Pulzno-šírková modulácia (PWM) je metóda, ktorú mikrokontroléry používajú na riadenie napájania zapínaním a vypínaním signálov vysokou rýchlosťou. Používa sa v LED diódach, motoroch, servách, audio a napájacích systémoch. Tento článok jasne podrobne vysvetľuje základy PWM, pracovný cyklus, prevádzku časovača, režimy, frekvenciu, rozlíšenie a pokročilé techniky.
Č. 9. Pohyb serva so signálmi PWM
Prehľad pulzno-šírkovej modulácie (PWM)
PWM časovače sú vstavané hardvérové moduly vo vnútri mikrokontrolérov, ktoré generujú digitálne impulzné signály s nastaviteľnými pracovnými cyklami. Namiesto toho, aby sa mikrokontrolér spoliehal na softvér na prepínanie pinov, ktorý spotrebúva výpočtový výkon a riskuje časové chvenie, prenáša túto úlohu na hardvérový časovač. To mu umožňuje zachovať presnosť a zároveň uvoľniť procesor na zvládnutie iných úloh. Výsledkom je efektívny multitasking, znížená latencia a lepší výkon v skutočných aplikáciách, ako je riadenie motora, stmievanie LED, modulácia zvuku a generovanie signálu. Účinnosť a presnosť PWM z neho robia chrbticu moderných vstavaných systémov a premosťuje priepasť medzi digitálnym riadením a analógovým správaním.
Pracovný cyklus modulácie šírky impulzu
Priebeh zobrazuje opakujúci sa signál, ktorý prepína medzi 0V a 5V. Perióda je označená ako 10 ms, čo predstavuje čas na jeden úplný cyklus. Počas tohto obdobia zostáva signál vysoký (5V) po dobu 3 ms, známy ako šírka impulzu. Pracovný cyklus sa potom vypočíta ako pomer vysokého času k celkovému obdobiu, čo v tomto prípade dáva 30%. To znamená, že signál dodáva energiu iba 30 % času na cyklus. Frekvencia je tiež odvodená od periódy, vypočítanej ako 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Výpočet pracovného cyklu v časovačoch mikrokontroléra
Pracovný cyklus nám hovorí, koľko z celkového času je signál zapnutý v porovnaní s celým cyklom tvaru vlny. V mikrokontroléri je to dôležité, pretože rozhoduje o tom, koľko energie sa odošle do zariadenia počas každého cyklu.
Na jeho výpočet použite jednoduchý vzorec: Pracovný cyklus (%) = (šírka impulzu ÷ perióda) × 100. Ak je signál aktívny HIGH, pracovný cyklus je zlomok času, počas ktorého signál zostáva HIGH. Ak je signál aktívny NÍZKY, pracovný cyklus je zlomok času, ktorý zostáva NÍZKY.
Časovač modulácie šírky impulzu
Tento obrázok ukazuje, ako funguje časovač PWM prepojením výstupu napätia s počítadlom. Počítadlo opakovane počíta od 0 do 9, potom sa resetuje a vytvorí periódu signálu. Keď počítadlo dosiahne nastavenú hodnotu zhody (tu 2), výstup sa zvýši a zostane vysoký, kým počítadlo nepretečie, čím sa definuje šírka impulzu. Bod pretečenia resetuje cyklus a začína nové obdobie.
Časovač určuje pracovný cyklus ovládaním, kedy sa výstup zapne (zhoda) a kedy sa resetuje (pretečenie). Úpravou hodnoty zhody sa zmení šírka vysokého signálu a priamo sa riadi, koľko energie PWM dodáva záťaži.
Režimy PWM zarovnané na okraje a na stred
Režim zarovnania okrajov
V okrajovo zarovnanom PWM počítadlo počíta iba od nuly do nastaveného maxima a prepínanie nastáva na začiatku alebo na konci cyklu. Vďaka tomu je jeho implementácia jednoduchá a vysoko efektívna, pretože väčšina mikrokontrolérov a časovačov ho natívne podporuje. Pretože všetky spínacie hrany sú zarovnané na jednu stranu periódy, môže to viesť k nerovnomernému zvlneniu prúdu a vyššiemu elektromagnetickému rušeniu (EMI).
Režim zarovnania na stred (fázovo správny)
V PWM zarovnanom na stred počítadlo počíta nahor a potom späť v rámci každého cyklu. To zaisťuje, že spínacie hrany sú rozmiestnené okolo stredu priebehu, čím sa vytvára vyváženejší výstup. Symetria znižuje harmonické, zvlnenie krútiaceho momentu v motoroch a EMI v napájacích systémoch. Aj keď je o niečo zložitejší a menej efektívny z hľadiska využitia frekvencie, poskytuje oveľa čistejšiu kvalitu výstupu.
Výber správnej frekvencie PWM
• Stmievanie LED vyžaduje frekvencie nad 200 Hz, aby sa eliminovalo viditeľné blikanie, zatiaľ čo podsvietenie displeja a vysokokvalitné osvetľovacie systémy často používajú 20–40 kHz, aby zostali mimo ľudského vnímania a minimalizovali šum.
• Elektromotory pracujú najlepšie s frekvenciami PWM medzi 2 – 20 kHz, pričom vyrovnávajú spínacie straty plynulosťou krútiaceho momentu; Nižšie hodnoty poskytujú vyššie rozlíšenie pracovného cyklu, zatiaľ čo vyššie hodnoty znižujú počuteľný šum a zvlnenie.
• Štandardné hobby servá sa spoliehajú na pevné riadiace signály okolo 50 Hz (perióda 20 ms), kde uhlovú polohu určuje šírka impulzu, nie frekvencia.
• Generovanie zvuku a digitálno-analógová konverzia vyžadujú PWM vysoko nad počuteľným spektrom, nad 22 kHz, aby sa zabránilo rušeniu a umožnilo čisté filtrovanie signálov.
• Vo výkonovej elektronike výber frekvencie často kolísuje medzi účinnosťou, spínacími stratami, elektromagnetickým rušením a dynamickou odozvou špecifickej záťaže.
Rozlíšenie PWM a veľkosť kroku
Rozlíšenie (kroky)
Počet diskrétnych úrovní pracovného cyklu je nastavený počtom periód časovača (N). Ak napríklad počítadlo beží od 0 do 1023, získa to 1024 odlišných krokov pracovného cyklu. Vyššie počty znamenajú jemnejšiu kontrolu výstupu.
Bitová hĺbka
Rozlíšenie sa často vyjadruje v bitoch, vypočítaných ako log₂(N). 1024-krokové počítadlo zodpovedá 10-bitovému rozlíšeniu, zatiaľ čo počítadlo 65536 zodpovedá 16-bitovému rozlíšeniu. To definuje, ako presne je možné nastaviť pracovný cyklus.
Časový krok
Systémové hodiny určujú najmenší prírastok, ktorý sa rovná 1 ÷ fClock. Vyššie frekvencie umožňujú kratšie periódy a vyššie frekvencie PWM pri zachovaní jemného rozlíšenia.
Kompromisy
Zvyšovanie rozlíšenia si vyžaduje viac počtu časovačov, čo zase znižuje maximálnu frekvenciu PWM pre dané hodiny. Naopak, vyššie frekvencie znižujú dostupné rozlíšenie.
Príklad nastavenia PWM Prescaler a menštruácie
| Krok | Kalkulácia | Výsledok | Vysvetleniepodrobnosti |
|---|---|---|---|
| Hodiny MCU | - | 24 MHz | Základná frekvencia riadi časovač. |
| Aplikácia prescaler ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Časové hodiny boli zredukované na zvládnuteľný rozsah počítania. |
| Časová doba | 3 MHz × 0,020 s | 60 000 počtov | Nastavením registra automatického načítania/periódy na 60 000 získate snímku s dĺžkou 20 ms. |
| Rozlíšenie na tik | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Každý prírastok časovača sa rovná \~0.33 mikrosekundy. |
| Ovládanie servopohonov | Šírka impulzu 1–2 ms = 3000–6000 tikov | Poskytuje plynulé uhlové ovládanie v rámci 20 ms rámu. | - |
Pokročilé techniky PWM kanálov
Vloženie mŕtveho času
Mŕtvy čas je malé, riadené oneskorenie vložené medzi prepínanie komplementárnych tranzistorov v obvode s polovičným mostíkom alebo plným mostíkom. Bez neho by zariadenia s vysokou aj nízkou stranou mohli na chvíľu viesť súčasne, čo by spôsobilo skrat známy ako prestreľovanie. Pridaním niekoľkých desiatok alebo stoviek nanosekúnd mŕtveho času hardvér zaisťuje bezpečné prechody a chráni MOSFETy alebo IGBT pred poškodením.
Doplnkové výstupy
Komplementárne výstupy generujú dva signály, ktoré sú navzájom logickými protikladmi. To je užitočné najmä v obvodoch push-pull, ovládačoch motorov a invertorových stupňoch, kde sa jeden tranzistor musí vypnúť presne, keď sa zapne druhý. Použitie doplnkových párov PWM zjednodušuje obvody ovládača a zaisťuje symetriu, zlepšuje účinnosť a znižuje skreslenie.
Synchrónne aktualizácie
V systémoch s viacerými kanálmi PWM umožňujú synchrónne aktualizácie obnovenie všetkých výstupov súčasne. Bez tejto funkcie by mohlo dôjsť k malým časovým nesúladom (zošikmeniu), čo by viedlo k nerovnomernej prevádzke. V trojfázových motorových pohonoch alebo viacfázových meničoch synchronizovaný PWM zaisťuje vyváženie, plynulý výkon a znížené elektromagnetické rušenie.
Krížové spúšťanie
Krížové spúšťanie umožňuje časovačom vzájomnú interakciu, takže jedna udalosť PWM môže spustiť, resetovať alebo upraviť iný časovač. Táto funkcia je výkonná v pokročilých riadiacich systémoch a umožňuje presnú koordináciu viacerých signálov. Aplikácie zahŕňajú kaskádové motorové pohony, prekladané meniče výkonu a synchronizované vzorkovanie snímačov, kde sú časové vzťahy medzi kanálmi kritické.
Pohyb serva so signálmi PWM
| Šírka impulzu | Servomechanizmus |
|---|---|
| \~1,0 ms | Otáča sa úplne doľava alebo sa otáča v smere hodinových ručičiek pri plnej rýchlosti |
| \~1,5 ms | Zostáva v strede alebo sa prestane pohybovať |
| \~2,0 ms | Otáča sa úplne doprava alebo sa otáča proti smeru hodinových ručičiek pri plnej rýchlosti |
Záver
PWM je hlavný nástroj, ktorý umožňuje digitálnym systémom ovládať analógové zariadenia s presnosťou a efektívnosťou. Učením sa pracovných cyklov, nastavenia časovača, výberu frekvencie, kompromisov rozlíšenia a pokročilých metód, ako je mŕtvy čas alebo korekcia gama, môžete navrhnúť spoľahlivé systémy. PWM naďalej podporuje modernú elektroniku v aplikáciách osvetlenia, pohybu, zvuku a napájania.
Často kladené otázky [FAQ]
Zlepšuje PWM energetickú účinnosť?
Áno. PWM plne zapína alebo vypína zariadenia, čím sa minimalizujú tepelné straty v porovnaní s analógovým riadením napätia.
Vytvára PWM elektromagnetické rušenie (EMI)?
Áno. Rýchle prepínanie generuje harmonické, ktoré spôsobujú EMI. Stredovo zarovnaný PWM ho znižuje a filtre pomáhajú potláčať šum.
Prečo používať dolnopriepustný filter s PWM?
Dolný filter vyhladzuje štvorcovú vlnu na priemerné jednosmerné napätie, čo je užitočné pre zvuk, analógové výstupy a simuláciu snímačov.
Môže PWM ovládať vykurovacie telesá?
Áno. Ohrievače reagujú pomaly, takže aj nízke frekvencie PWM (10–100 Hz) poskytujú stabilnú reguláciu teploty.
Na čo sa používa PWM s fázovým posunom?
Posúva časovanie medzi kanálmi, aby sa znížili prúdové špičky a vyrovnávacie zaťaženie, bežné vo viacfázových meničoch a motorových pohonoch.
Ako mikrokontroléry zabraňujú chveniu PWM?
Používajú registre s dvojitou vyrovnávacou pamäťou a synchronizované aktualizácie, takže zmeny pracovného cyklu sa na začiatku každého cyklu uplatňujú čisto.