Impulzno-širinska modulacija (PWM) je metoda, ki jo mikrokrmilniki uporabljajo za nadzor moči z vklopom in izklopom signalov pri visoki hitrosti. Uporablja se v LED, motorjih, servo, avdio in napajalnih sistemih. Ta članek jasno podrobno pojasnjuje osnove PWM, delovni cikel, delovanje časovnika, načine, frekvenco, ločljivost in napredne tehnike.
Pregled pulzno-širinske modulacije (PWM)
PWM časovniki so vgrajeni strojni moduli znotraj mikrokrmilnikov, ki ustvarjajo digitalne impulzne signale z nastavljivimi delovnimi cikli. Namesto da bi se zanašali na programsko opremo za preklapljanje zatičev, ki porabi procesorsko moč in tvega časovno tresenje, mikrokrmilnik to delo prenese na časovnik strojne opreme. To mu omogoča, da ohrani natančnost, hkrati pa sprosti CPU za opravljanje drugih nalog. Rezultat je učinkovita večopravilnost, zmanjšana zakasnitev in boljša zmogljivost v dejanskih aplikacijah, kot so krmiljenje motorja, zatemnitev LED, avdio modulacija in generiranje signala. Učinkovitost in natančnost PWM je hrbtenica sodobnih vgrajenih sistemov, ki premoščajo vrzel med digitalnim nadzorom in analognim vedenjem.
Delovni cikel modulacije impulzne širine
Valovna oblika prikazuje ponavljajoči se signal, ki preklaplja med 0V in 5V. Obdobje je označeno kot 10 ms, kar predstavlja čas za en celoten cikel. V tem obdobju signal ostane visok (5V) 3 ms, znano kot širina impulza. Delovni cikel se nato izračuna kot razmerje med visokim časom in celotnim obdobjem, kar v tem primeru daje 30%. To pomeni, da signal oddaja moč le 30% časa na cikel. Frekvenca je izpeljana tudi iz obdobja, izračunanega kot 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Izračun delovnega cikla v časovnikih mikrokrmilnikov
Delovni cikel nam pove, koliko skupnega časa je signal vklopljen v primerjavi s celotnim ciklom valovne oblike. V mikrokrmilniku je to pomembno, ker odloča, koliko energije se pošlje napravi v vsakem ciklu.
Če ga želite izračunati, uporabite preprosto formulo: Delovni cikel (%) = (Širina impulza ÷ obdobje) × 100. Če je signal aktiven HIGH, je delovni cikel delček časa, ko signal ostane HIGH. Če je signal aktiven NIZEK, je delovni cikel delček časa, ko ostane NIZKA.
Časovnik za modulacijo impulzne širine
Ta slika prikazuje, kako deluje časovnik PWM s povezovanjem izhodne napetosti s števcem. Števec večkrat šteje od 0 do 9, nato pa se ponastavi in ustvari obdobje signala. Ko števec doseže nastavljeno vrednost ujemanja (tukaj 2), se izhod dvigne in ostane visok, dokler števec ne prelije in določi širino impulza. Točka preliva ponastavi cikel in začne novo obdobje.
Časovnik določa delovni cikel tako, da nadzoruje, kdaj se izhod vklopi (ujemanje) in kdaj se ponastavi (prelivanje). Prilagajanje vrednosti ujemanja spremeni širino visokega signala in neposredno nadzoruje, koliko moči PWM oddaja obremenitvi.
Načini PWM poravnani z robovi in sredino
Način poravnave robov
V robno poravnanem PWM števec šteje le od nič do nastavljenega maksimuma, preklapljanje pa se zgodi na začetku ali koncu cikla. Zaradi tega je enostaven za izvajanje in zelo učinkovit, saj ga večina mikrokrmilnikov in časovnikov izvorno podpira. Ker so vsi preklopni robovi poravnani na eno stran obdobja, lahko to povzroči neenakomerno valovanje toka in višje elektromagnetne motnje (EMI).
Način poravnave s sredino (fazno pravilen)
V sredinsko poravnanem PWM števec šteje navzgor in nato nazaj navzdol v vsakem ciklu. To zagotavlja, da so preklopni robovi porazdeljeni okoli središča valovne oblike, kar ustvarja bolj uravnotežen izhod. Simetrija zmanjšuje harmonike, valovanje navora v motorjih in EMI v napajalnih sistemih. Čeprav je nekoliko bolj zapleten in manj učinkovit v smislu izkoriščenosti frekvence, zagotavlja veliko čistejšo kakovost izhoda.
Izbira prave frekvence PWM
• LED zatemnitev zahteva frekvence nad 200 Hz, da se odpravi vidno utripanje, medtem ko osvetlitev zaslona in visokokakovostni sistemi osvetlitve pogosto uporabljajo 20–40 kHz, da ostanejo izven človeškega zaznavanja in zmanjšajo hrup.
• Elektromotorji najbolje delujejo s frekvencami PWM med 2–20 kHz, pri čemer uravnavajo preklopne izgube z gladkostjo navora; Nižje vrednosti zagotavljajo večjo ločljivost delovnega cikla, medtem ko višje vrednosti zmanjšujejo slišni hrup in valovitost.
• Standardni hobi servo motorji se zanašajo na fiksne krmilne signale okoli 50 Hz (obdobje 20 ms), kjer širina impulza, ne frekvenca, določa kotni položaj.
• Ustvarjanje zvoka in digitalno-analogna pretvorba zahtevata PWM precej nad slišnim spektrom, več kot 22 kHz, da se preprečijo motnje in omogoči čisto filtriranje signalov.
• V močnostni elektroniki izbira frekvence pogosto trguje med učinkovitostjo, preklopnimi izgubami, elektromagnetnimi motnjami in dinamičnim odzivom specifične obremenitve.
Ločljivost PWM in velikost koraka
Resolucija (koraki)
Število diskretnih ravni obratovalnega cikla je določeno s številom časovnikov (N). Na primer, če števec teče od 0 do 1023, to daje 1024 različnih korakov delovnega cikla. Višje število pomeni boljši nadzor nad proizvodnjo.
Bitna globina
Ločljivost je pogosto izražena v bitih, izračunanih kot log₂(N). 1024-stopenjski števec ustreza 10-bitni ločljivosti, števec 65536 pa 16-bitni ločljivosti. To določa, kako natančno je mogoče prilagoditi delovni cikel.
Časovni korak
Sistemska ura določa najmanjši prirastek, ki je enak 1 ÷ fClock. Hitrejše taktne frekvence omogočajo krajša obdobja in višje frekvence PWM, hkrati pa ohranjajo fino ločljivost.
Kompromisi
Povečanje ločljivosti zahteva več časovnikov, kar posledično zniža največjo frekvenco PWM za dano uro. Nasprotno pa višje frekvence zmanjšajo razpoložljivo ločljivost.
Primer nastavitve PWM in nastavitve obdobja
| Korak | Izračun | Rezultat | ObrazložitevPodrobnosti |
|---|---|---|---|
| Ura MCU | - | 24 MHz | Osnovna frekvenca poganja časovnik. |
| Uporaba predskalerja ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Ura časovnika je bila zmanjšana na obvladljivo območje štetja. |
| Časovno obdobje | 3 MHz × 0,020 s | 60.000 štetij | Če nastavite register samodejnega ponovnega nalaganja/obdobja na 60.000, dobite 20-ms okvir. |
| Ločljivost na tik | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Vsak korak časovnika je enak \~0,33 mikrosekunde. |
| Servo impulzno krmiljenje | 1–2 ms širina impulza = 3000–6000 klopov | Zagotavlja gladek kotni nadzor v okviru 20 ms. | - |
Napredne tehnike kanalov PWM
Vstavljanje v mrtvem času
Mrtvi čas je majhna, nadzorovana zakasnitev, vstavljena med preklapljanje komplementarnih tranzistorjev v tokokrogu s pol mostom ali polnim mostom. Brez njega bi lahko naprave na visoki in nizki strani za trenutek izvajale istočasno, kar bi povzročilo kratek stik, znan kot streljanje. Z dodajanjem nekaj deset ali sto nanosekund mrtvega časa strojna oprema zagotavlja varne prehode, ščiti MOSFET-e ali IGBT pred poškodbami.
Dopolnilni izložki
Komplementarni izhodi ustvarjajo dva signala, ki sta logična nasprotja drug drugemu. To je še posebej uporabno v vezjih push-pull, gonilnikih motorjev in pretvornikih, kjer se mora en tranzistor izklopiti natančno, ko se vklopi drugi. Uporaba komplementarnih PWM parov poenostavlja gonilniško vezje in zagotavlja simetrijo, izboljšuje učinkovitost in zmanjšuje popačenje.
Sinhrone posodobitve
V sistemih z več kanali PWM sinhrone posodobitve omogočajo osvežitev vseh izhodov hkrati. Brez te funkcije bi lahko prišlo do majhnih časovnih neusklajenosti (poševnosti), kar bi povzročilo neenakomerno delovanje. V trifaznih motornih pogonih ali večfaznih pretvornikih sinhronizirani PWM zagotavlja ravnovesje, gladko delovanje in zmanjšane elektromagnetne motnje.
Navzkrižno sprožitev
Navzkrižno sprožitev omogoča medsebojno interakcijo časovnikov, tako da se lahko en dogodek PWM zažene, ponastavi ali prilagodi drugemu. Ta funkcija je zmogljiva v naprednih nadzornih sistemih, kar omogoča natančno usklajevanje več signalov. Aplikacije vključujejo kaskadne motorne pogone, prepletene pretvornike moči in sinhronizirano vzorčenje senzorjev, kjer so časovna razmerja med kanali kritična.
Servo gibanje s signali PWM
| Širina impulza | Servo gibanje |
|---|---|
| \~1.0 ms | Zavije se popolnoma v levo ali se vrti v smeri urinega kazalca s polno hitrostjo |
| \~1,5 ms | Ostane na sredini ali se preneha premikati |
| \~2.0 ms | Obrne se popolnoma v desno ali se vrti v nasprotni smeri urinega kazalca pri polni hitrosti |
Zaključek
PWM je glavno orodje, ki digitalnim sistemom omogoča natančen in učinkovit nadzor analognih naprav. Z učenjem delovnih ciklov, nastavitev časovnika, izbire frekvence, kompromisov ločljivosti in naprednih metod, kot so mrtvi čas ali korekcija gama, lahko oblikujete zanesljive sisteme. PWM še naprej podpira sodobno elektroniko v aplikacijah za razsvetljavo, gibanje, zvok in napajanje.
Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]
Ali PWM izboljša energetsko učinkovitost?
Da. PWM preklopi naprave popolnoma vklopljene ali izklopljene, kar zmanjšuje toplotne izgube v primerjavi z analognim nadzorom napetosti.
Ali PWM ustvarja elektromagnetne motnje (EMI)?
Da. Hitro preklapljanje ustvarja harmonike, ki povzročajo EMI. Sredinski PWM ga zmanjša, filtri pa pomagajo zatreti hrup.
Zakaj uporabljati nizkoprepustni filter s PWM?
Nizkoprepustni filter gladi kvadratni val v povprečno enosmerno napetost, kar je uporabno za avdio, analogne izhode in simulacijo senzorjev.
Ali lahko PWM nadzoruje grelne elemente?
Da. Grelniki se odzivajo počasi, zato tudi nizke frekvence PWM (10–100 Hz) zagotavljajo stabilen nadzor temperature.
Za kaj se uporablja fazno premaknjen PWM?
Premika čas med kanali, da zmanjša tokovne konice in obremenitve ravnotežja, ki so pogoste pri večfaznih pretvornikih in motornih pogonih.
Kako mikrokrmilniki preprečujejo trepetanje PWM?
Uporabljajo registre z dvojnim medpomnilnikom in sinhronizirane posodobitve, tako da se spremembe delovnega cikla jasno uporabljajo na začetku vsakega cikla.