Modulația lățimii impulsurilor (PWM) este o metodă pe care microcontrolerele o folosesc pentru a controla puterea prin pornirea și oprirea semnalelor la viteză mare. Este utilizat în LED-uri, motoare, servo, sisteme audio și de alimentare. Acest articol explică elementele de bază ale PWM, ciclul de funcționare, funcționarea temporizatorului, modurile, frecvența, rezoluția și tehnicile avansate în detaliu.
Prezentare generală a modulației lățimii impulsului (PWM)
Temporizatoarele PWM sunt module hardware încorporate în interiorul microcontrolerelor care generează semnale de impuls digitale cu cicluri de funcționare reglabile. În loc să se bazeze pe software pentru a comuta pinii, ceea ce consumă putere de procesare și riscă să sincronizeze fluctuația, microcontrolerul descarcă această sarcină în cronometrul hardware. Acest lucru îi permite să mențină precizia în timp ce eliberează procesorul pentru a face față altor sarcini. Rezultatul este multitasking eficient, latență redusă și performanță mai bună în aplicații reale, cum ar fi controlul motorului, reglarea LED-urilor, modulația audio și generarea de semnal. Eficiența și precizia PWM îl fac coloana vertebrală a sistemelor moderne încorporate, reducând decalajul dintre controlul digital și comportamentul analogic.
Ciclul de funcționare al modulației lățimii impulsului
Forma de undă arată un semnal repetat care comută între 0V și 5V. Perioada este marcată ca 10 ms, ceea ce reprezintă timpul pentru un ciclu complet. În această perioadă, semnalul rămâne ridicat (5V) timp de 3 ms, cunoscut sub numele de lățimea impulsului. Ciclul de funcționare este apoi calculat ca raportul dintre timpul ridicat și perioada totală, dând 30% în acest caz. Aceasta înseamnă că semnalul furnizează energie doar 30% din timp pe ciclu. Frecvența este, de asemenea, derivată din perioadă, calculată ca 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Calculul ciclului de funcționare în temporizatoarele cu microcontroler
Ciclul de funcționare ne spune cât din timpul total este pornit un semnal în comparație cu ciclul complet al formei de undă. Într-un microcontroler, acest lucru este important deoarece decide câtă energie este trimisă unui dispozitiv în fiecare ciclu.
Pentru a-l calcula, utilizați o formulă simplă: Ciclu de funcționare (%) = (Lățimea pulsului ÷ perioada) × 100. Dacă semnalul este activ HIGH, ciclul de funcționare este fracțiunea de timp în care semnalul rămâne HIGH. Dacă semnalul este activ LOW, ciclul de funcționare este fracțiunea de timp în care rămâne LOW.
Cronometru de modulare a lățimii impulsului
Această imagine arată cum funcționează un cronometru PWM prin conectarea ieșirii de tensiune la un contor. Contorul numără în mod repetat de la 0 la 9, apoi se resetează, creând perioada semnalului. Când contorul atinge o valoare de potrivire setată (aici, 2), ieșirea crește și rămâne ridicată până când contorul se revarsă, definind lățimea impulsului. Punctul de reaplin resetează ciclul, începând o nouă perioadă.
Cronometrul determină ciclul de funcționare controlând când ieșirea pornește (potrivește) și când se resetează (revărsare). Ajustarea valorii potrivirii modifică lățimea semnalului înalt, controlând direct câtă putere furnizează PWM unei sarcini.
Moduri PWM aliniate la margine și aliniate la centru
Mod aliniat la margini
În PWM aliniat cu marginea, contorul numără doar de la zero la un maxim stabilit, iar comutarea are loc la începutul sau la sfârșitul ciclului. Acest lucru îl face ușor de implementat și extrem de eficient, deoarece majoritatea microcontrolerelor și temporizatoarelor îl acceptă nativ. Deoarece toate marginile de comutare sunt aliniate pe o parte a perioadei, poate duce la ondulații de curent inegale și interferențe electromagnetice (EMI) mai mari.
Mod aliniat la centru (corect de fază)
În PWM aliniat la centru, contorul numără în sus și apoi înapoi în jos în fiecare ciclu. Acest lucru asigură că marginile de comutare sunt distribuite în jurul centrului formei de undă, creând o ieșire mai echilibrată. Simetria reduce armonicile, ondulația cuplului în motoare și EMI în sistemele de alimentare. Deși este puțin mai complex și mai puțin eficient în ceea ce privește utilizarea frecvenței, oferă o calitate mult mai curată a ieșirii.
Selectarea frecvenței PWM corecte
• Reglarea LED-urilor necesită frecvențe de peste 200 Hz pentru a elimina pâlpâirea vizibilă, în timp ce iluminarea de fundal a afișajului și sistemele de iluminare de înaltă calitate folosesc adesea 20-40 kHz pentru a rămâne dincolo de percepția umană și pentru a minimiza zgomotul.
• Motoarele electrice funcționează cel mai bine cu frecvențe PWM între 2-20 kHz, echilibrând pierderile de comutare cu netezimea cuplului; Valorile mai mici oferă o rezoluție mai mare a ciclului de funcționare, în timp ce valorile mai mari reduc zgomotul audibil și ondulația.
• Servomotoarele hobby standard se bazează pe semnale de control fixe în jur de 50 Hz (perioadă de 20 ms), unde lățimea impulsului, nu frecvența, determină poziția unghiulară.
• Generarea audio și conversia digital-analog necesită PWM cu mult peste spectrul audibil, peste 22 kHz, pentru a preveni interferențele și a permite filtrarea curată a semnalelor.
• În electronica de putere, selectarea frecvenței face adesea compromisuri între eficiență, pierderi de comutare, interferențe electromagnetice și răspunsul dinamic al sarcinii specifice.
Rezoluția PWM și dimensiunea pasului
Rezoluție (pași)
Numărul de niveluri discrete ale ciclului de lucru este stabilit de numărul de perioade al cronometrului (N). De exemplu, dacă un contor rulează de la 0 la 1023, aceasta oferă 1024 de pași distincti ai ciclului de funcționare. Un număr mai mare înseamnă un control mai fin al producției.
Adâncimea biților
Rezoluția este adesea exprimată în biți, calculate ca log₂(N). Un contor de 1024 de pași corespunde rezoluției de 10 biți, în timp ce un contor de 65536 corespunde rezoluției de 16 biți. Aceasta definește modul exact în care ciclul de lucru poate fi reglat.
Pasul de timp
Ceasul sistemului determină cel mai mic increment, egal cu 1 ÷ fClock. Vitezele de ceas mai mari permit perioade mai scurte și frecvențe PWM mai mari, menținând în același timp o rezoluție fină.
Compromisuri
Creșterea rezoluției necesită mai mult număr de temporizatori, ceea ce la rândul său scade frecvența maximă PWM pentru un anumit ceas. În schimb, frecvențele mai mari reduc rezoluția disponibilă.
Prescaler PWM și exemplu de configurare a perioadei
| Pasul | Calcul | Rezultat | Explicații |
|---|---|---|---|
| Ceas MCU | - | 24 MHz | Frecvența de bază care acționează temporizatorul. |
| Aplicați predetartrajul ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Ceasul temporizatorului a fost redus la un interval de numărare gestionabil. |
| Perioada cronometrului | 3 MHz × 0,020 s | 60.000 de numărări | Setarea registrului de reîncărcare automată/perioadă la 60.000 oferă un cadru de 20 ms. |
| Rezoluție pe bifă | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Fiecare increment de cronometru este egal cu ~ 0,33 microsecunde. |
| Controlul impulsurilor servo | Lățime de impuls de 1-2 ms = 3000-6000 de căpușe | Oferă un control unghiular lin în cadrul de 20 ms. | - |
Tehnici avansate de canal PWM
Inserarea timpului mort
Dead-time este o întârziere mică, controlată, introdusă între comutarea tranzistorilor complementari într-un circuit cu jumătate de punte sau punte completă. Fără ea, atât dispozitivele high-side, cât și low-side ar putea funcționa momentan în același timp, provocând un scurtcircuit cunoscut sub numele de shoot-through. Prin adăugarea a câteva zeci sau sute de nanosecunde de timp mort, hardware-ul asigură tranziții sigure, protejând MOSFET-urile sau IGBT-urile de deteriorare.
Ieșiri complementare
Ieșirile complementare generează două semnale care sunt opuse logice unul față de celălalt. Acest lucru este util în special în circuitele push-pull, driverele de motor și etapele invertorului, unde un tranzistor trebuie să se oprească exact atunci când celălalt pornește. Utilizarea perechilor PWM complementare simplifică circuitele driverului și asigură simetria, îmbunătățind eficiența și reducând distorsiunile.
Actualizări sincrone
În sistemele cu mai multe canale PWM, actualizările sincrone permit reîmprospătarea simultană a tuturor ieșirilor. Fără această caracteristică, ar putea apărea mici nepotriviri de sincronizare (înclinare), ceea ce ar duce la o funcționare neuniformă. În acționările motoare trifazate sau convertoarele multifazate, PWM sincronizat asigură echilibru, performanță lină și interferențe electromagnetice reduse.
Declanșare încrucișată
Declanșarea încrucișată permite cronometrelor să interacționeze între ele, astfel încât un eveniment PWM să poată porni, reseta sau ajusta un alt cronometru. Această caracteristică este puternică în sistemele avansate de control, permițând coordonarea precisă a mai multor semnale. Aplicațiile includ acționări de motoare în cascadă, convertoare de putere intercalate și eșantionare sincronizată a senzorilor, unde relațiile de sincronizare dintre canale sunt critice.
Mișcare servo cu semnale PWM
| Lățimea impulsului | Mișcare servo |
|---|---|
| \~1.0 ms | Virează complet spre stânga sau se rotește în sensul acelor de ceasornic la viteză maximă |
| \~1,5 ms | Rămâne la mijloc sau nu se mai mișcă |
| \~2,0 ms | Se întoarce complet spre dreapta sau se rotește în sens invers acelor de ceasornic la viteză maximă |
Concluzie
PWM este un instrument principal care permite sistemelor digitale să controleze dispozitivele analogice cu precizie și eficiență. Învățând ciclurile de lucru, configurarea temporizatorului, alegerile de frecvență, compromisurile de rezoluție și metode avansate, cum ar fi timpul mort sau corecția gamma, puteți proiecta sisteme fiabile. PWM continuă să susțină electronica modernă în aplicații de iluminat, mișcare, audio și putere.
Întrebări frecvente [FAQ]
PWM îmbunătățește eficiența energetică?
Da. PWM pornește sau oprește complet dispozitivele, minimizând pierderile de căldură în comparație cu controlul analogic al tensiunii.
PWM creează interferențe electromagnetice (EMI)?
Da. Comutarea rapidă generează armonice care provoacă EMI. PWM aliniat la centru îl reduce, iar filtrele ajută la suprimarea zgomotului.
De ce să folosiți un filtru trece-jos cu PWM?
Un filtru trece-jos netezește unda pătrată într-o tensiune medie de curent continuu, utilă pentru audio, ieșiri analogice și simularea senzorilor.
Poate PWM să controleze elementele de încălzire?
Da. Încălzitoarele răspund lent, astfel încât chiar și frecvențele PWM scăzute (10-100 Hz) oferă un control stabil al temperaturii.
Pentru ce se folosește PWM cu defazare?
Schimbă sincronizarea între canale pentru a reduce vârfurile de curent și a echilibra sarcinile, obișnuite în convertoarele multifazate și în acționările motoarelor.
Cum previn microcontrolerele fluctuația PWM?
Acestea folosesc registre cu tampon dublu și actualizări sincronizate, astfel încât modificările ciclului de funcționare să se aplice curat la începutul fiecărui ciclu.