medir la temperatura con precisión en un objeto grande puede ser un desafío para sí mismo.

Depende.

Si su controlador, o el código de algoritmo de control, puede medir la temperatura de carga y realizar un seguimiento de la salida deseada con una resolución mejor que "1%" (teniendo en cuenta que la relación de salida a temperatura no es lineal), entonces es posible lograr mucho mejor que el 1% de resolución de salida efectiva al intercalar, como sugiere la respuesta de Neil_UK . La mejora real que puede administrar dependerá de cuánto tiempo la constante de tiempo de la carga sea relativa al tiempo de ciclo de su salida.

Si su controlador o código no pueden hacer esto, entonces obtendrá una fluctuación en la temperatura de la carga. Por ejemplo, si el punto de ajuste y las condiciones ambientales son tales que la salida 'correcta' para la temperatura de carga requerida sería del 30,5%, entonces, lo más cerca que se pueda obtener la salida es del 30%, en cuyo caso la carga se enfriará ligeramente por debajo del punto de ajuste , o 31%, en cuyo caso se calentará ligeramente por encima del punto de ajuste, y solo al "notar" esta desviación en la temperatura de carga real, el controlador puede alterar su salida para corregir la desviación.

Supongo que el tamaño de la fluctuación en este último caso dependerá de los coeficientes proporcionales y derivados de su algoritmo de control, y su tarea será (como siempre) ajustar el controlador para obtener la mejor precisión sin correr el riesgo de inestabilidad o exceso de velocidad. .

También, piensa en qué quieres decir exactamente con precisión . ¿Necesita precisión absoluta (un punto de ajuste de 100 ° C proporciona un valor controlado que realmente es de 100 ± 0.1 ° C) o simplemente estabilidad (el valor controlado puede estabilizarse en cualquier lugar de 98 a 102 ° C, pero luego se mantiene estable hasta ± 0.1 °) DO)? La precisión absoluta de la medición de la temperatura es más difícil de lograr de lo que la gente supone, pero hay muchas aplicaciones en las que la precisión absoluta no es tan crítica siempre que la estabilidad sea buena.

Muy probablemente sí. He hecho exactamente lo que está preguntando en un producto comercial.

La razón por la que digo "lo más probable" en lugar de solo "sí" es que para obtener una resolución de temperatura más alta que la resolución PWM, el período PWM es significativamente menor que la constante de tiempo térmica dominante. A menos que tenga un calentador muy inusual (el filamento de una bombilla incandescente podría ser un ejemplo), este requisito se cumplirá.

Ejemplo real

Estaba escribiendo el firmware que controlaba la corriente y el voltaje a través de un tubo de rayos X. La lógica de nivel superior especificaría cuál sería el voltaje y la corriente, y el trabajo de mi firmware era hacerlo así.

En este caso, el tubo era solo un cátodo y un ánodo, sin rejilla. La corriente de haz se controló cambiando el nivel de transmisión del calentador de cátodo. Eso es casi tan pequeño y ágil como un calentador, pero su constante de tiempo todavía era de muchos milisegundos.

El PWM al calentador se ejecutaba a varios kHz, muchas veces más rápido que cualquier frecuencia de respuesta significativa del calentador. Desafortunadamente, la resolución de PWM era demasiado baja para lograr algunas de las corrientes deseadas dentro de la tolerancia de error deseada. Esto no fue ayudado por la función de la temperatura del cátodo para que la corriente del haz sea altamente no lineal.

Si esta fuera la única restricción en el PWM, podría haber aumentado el período de PWM para obtener una resolución más alta. Sin embargo, este procesador hizo un montón de cosas, y debido a las restricciones de hardware, el mismo reloj se usó para otras cosas y no se pudo cambiar.

La solución fue implementar el tramado del ciclo de trabajo de PWM. Si recuerdo bien, usé 8 valores de ciclo de trabajo diferentes. En este caso, podría usar un motor DMA en el microcontrolador para secuenciar a través de los 8 valores automáticamente. La rutina de configuración del ciclo de trabajo realizó los cálculos matemáticos y ajustó de 0 a 7 de los valores un recuento más alto que el primero.

Esto proporcionó efectivamente una resolución PWM 8x mayor. El período de PWM x8 aún era corto en relación con la constante de tiempo del calentador, por lo que el calentador seguía promediando fácilmente los valores del ciclo de trabajo múltiple.

No linealidad

Veo que Trevor ya ha tocado esto. La temperatura de los calentadores a menudo puede ser bastante no lineal con la potencia de entrada. Esto generalmente se debe a que la convección no reacciona linealmente con la temperatura y, por lo tanto, enfría un objeto caliente de manera desproporcionada más que uno frío. A temperaturas mucho más altas, la radiación del cuerpo negro se vuelve significativa. La potencia radiada también es bastante no lineal con la temperatura.

En mi caso, no solo el cátodo fue enfriado predominantemente por la radiación del cuerpo negro (estaba en el vacío), sino que la función de la temperatura a la corriente del haz también fue altamente no lineal.

Los sistemas no lineales son difíciles de controlar. Los medios simples como PID, o cualquier cosa derivada del análisis de dominio S no funcionan bien con sistemas no lineales. Si lo intentas, acabas sobrecargando partes del rango solo para mantener la estabilidad en otras partes del rango. Eso puede llevar a tiempos de asentamiento inaceptablemente largos en las partes del rango que están sobre amortiguadas.

La solución que utilicé en este caso, y que también utilicé en algunos otros proyectos, fue linealizar el sistema desde el punto de vista del circuito de control.

Hice esto insertando una búsqueda lineal por tramos entre la salida del controlador y la entrada del sistema. Durante la fabricación, el sistema se ejecutó en bucle abierto en una serie de puntos de ajuste. Los resultados se utilizaron para completar la tabla de búsqueda almacenada en una memoria no volátil única para cada unidad.

El sistema aún no es lineal dentro de ningún segmento de la tabla de búsqueda. Sin embargo, estos segmentos son una pequeña fracción del rango del sistema, por lo que las características del sistema no cambian mucho en un segmento. Si lo hacen, entonces usa más segmentos.

El resultado funcionó muy bien. Sí, todo esto se está ejecutando en un producto comercial que puede comprar en la actualidad.

Varias personas ya han mencionado esto, pero prefiero aclarar.

Nota: si su calentador tiene un control de temperatura electrónico incorporado, salte a la última sección de mi respuesta.

PWM no controla la temperatura de un calentador convencional

En cambio, controla la cantidad de energía que expulsa el calentador. Si el calentador de espacio está en un aislamiento ideal, la señal constante de PWM controlaría la rapidez con la que aumenta la temperatura, hasta que el calentador se funda por sí solo o su caja.

En realidad, el calor se pierde inevitablemente por convección, radiación u otros procesos, por lo que puede formarse un equilibrio estable: si un calentador se calienta hasta el ciclo del 100%, podría calificarse a 300 ° C en algunas circunstancias predefinidas. / p>

Sin embargo, esas circunstancias nunca pueden ser confiables: el viento, la presión del aire, la humedad y la temperatura ambiente podrían desviar las clasificaciones del ciclo de servicio a la temperatura de su calentador.

Si sus temperaturas son muy altas (más altas que 200 ° C), puede evitar variaciones debido a que los factores externos son algo insignificantes, pero en ese caso la temperatura exacta no es muy precisa de todos modos, por lo que la sub-1 Los% de ajustes no tendrían ningún sentido.

Consulte un sensor de temperatura

Una forma confiable de controlar una temperatura sería usando un sensor de temperatura: Si la temperatura deseada es más alta que la detectada, alimente el calentador al 100% de potencia; si es más bajo, corte el poder por completo.

La razón para usar el 100% o ninguna energía es que los calentadores siempre son reactivos, y lo más probable es que desee que la temperatura alcance el nivel deseado lo más rápido posible.

Supongamos que tiene un calentador que normalmente puede hacer entre 20 ° y 300 ° C, y necesita que se caliente de temperatura ambiente a 100 °.

Si lo enciende con un ciclo de trabajo de 30% PWM, comenzará a ganar temperatura rápidamente, pero luego disminuirá gradualmente. Dependiendo del tipo de calentador, podría tomar horas antes de que alcance la temperatura deseada. Esto se debe a que la pérdida de calor aumenta con la diferencia de calor, por lo que los últimos grados llevan más tiempo.

En su lugar, debe alimentar el calentador con el 100% de la energía disponible para que alcance la temperatura deseada mucho más rápido.

Cuando la temperatura alcanza el valor deseado, aún necesitas reaccionar rápidamente a una ráfaga de viento repentina ocasional en tu calentador o consecuencias similares.

Posible aplicación PWM

En algunos casos, un calentador, su carga y el sensor pueden ser bastante reactivos, por lo que el circuito puede necesitar predecir los cambios de temperatura causados por el calentador en cierta medida.

Si eso no es posible, alimentar el calentador con potencia fraccionaria podría ser realmente útil para que la temperatura se mantenga en el nivel deseado.

En ese caso, los detalles exactos (incluida la respuesta a su pregunta) pueden depender de los parámetros físicos del calentador, su carga y el entorno. O la temperatura debe ser realmente estable.

En esos casos, una señal PWM no necesita ser precisa, en lugar de eso, debe ajustarse hacia arriba y hacia abajo dependiendo de la lectura de la sonda.

Problemas de conmutación eléctrica

Un calentador eléctrico no puede estar diseñado para funcionar con energía PWM. Dependiendo de cómo se construya exactamente, podría comenzar a vibrar y eventualmente destruirse o causar otros problemas imprevistos.

Casi todos los calentadores consumen mucha energía. Los tiristores o transistores de control PWM para tales aplicaciones pueden ser bastante ineficientes y requieren un enfriamiento sustancial además de ser caros.

En el tema de los tiristores de fase correcta (para CA), una precisión de menos del 1% puede no ser alcanzable de manera confiable con ellos porque la potencia de CA puede no ser un seno perfecto.

Calentadores controlados electrónicamente

Algunos "calentadores" pueden ser en realidad dispositivos electrónicos que detectan la temperatura y controlan la potencia por sí mismos. La temperatura deseada se puede ajustar a través de una señal PWM. Son raras, pero es la única teoría que podría explicar la relación directa entre el ciclo de trabajo y la temperatura.

En este caso, la respuesta a su pregunta depende de la electrónica de control incorporada del calentador. Los ajustes precisos descritos en la pregunta probablemente funcionarán en el supuesto de que dicha electrónica sea lo suficientemente precisa en sí misma, ese hecho debe indicarse en su documentación.

Debido a que casi todos los calentadores funcionan internamente como lo describí anteriormente, a menudo realizan ciclos de encendido-apagado-encendido bastante largos, por lo que la temperatura real puede fluctuar hacia arriba y hacia abajo con el tiempo, sin importar cuán precisa sea la señal PWM. >