Modulacja szerokości impulsu (PWM) to metoda używana przez mikrokontrolery do sterowania mocą poprzez włączanie i wyłączanie sygnałów z dużą prędkością. Jest stosowany w diodach LED, silnikach, serwomechanizmach, systemach audio i zasilania. W tym artykule szczegółowo wyjaśniono podstawy PWM, cykl pracy, działanie timera, tryby, częstotliwość, rozdzielczość i zaawansowane techniki.
Klasa C1. Przegląd modulacji szerokości impulsu (PWM)
Klasa C2. Cykl pracy modulacji szerokości impulsu
Klasa C3. Timer modulacji szerokości impulsu
Klasa C4. Tryby PWM wyrównane do krawędzi i wyśrodkowane
Klasa C5. Wybór odpowiedniej częstotliwości PWM
Klasa C6. Rozdzielczość PWM i rozmiar kroku
Klasa C7. Przykład konfiguracji preskalera PWM i okresu
Klasa C8. Zaawansowane techniki kanałów PWM
Klasa C9. Ruch serwomechanizmu z sygnałami PWM
Klasa C10. Konkluzja
Klasa C11. Często zadawane pytania [FAQ]
Przegląd modulacji szerokości impulsu (PWM)
Timery PWM to wbudowane moduły sprzętowe wewnątrz mikrokontrolerów, które generują cyfrowe sygnały impulsowe z regulowanymi cyklami pracy. Zamiast polegać na oprogramowaniu do przełączania pinów, co zużywa moc obliczeniową i grozi jitterem taktowania, mikrokontroler przenosi to zadanie do sprzętowego timera. Pozwala to zachować dokładność, jednocześnie zwalniając procesor do obsługi innych zadań. Rezultatem jest wydajna wielozadaniowość, zmniejszone opóźnienia i lepsza wydajność w rzeczywistych zastosowaniach, takich jak sterowanie silnikiem, ściemnianie diod LED, modulacja audio i generowanie sygnału. Wydajność i precyzja PWM sprawiają, że jest on podstawą nowoczesnych systemów wbudowanych, wypełniając lukę między sterowaniem cyfrowym a analogowym.
Cykl pracy modulacji szerokości impulsu
Przebieg pokazuje powtarzający się sygnał, który przełącza się między 0 V a 5 V. Okres jest oznaczony jako 10 ms, co oznacza czas jednego pełnego cyklu. W tym czasie sygnał utrzymuje się na wysokim poziomie (5 V) przez 3 ms, co jest znane jako szerokość impulsu. Cykl pracy jest następnie obliczany jako stosunek wysokiego czasu do okresu całkowitego, co w tym przypadku daje 30%. Oznacza to, że sygnał dostarcza moc tylko przez 30% czasu na cykl. Częstotliwość jest również wyprowadzana z okresu, obliczana jako 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Obliczanie cyklu pracy w timerach mikrokontrolera
Cykl pracy mówi nam, ile całkowitego czasu sygnał jest włączony w porównaniu z pełnym cyklem przebiegu. W mikrokontrolerze jest to ważne, ponieważ decyduje o tym, ile energii jest przesyłane do urządzenia w każdym cyklu.
Aby to obliczyć, używasz prostego wzoru: Cykl pracy (%) = (Szerokość impulsu ÷ okres) × 100. Jeśli sygnał jest aktywny w stanie WYSOKIM, cykl pracy to ułamek czasu, w którym sygnał pozostaje w stanie WYSOKIM. Jeśli sygnał jest aktywny w stanie NISKIM, cykl pracy to ułamek czasu, w którym pozostaje na NISKIM poziomie.
Timer modulacji szerokości impulsu
Ten obraz pokazuje, jak działa zegar PWM poprzez połączenie wyjścia napięciowego z licznikiem. Licznik wielokrotnie odlicza od 0 do 9, a następnie resetuje się, tworząc okres sygnału. Gdy licznik osiągnie ustaloną wartość dopasowania (tutaj 2), wyjście staje się wysokie i pozostaje wysokie, dopóki licznik się nie przepełni, definiując szerokość impulsu. Punkt przepełnienia resetuje cykl, rozpoczynając nowy okres.
Timer określa cykl pracy, kontrolując, kiedy wyjście włącza się (dopasowanie) i kiedy się resetuje (przepełnienie). Dostosowanie wartości dopasowania zmienia szerokość wysokiego sygnału, bezpośrednio kontrolując, ile mocy PWM dostarcza do obciążenia.
Tryby PWM wyrównane do krawędzi i wyśrodkowane
Tryb wyrównania krawędzi
W PWM wyrównanym do krawędzi licznik odlicza tylko od zera do ustawionego maksimum, a przełączanie następuje na początku lub na końcu cyklu. To sprawia, że jest prosty do wdrożenia i bardzo wydajny, ponieważ większość mikrokontrolerów i timerów natywnie go obsługuje. Ponieważ wszystkie krawędzie przełączające są wyrównane po jednej stronie okresu, może to prowadzić do nierównomiernych tętnień prądu i wyższych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).
Tryb wyrównania centralnego (korekcja fazy)
W centralnie wyrównanym PWM licznik zlicza w górę, a następnie z powrotem w dół w każdym cyklu. Gwarantuje to, że krawędzie przełączające są rozmieszczone wokół środka przebiegu, tworząc bardziej zbalansowane wyjście. Symetria zmniejsza harmoniczne, tętnienia momentu obrotowego w silnikach i zakłócenia elektromagnetyczne w systemach zasilania. Chociaż jest nieco bardziej złożony i mniej wydajny pod względem wykorzystania częstotliwości, zapewnia znacznie czystszą jakość wyjściową.
Wybór odpowiedniej częstotliwości PWM
• Ściemnianie diod LED wymaga częstotliwości powyżej 200 Hz w celu wyeliminowania widocznego migotania, podczas gdy podświetlenie wyświetlacza i wysokiej jakości systemy oświetleniowe często wykorzystują częstotliwość 20–40 kHz, aby pozostać poza ludzką percepcją i zminimalizować szumy.
• Silniki elektryczne działają najlepiej przy częstotliwościach PWM w zakresie 2–20 kHz, równoważąc straty przełączania z płynnością momentu obrotowego; Niższe wartości zapewniają wyższą rozdzielczość cyklu pracy, podczas gdy wyższe wartości redukują słyszalny szum i tętnienia.
• Standardowe serwomechanizmy hobbystyczne opierają się na stałych sygnałach sterujących około 50 Hz (okres 20 ms), gdzie szerokość impulsu, a nie częstotliwość, określa położenie kątowe.
• Generowanie dźwięku i konwersja cyfrowo-analogowa wymagają PWM znacznie powyżej słyszalnego spektrum, powyżej 22 kHz, aby zapobiec zakłóceniom i umożliwić czyste filtrowanie sygnałów.
• W energoelektronice wybór częstotliwości często odbywa się w oparciu o kompromis między wydajnością, stratami przełączania, zakłóceniami elektromagnetycznymi a dynamiczną reakcją określonego obciążenia.
Rozdzielczość PWM i rozmiar kroku
Rozdzielczość (kroki)
Liczba dyskretnych poziomów cyklu pracy jest ustawiana przez liczbę okresów timera (N). Na przykład, jeśli licznik działa od 0 do 1023, daje to 1024 odrębne kroki cyklu pracy. Wyższe liczby oznaczają dokładniejszą kontrolę nad wydajnością.
Głębia bitowa
Rozdzielczość jest często wyrażana w bitach, obliczana jako log₂(N). Licznik 1024 kroków odpowiada rozdzielczości 10-bitowej, podczas gdy licznik 65536 odpowiada rozdzielczości 16-bitowej. Określa to, jak precyzyjnie można dostosować cykl pracy.
Krok czasowy
Zegar systemowy określa najmniejszy przyrost, równy 1 ÷ fClock. Szybsze taktowanie pozwala na krótsze okresy i wyższe częstotliwości PWM przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej rozdzielczości.
Kompromisy
Zwiększenie rozdzielczości wymaga większej liczby zliczeń timera, co z kolei obniża maksymalną częstotliwość PWM dla danego zegara. I odwrotnie, wyższe częstotliwości zmniejszają dostępną rozdzielczość.
Przykład konfiguracji preskalera PWM i okresu
| Krok | Obliczenia | Wynik | Explandetailation |
|---|---|---|---|
| Zegar MCU | - | 24 MHz | Częstotliwość bazowa sterująca timerem. |
| Stosowanie preskalera ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Zegar czasowy został zredukowany do możliwego do opanowania zakresu zliczania. |
| Okres timera | 3 MHz × 0,020 s | 60 000 zliczeń | Ustawienie rejestru automatycznego przeładowania/kropki na 60 000 daje ramkę 20 ms. |
| Rozdzielczość na tick | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Każdy przyrost timera równa się ~0,33 mikrosekundy. |
| Sterowanie impulsami serwomechanizmu | Szerokość impulsu 1–2 ms = 3000–6000 tyknięć | Zapewnia płynną kontrolę kątową w ramce 20 ms. | - |
Zaawansowane techniki kanałów PWM
Wstawianie w czasie martwym
Czas martwy to małe, kontrolowane opóźnienie wstawione między przełączanie tranzystorów komplementarnych w obwodzie półmostkowym lub pełnomostkowym. Bez niego zarówno urządzenia po stronie wysokiej, jak i niskiej mogą chwilowo przewodzić w tym samym czasie, powodując zwarcie znane jako shoot-through. Dodając kilkadziesiąt lub setki nanosekund czasu martwego, sprzęt zapewnia bezpieczne przejścia, chroniąc tranzystory MOSFET lub IGBT przed uszkodzeniem.
Produkty uzupełniające
Komplementarne wyjścia generują dwa sygnały, które są logicznymi przeciwieństwami. Jest to szczególnie przydatne w obwodach push-pull, sterownikach silników i stopniach falownika, gdzie jeden tranzystor musi się wyłączać dokładnie wtedy, gdy włącza się drugi. Zastosowanie komplementarnych par PWM upraszcza obwody sterownika i zapewnia symetrię, poprawiając wydajność i redukując zniekształcenia.
Aktualizacje synchroniczne
W systemach z wieloma kanałami PWM aktualizacje synchroniczne umożliwiają jednoczesne odświeżanie wszystkich wyjść. Bez tej funkcji mogą wystąpić niewielkie niedopasowania czasowe (skośność), co prowadzi do nierównej pracy. W trójfazowych napędach silnikowych lub przekształtnikach wielofazowych zsynchronizowany PWM zapewnia równowagę, płynną pracę i zmniejszone zakłócenia elektromagnetyczne.
Wyzwalanie krzyżowe
Wyzwalanie krzyżowe umożliwia czasomierzom interakcję ze sobą, dzięki czemu jedno zdarzenie PWM może rozpocząć, zresetować lub dostosować inny czasomierz. Ta funkcja jest przydatna w zaawansowanych systemach sterowania, umożliwiając precyzyjną koordynację wielu sygnałów. Zastosowania obejmują kaskadowe napędy silnikowe, przetwornice mocy z przeplotem i zsynchronizowane próbkowanie czujników, w których relacje czasowe między kanałami mają kluczowe znaczenie.
Ruch serwomechanizmu z sygnałami PWM
| Szerokość impulsu | Ruch serwomechanizmu |
|---|---|
| \~1,0 ms | Obraca się całkowicie w lewo lub obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara z pełną prędkością |
| \~1,5 ms | Pozostaje w środku lub przestaje się poruszać |
| \~2,0 ms | Obraca się całkowicie w prawo lub obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara z pełną prędkością |
Wnioski
PWM jest głównym narzędziem, które pozwala systemom cyfrowym sterować urządzeniami analogowymi z dokładnością i wydajnością. Ucząc się cykli pracy, ustawień timera, wyboru częstotliwości, kompromisów w zakresie rozdzielczości i zaawansowanych metod, takich jak korekcja czasu martwego lub gamma, możesz projektować niezawodne systemy. PWM nadal wspiera nowoczesną elektronikę w zastosowaniach związanych z oświetleniem, ruchem, dźwiękiem i zasilaniem.
Często zadawane pytania [FAQ]
Czy PWM poprawia wydajność energetyczną?
Tak. PWM całkowicie włącza lub wyłącza urządzenia, minimalizując straty ciepła w porównaniu z analogową regulacją napięcia.
Czy PWM powoduje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)?
Tak. Szybkie przełączanie generuje harmoniczne, które powodują zakłócenia elektromagnetyczne. Wyrównany do środka PWM redukuje go, a filtry pomagają tłumić szumy.
Dlaczego warto używać filtra dolnoprzepustowego z PWM?
Filtr dolnoprzepustowy wygładza falę prostokątną do średniego napięcia stałego, co jest przydatne w przypadku dźwięku, wyjść analogowych i symulacji czujników.
Czy PWM może sterować elementami grzejnymi?
Tak. Grzejniki reagują powoli, więc nawet niskie częstotliwości PWM (10–100 Hz) zapewniają stabilną kontrolę temperatury.
Do czego służy PWM z przesunięciem fazowym?
Przesuwa taktowanie między kanałami w celu zmniejszenia skoków prądu i zrównoważenia obciążeń, co jest powszechne w przekształtnikach wielofazowych i napędach silnikowych.
W jaki sposób mikrokontrolery zapobiegają jitterowi PWM?
Używają podwójnie buforowanych rejestrów i zsynchronizowanych aktualizacji, dzięki czemu zmiany cyklu pracy są stosowane w sposób czysty na początku każdego cyklu.