Az impulzusszélesség-moduláció (PWM) egy olyan módszer, amelyet a mikrovezérlők a teljesítmény szabályozására használnak a jelek nagy sebességű be- és kikapcsolásával. LED-ekben, motorokban, szervókban, audio- és energiaellátó rendszerekben használják. Ez a cikk részletesen ismerteti a PWM alapjait, a munkaciklust, az időzítő működését, az üzemmódokat, a frekvenciát, a felbontást és a fejlett technikákat.
Az impulzusszélesség-moduláció (PWM) áttekintése
A PWM időzítők a mikrovezérlők beépített hardvermoduljai, amelyek állítható munkaciklusú digitális impulzusjeleket generálnak. Ahelyett, hogy szoftverre hagyatkozna a csapok kapcsolásához, ami feldolgozási teljesítményt fogyaszt és kockázatot jelent az időzítési jitterrel, a mikrovezérlő ezt a feladatot a hardveres időzítőre terheli. Ez lehetővé teszi a pontosság fenntartását, miközben felszabadítja a CPU-t más feladatok elvégzésére. Az eredmény hatékony többfeladatos munkavégzés, csökkentett késleltetés és jobb teljesítmény olyan tényleges alkalmazásokban, mint a motorvezérlés, a LED-fényerő-szabályozás, az audiomoduláció és a jelgenerálás. A PWM hatékonysága és precizitása a modern beágyazott rendszerek gerincévé teszi, áthidalva a digitális vezérlés és az analóg viselkedés közötti szakadékot.
Impulzusszélesség-modulációs munkaciklus
A hullámforma ismétlődő jelet mutat, amely 0V és 5V között vált. Az időszak 10 ms-ként van megjelölve, ami egy teljes ciklus idejét jelenti. Ezen az időszakon belül a jel 3 ms-ig magas (5 V) marad, amelyet impulzusszélességnek neveznek. A munkaciklust ezután a magas idő és a teljes időszak arányaként számítják ki, ebben az esetben 30% -ot adva. Ez azt jelenti, hogy a jel ciklusonként csak az idő 30%-ában ad le energiát. A frekvenciát az 1 ÷ 10 ms = 100 Hz értékben kiszámított periódusból is származtatják.
Munkaciklus-számítás mikrovezérlő időzítőkben
A munkaciklus megmutatja, hogy a jel teljes bekapcsolási idejének mekkora része a hullámforma teljes ciklusához képest. A mikrovezérlőknél ez azért fontos, mert ez határozza meg, hogy mennyi energiát küld az eszköznek az egyes ciklusok során.
Kiszámításához egy egyszerű képletet kell használnia: Munkaciklus (%) = (impulzusszélesség ÷ periódus) × 100. Ha a jel HIGH-ban aktív, a munkaciklus annak az időnek a töredéke, ameddig a jel MAGAS marad. Ha a jel aktív LOW, a munkaciklus annak az időnek a töredéke, ameddig ALACSONY marad.
Impulzusszélesség-modulációs időzítő
Ez a kép azt mutatja, hogyan működik a PWM időzítő a kimeneti feszültség számlálóhoz való csatlakoztatásával. A számláló ismételten számol 0-tól 9-ig, majd visszaáll, létrehozva a jel periódusát. Amikor a számláló eléri a beállított egyezési értéket (itt 2), a kimenet magasra megy, és magas marad, amíg a számláló túlcsordul, meghatározva az impulzusszélességet. A túlcsordulási pont visszaállítja a ciklust, és új időszakot indít.
Az időzítő úgy határozza meg a munkaciklust, hogy szabályozza, mikor kapcsol be a kimenet (match) és mikor áll vissza (túlcsordulás). Az egyezési érték beállítása megváltoztatja a magas jel szélességét, közvetlenül szabályozva, hogy a PWM mekkora energiát ad le egy terhelésnek.
Élhez igazított és középre igazított PWM módok
Élhez igazított mód
Az élhez igazított PWM-ben a számláló csak nullától a beállított maximumig számol felfelé, és a váltás a ciklus elején vagy végén történik. Ez egyszerűvé teszi a megvalósítást és rendkívül hatékony, mivel a legtöbb mikrovezérlő és időzítő natívan támogatja. Mivel az összes kapcsolóél a periódus egyik oldalához igazodik, ez egyenetlen áramhullámzáshoz és nagyobb elektromágneses interferenciához (EMI) vezethet.
Középre igazított (fázishelyes) mód
A középre igazított PWM-ben a számláló minden cikluson belül felfelé, majd visszafelé számol. Ez biztosítja, hogy a kapcsolóélek a hullámforma közepe körül legyenek elosztva, kiegyensúlyozottabb kimenetet hozva létre. A szimmetria csökkenti a harmonikusokat, a motorok nyomatékhullámzását és az energiaellátó rendszerek EMI-jét. Bár valamivel összetettebb és kevésbé hatékony a frekvenciakihasználás szempontjából, sokkal tisztább kimeneti minőséget biztosít.
A megfelelő PWM frekvencia kiválasztása
• A LED-fényerő-szabályozáshoz 200 Hz feletti frekvenciákra van szükség a látható villogás kiküszöböléséhez, míg a kijelző háttérvilágítása és a kiváló minőségű világítási rendszerek gyakran 20–40 kHz-et használnak, hogy túllépjenek az emberi érzékelésen és minimalizálják a zajt.
• Az elektromos motorok 2–20 kHz közötti PWM frekvenciákkal működnek a legjobban, kiegyensúlyozva a kapcsolási veszteségeket a nyomaték simaságával; Az alacsonyabb értékek nagyobb munkaciklus-felbontást biztosítanak, míg a magasabb értékek csökkentik a hallható zajt és a hullámzást.
• A szabványos hobbi szervók 50 Hz (20 ms-os periódus) körüli rögzített vezérlőjelekre támaszkodnak, ahol az impulzus szélessége, nem pedig a frekvencia határozza meg a szöghelyzetet.
• A hanggeneráláshoz és a digitális-analóg átalakításhoz a PWM-re van szükség jóval a hallható spektrum felett, 22 kHz felett, hogy megakadályozza az interferenciát és lehetővé tegye a jelek tiszta szűrését.
• A teljesítményelektronikában a frekvenciaválasztás gyakran kompromisszumot köt a hatékonyság, a kapcsolási veszteségek, az elektromágneses interferencia és az adott terhelés dinamikus válasza között.
PWM felbontás és lépésméret
Felbontás (lépések)
A különálló munkaciklus-szintek számát az időzítő periódusszáma (N) állítja be. Ha például egy számláló 0 és 1023 között fut, az 1024 különböző munkaciklus-lépést ad. A magasabb szám a kimenet finomabb szabályozását jelenti.
Bitmélység
A felbontást gyakran bitben fejezik ki, log₂(N) néven számítva. Az 1024 lépéses számláló 10 bites, míg a 65536-os számláló 16 bites felbontásnak felel meg. Ez határozza meg, hogy a munkaciklus milyen pontosan állítható be.
Időlépés
A rendszeróra határozza meg a legkisebb növekményt, amely 1 ÷ fClock. A gyorsabb órajelek rövidebb időszakokat és magasabb PWM frekvenciákat tesznek lehetővé, miközben megőrzik a finom felbontást.
Kompromisszumok
A felbontás növelése több időzítőszámot igényel, ami viszont csökkenti az adott óra maximális PWM-frekvenciáját. Ezzel szemben a magasabb frekvenciák csökkentik a rendelkezésre álló felbontást.
PWM előskálázó és időszakbeállítási példa
| Lépés | Számítás | Eredmény | Magyarázat részletek |
|---|---|---|---|
| MCU óra | - | 24 MHz | Az időzítőt meghajtó alapfrekvencia. |
| Előskálázó alkalmazása ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Az időzítő óráját kezelhető számlálási tartományra csökkentették. |
| Időzítő időszak | 3 MHz × 0,020 s | 60 000 számlálás | Az automatikus újratöltési/időszakregiszter 60 000-re állítása 20 ms-os keretet kap. |
| Felbontás tickenként | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Minden időzítő növekménye \~0,33 mikroszekundum. |
| Szervo impulzus vezérlés | 1–2 ms impulzusszélesség = 3000–6000 kullancs | Sima szögszabályozást biztosít a 20 ms-os kereten belül. | - |
Fejlett PWM csatorna technikák
Holtidő beillesztése
A holtidő egy kis, szabályozott késleltetés, amelyet a komplementer tranzisztorok kapcsolása között helyeznek el egy félhíd vagy teljes híd áramkörben. Enélkül a magas és az alacsony oldali eszközök pillanatnyilag egyszerre vezethetnek, ami rövidzárlatot okoz, amelyet átlövésnek neveznek. Néhány tíz vagy száz nanoszekundum holtidő hozzáadásával a hardver biztonságos átmenetet biztosít, megvédve a MOSFET-eket vagy az IGBT-ket a sérülésektől.
Kiegészítő outputok
A kiegészítő kimenetek két olyan jelet generálnak, amelyek logikai ellentétei egymásnak. Ez különösen hasznos a push-pull áramkörökben, a motormeghajtókban és az inverter fokozatokban, ahol az egyik tranzisztornak pontosan ki kell kapcsolnia, amikor a másik bekapcsol. A kiegészítő PWM párok használata leegyszerűsíti a meghajtó áramkörét és biztosítja a szimmetriát, javítja a hatékonyságot és csökkenti a torzítást.
Szinkron frissítések
A több PWM-csatornával rendelkező rendszerekben a szinkron frissítések lehetővé teszik az összes kimenet egyidejű frissítését. E funkció nélkül kis időzítési eltérések (ferdeség) léphetnek fel, ami egyenetlen működéshez vezethet. A háromfázisú motorhajtásokban vagy a többfázisú átalakítókban a szinkronizált PWM biztosítja az egyensúlyt, a zökkenőmentes teljesítményt és az elektromágneses interferencia csökkentését.
Keresztkioldás
A keresztaktiválás lehetővé teszi az időzítők közötti interakciót, így egy PWM-esemény elindíthatja, visszaállíthatja vagy beállíthatja egy másik időzítőt. Ez a funkció erőteljes a fejlett vezérlőrendszerekben, lehetővé téve több jel pontos koordinálását. Az alkalmazások közé tartoznak a lépcsőzetes motorhajtások, az átlapolt teljesítményátalakítók és a szinkronizált szenzormintavétel, ahol a csatornák közötti időzítési kapcsolatok kritikusak.
Szervo mozgás PWM jelekkel
| Impulzus szélesség | Szervo mozgás |
|---|---|
| \~1,0 ms | Teljesen balra fordul, vagy teljes sebességgel forog az óramutató járásával megegyező irányba |
| \~1,5 ms | Középen marad vagy megáll |
| \~2,0 ms | Teljesen jobbra fordul, vagy teljes sebességgel az óramutató járásával ellentétes irányba forog |
Következtetés
A PWM egy fő eszköz, amely lehetővé teszi a digitális rendszerek számára, hogy pontosan és hatékonyan vezéreljék az analóg eszközöket. A munkaciklusok, az időzítő beállítása, a frekvenciaválasztás, a felbontási kompromisszumok és az olyan fejlett módszerek elsajátításával, mint a holtidő vagy a gammakorrekció, megbízható rendszereket tervezhet. A PWM továbbra is támogatja a modern elektronikát a világítási, mozgási, audio- és energiaalkalmazásokban.
Gyakran ismételt kérdések [GYIK]
A PWM javítja az energiahatékonyságot?
Igen. A PWM teljesen be- vagy kikapcsolja az eszközöket, minimalizálva a hőveszteséget az analóg feszültségszabályozáshoz képest.
A PWM elektromágneses interferenciát (EMI) okoz?
Igen. A gyors kapcsolás olyan harmonikusokat generál, amelyek EMI-t okoznak. A középre igazított PWM csökkenti azt, a szűrők pedig segítenek elnyomni a zajt.
Miért érdemes aluláteresztő szűrőt használni a PWM-mel?
Az aluláteresztő szűrő a négyszöghullámot átlagos egyenfeszültséggé simítja, ami hasznos hanghoz, analóg kimenetekhez és érzékelőszimulációhoz.
Vezérelheti a PWM a fűtőelemeket?
Igen. A fűtőberendezések lassan reagálnak, így még az alacsony PWM frekvenciák (10–100 Hz) is stabil hőmérséklet-szabályozást biztosítanak.
Mire használható a fáziseltolásos PWM?
Eltolja az időzítést a csatornák között, hogy csökkentse az áramcsúcsokat és kiegyenlítse a terheléseket, ami gyakori a többfázisú átalakítókban és motorhajtásokban.
Hogyan akadályozzák meg a mikrovezérlők a PWM jittert?
Dupla pufferelt regisztereket és szinkronizált frissítéseket használnak, így a munkaciklus változásai tisztán érvényesülnek minden ciklus elején.