Impulsų pločio moduliacija (PWM) yra metodas, kurį mikrovaldikliai naudoja maitinimui valdyti, įjungiant ir išjungiant signalus dideliu greičiu. Jis naudojamas šviesos dioduose, varikliuose, servose, garso ir maitinimo sistemose. Šiame straipsnyje aiškiai paaiškinami PWM pagrindai, darbo ciklas, laikmačio veikimas, režimai, dažnis, skiriamoji geba ir išplėstiniai metodai.
Impulso pločio moduliacijos (PWM) apžvalga
PWM laikmačiai yra įmontuoti aparatūros moduliai mikrovaldikliuose, generuojantys skaitmeninius impulsų signalus su reguliuojamais darbo ciklais. Užuot pasikliaujęs programine įranga, kad perjungtų kaiščius, o tai sunaudoja apdorojimo galią ir rizikuoja laiko virpėjimu, mikrovaldiklis perkelia šią užduotį į aparatūros laikmatį. Tai leidžia išlaikyti tikslumą ir atlaisvinti procesorių kitoms užduotims atlikti. Rezultatas – efektyvus kelių užduočių atlikimas, mažesnė delsa ir geresnis našumas tokiose programose kaip variklio valdymas, LED pritemdymas, garso moduliacija ir signalo generavimas. PWM efektyvumas ir tikslumas daro jį šiuolaikinių įterptųjų sistemų pagrindu, mažinančiu atotrūkį tarp skaitmeninio valdymo ir analoginio elgesio.
Impulso pločio moduliacijos darbo ciklas
Bangos forma rodo pasikartojantį signalą, kuris perjungiamas nuo 0 V iki 5 V. Laikotarpis pažymėtas kaip 10 ms, o tai reiškia vieno viso ciklo laiką. Per tą laikotarpį signalas išlieka aukštas (5 V) 3 ms, žinomas kaip impulso plotis. Tada darbo ciklas apskaičiuojamas kaip didelio laiko ir viso laikotarpio santykis, šiuo atveju gaunant 30%. Tai reiškia, kad signalas tiekia galią tik 30% laiko per ciklą. Dažnis taip pat gaunamas iš laikotarpio, apskaičiuojamo kaip 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Darbo ciklo skaičiavimas mikrovaldiklių laikmačiuose
Darbo ciklas parodo, kiek viso signalo įjungimo laiko, palyginti su visu bangos formos ciklu. Mikrovaldiklyje tai svarbu, nes jis nusprendžia, kiek energijos siunčiama į įrenginį per kiekvieną ciklą.
Norėdami jį apskaičiuoti, naudokite paprastą formulę: Darbo ciklas (%) = (impulso plotis ÷ laikotarpis) × 100. Jei signalas aktyvus HIGH, darbo ciklas yra laiko dalis, per kurią signalas išlieka HIGH. Jei signalas yra aktyvus LOW, darbo ciklas yra laiko dalis, per kurią jis išlieka ŽEMAS.
Impulso pločio moduliacijos laikmatis
Šiame paveikslėlyje parodyta, kaip veikia PWM laikmatis, susiejant įtampos išvestį su skaitikliu. Skaitiklis pakartotinai skaičiuoja nuo 0 iki 9, tada nustatomas iš naujo, sukurdamas signalo periodą. Kai skaitiklis pasiekia nustatytą atitikties vertę (čia 2), išėjimas kyla aukštai ir išlieka aukštas, kol skaitiklis perpildomas, apibrėždamas impulso plotį. Perpildymo taškas iš naujo nustato ciklą, pradedant naują periodą.
Laikmatis nustato darbo ciklą kontroliuodamas, kada išėjimas įsijungia (rungtynės) ir kada jis nustatomas iš naujo (perpildymas). Reguliuojant atitikties vertę, pasikeičia aukšto signalo plotis, tiesiogiai kontroliuojant, kiek galios PWM tiekia apkrovai.
Kraštų ir centrų PWM režimai
Kraštų sulygiavimo režimas
Kraštuose sulygiuotame PWM skaitiklis skaičiuoja tik nuo nulio iki nustatyto maksimumo, o perjungimas vyksta ciklo pradžioje arba pabaigoje. Dėl to jį lengva įdiegti ir jis yra labai efektyvus, nes dauguma mikrovaldiklių ir laikmačių jį palaiko. Kadangi visi perjungimo kraštai yra išlyginti vienoje laikotarpio pusėje, tai gali sukelti netolygų srovės virpėjimą ir didesnius elektromagnetinius trukdžius (EMI).
Centrinis (fazės korekcijos) režimas
Centrinėje PWM skaitiklis skaičiuoja aukštyn ir atgal kiekvieno ciklo metu. Tai užtikrina, kad perjungimo kraštai būtų paskirstyti aplink bangos formos centrą, sukuriant labiau subalansuotą išvestį. Simetrija sumažina harmonikas, sukimo momento virpėjimą varikliuose ir EMI maitinimo sistemose. Nors jis yra šiek tiek sudėtingesnis ir mažiau efektyvus dažnio panaudojimo požiūriu, jis užtikrina daug švaresnę išvesties kokybę.
Tinkamo PWM dažnio pasirinkimas
• LED pritemdymui reikalingi didesni nei 200 Hz dažniai, kad būtų pašalintas matomas mirgėjimas, o ekrano foninis apšvietimas ir aukštos kokybės apšvietimo sistemos dažnai naudoja 20–40 kHz, kad išliktų už žmogaus suvokimo ribų ir sumažintų triukšmą.
• Elektros varikliai geriausiai veikia esant PWM dažniams nuo 2 iki 20 kHz, subalansuodami perjungimo nuostolius su sukimo momento sklandumu; Mažesnės vertės užtikrina didesnę darbo ciklo skiriamąją gebą, o didesnės vertės sumažina girdimą triukšmą ir virpėjimą.
• Standartiniai mėgėjų servos remiasi fiksuotais valdymo signalais apie 50 Hz (20 ms periodas), kur impulso plotis, o ne dažnis lemia kampinę padėtį.
• Garso generavimui ir skaitmeniniam konvertavimui į analogą reikalingas PWM gerokai didesnis nei garsinis spektras, didesnis nei 22 kHz, kad būtų išvengta trukdžių ir būtų galima švariai filtruoti signalus.
• Galios elektronikoje dažnio pasirinkimas dažnai skiriasi nuo efektyvumo, perjungimo nuostolių, elektromagnetinių trukdžių ir konkrečios apkrovos dinaminio atsako.
PWM skiriamoji geba ir žingsnio dydis
Skiriamoji geba (žingsniai)
Atskirų darbo ciklų lygių skaičius nustatomas pagal laikmačio laikotarpių skaičių (N). Pavyzdžiui, jei skaitiklis veikia nuo 0 iki 1023, tai suteikia 1024 skirtingus darbo ciklo žingsnius. Didesnis skaičius reiškia tikslesnę produkcijos kontrolę.
Bitų gylis
Skiriamoji geba dažnai išreiškiama bitais, apskaičiuojama kaip log₂(N). 1024 žingsnių skaitiklis atitinka 10 bitų skiriamąją gebą, o 65536 skaitiklis atitinka 16 bitų skiriamąją gebą. Tai apibrėžia, kaip tiksliai galima reguliuoti darbo ciklą.
Laiko žingsnis
Sistemos laikrodis nustato mažiausią žingsnį, lygų 1 ÷ fClock. Didesnis laikrodžio greitis leidžia trumpesnius laikotarpius ir didesnius PWM dažnius, išlaikant tikslią skiriamąją gebą.
Kompromisai
Norint padidinti skiriamąją gebą, reikia daugiau laikmačio skaičiaus, o tai savo ruožtu sumažina maksimalų PWM dažnį tam tikram laikrodžiui. Ir atvirkščiai, aukštesni dažniai sumažina galimą skiriamąją gebą.
PWM išankstinio skalerio ir laikotarpio sąrankos pavyzdys
| Žingsnis | Skaičiavimas | Rezultatas | Paaiškinimasdetalizacija |
|---|---|---|---|
| MCU laikrodis | - | 24 MHz | Bazinis dažnis, valdantis laikmatį. |
| Taikyti prescaler ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Laikmačio laikrodis buvo sumažintas iki valdomo skaičiavimo diapazono. |
| Laikmačio laikotarpis | 3 MHz × 0,020 s | 60 000 skaičiavimų | Nustačius automatinio perkrovimo / laikotarpio registrą į 60 000, gaunamas 20 ms kadras. |
| Skiriamoji geba vienai varnelei | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Kiekvienas laikmačio žingsnis lygus \~0,33 mikrosekundės. |
| Servo impulsų valdymas | 1–2 ms impulso plotis = 3000–6000 erkių | Užtikrina sklandų kampinį valdymą 20 ms kadre. | - |
Išplėstiniai PWM kanalų metodai
Dead-Time įterpimas
Negyvas laikas yra mažas, kontroliuojamas delsimas, įterptas tarp papildomų tranzistorių perjungimo pusiau tilto arba viso tilto grandinėje. Be jo tiek aukštos, tiek žemos pusės įrenginiai galėtų akimirksniu veikti tuo pačiu metu, sukeldami trumpąjį jungimą, vadinamą šaudymu. Pridėjus kelias dešimtis ar šimtus nanosekundžių negyvo laiko, aparatinė įranga užtikrina saugų perėjimą, apsaugodama MOSFET ar IGBT nuo pažeidimų.
Papildomi išėjimai
Papildomi išėjimai generuoja du signalus, kurie yra logiškos priešingybės vienas kitam. Tai ypač naudinga stūmimo grandinėse, variklio tvarkyklėse ir keitiklio pakopose, kur vienas tranzistorius turi išsijungti tiksliai, kai įsijungia kitas. Naudojant papildomas PWM poras, supaprastinama tvarkyklės grandinė ir užtikrinama simetrija, padidėja efektyvumas ir sumažinamas iškraipymas.
Sinchroniniai atnaujinimai
Sistemose su keliais PWM kanalais sinchroniniai atnaujinimai leidžia atnaujinti visus išėjimus vienu metu. Be šios funkcijos gali atsirasti nedideli laiko neatitikimai (iškrypimas), dėl kurių veikimas gali būti netolygus. Trifazėse variklių pavarose arba daugiafaziuose keitikliuose sinchronizuotas PWM užtikrina pusiausvyrą, sklandų veikimą ir sumažintus elektromagnetinius trukdžius.
Kryžminis paleidimas
Kryžminis paleidimas leidžia laikmačiams sąveikauti tarpusavyje, kad vienas PWM įvykis galėtų paleisti, iš naujo nustatyti arba reguliuoti kitą laikmatį. Ši funkcija yra galinga pažangiose valdymo sistemose, leidžiančioje tiksliai koordinuoti kelis signalus. Programos apima kaskadines variklių pavaras, tarpusavyje sujungtus galios keitiklius ir sinchronizuotą jutiklių mėginių ėmimą, kai laiko santykiai tarp kanalų yra labai svarbūs.
Servo judėjimas su PWM signalais
| Impulso plotis | Servo judėjimas |
|---|---|
| \~1.0 ms | Visiškai pasuka į kairę arba sukasi pagal laikrodžio rodyklę visu greičiu |
| \~1.5 ms | Lieka viduryje arba nustoja judėti |
| \~2.0 ms | Visiškai pasuka į dešinę arba sukasi prieš laikrodžio rodyklę visu greičiu |
Išvada
PWM yra pagrindinis įrankis, leidžiantis skaitmeninėms sistemoms tiksliai ir efektyviai valdyti analoginius įrenginius. Mokydamiesi darbo ciklų, laikmačio nustatymo, dažnio pasirinkimo, skiriamosios gebos kompromisų ir pažangių metodų, tokių kaip negyvas laikas ar gama korekcija, galite sukurti patikimas sistemas. PWM ir toliau palaiko šiuolaikinę elektroniką apšvietimo, judesio, garso ir maitinimo programose.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Ar PWM pagerina energijos vartojimo efektyvumą?
Taip. PWM visiškai įjungia arba išjungia įrenginius, sumažindamas šilumos nuostolius, palyginti su analoginiu įtampos valdymu.
Ar PWM sukuria elektromagnetinius trukdžius (EMI)?
Taip. Greitas perjungimas sukuria harmonikas, sukeliančias EMI. Centre sulygiuotas PWM jį sumažina, o filtrai padeda slopinti triukšmą.
Kodėl verta naudoti žemųjų dažnių filtrą su PWM?
Žemųjų dažnių filtras išlygina kvadratinę bangą į vidutinę nuolatinę įtampą, kuri naudinga garsui, analoginiams išėjimams ir jutiklio modeliavimui.
Ar PWM gali valdyti kaitinimo elementus?
Taip. Šildytuvai reaguoja lėtai, todėl net žemi PWM dažniai (10–100 Hz) užtikrina stabilų temperatūros valdymą.
Kam naudojamas fazės poslinkio PWM?
Jis perkelia laiką tarp kanalų, kad sumažintų srovės šuolius ir subalansuotų apkrovas, įprastas daugiafaziuose keitikliuose ir variklių pavarose.
Kaip mikrovaldikliai apsaugo nuo PWM virpėjimo?
Jie naudoja dvigubus buferinius registrus ir sinchronizuotus naujinimus, todėl darbo ciklo pakeitimai taikomi švariai kiekvieno ciklo pradžioje.