Pulzně-šířková modulace (PWM) je metoda, kterou mikrokontroléry používají k řízení napájení zapínáním a vypínáním signálů vysokou rychlostí. Používá se v LED diodách, motorech, servech, audio a napájecích systémech. Tento článek jasně vysvětluje základy PWM, pracovní cyklus, provoz časovače, režimy, frekvenci, rozlišení a pokročilé techniky.
Bod 3. Časovač pulzně-šířkové modulace
Bod 4. Režimy PWM zarovnané na hrany a na střed
Bod 5. Výběr správné frekvence PWM
Kapitola 10. Závěr
Kapitola 11. Často kladené dotazy [FAQ]
Přehled pulzně-šířkové modulace (PWM)
Časovače PWM jsou vestavěné hardwarové moduly uvnitř mikrokontrolérů, které generují digitální pulzní signály s nastavitelnými pracovními cykly. Místo toho, aby se spoléhal na software pro přepínání pinů, což spotřebovává výpočetní výkon a riskuje kolísání časování, mikrokontrolér převádí tuto úlohu na hardwarový časovač. To mu umožňuje zachovat přesnost a zároveň uvolnit procesor pro zpracování jiných úkolů. Výsledkem je efektivní multitasking, snížená latence a lepší výkon ve skutečných aplikacích, jako je řízení motoru, stmívání LED, modulace zvuku a generování signálu. Efektivita a přesnost PWM z něj činí páteř moderních vestavěných systémů, která překlenuje propast mezi digitálním řízením a analogovým chováním.
Pracovní cyklus pulzně-šířkové modulace
Křivka ukazuje opakující se signál, který přepíná mezi 0V a 5V. Perioda je označena jako 10 ms, což představuje čas pro jeden dokončený cyklus. Během této doby zůstává signál vysoký (5 V) po dobu 3 ms, což je známé jako šířka pulzu. Pracovní cyklus se pak vypočítá jako poměr nejvyšší doby k celkovému období, což v tomto případě dává 30 %. To znamená, že signál dodává energii pouze 30 % času na cyklus. Frekvence je také odvozena od periody, která se vypočítá jako 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Výpočet pracovního cyklu v časovačích mikrokontroléru
Pracovní cyklus nám říká, kolik z celkové doby je signál zapnutý ve srovnání s celým cyklem křivky. V mikrokontroléru je to důležité, protože rozhoduje o tom, kolik energie je odesláno do zařízení během každého cyklu.
K jeho výpočtu se používá jednoduchý vzorec: Pracovní cyklus (%) = (šířka pulzu ÷ perioda) × 100. Pokud je signál aktivní HIGH, pracovní cyklus je zlomek času, po který signál zůstává HIGH. Pokud je signál aktivní LOW, pracovní cyklus je zlomek doby, po kterou zůstává LOW.
Časovač pulzně-šířkové modulace
Tento obrázek ukazuje, jak funguje časovač PWM propojením napěťového výstupu s čítačem. Počítadlo opakovaně počítá od 0 do 9, poté se resetuje a vytvoří periodu signálu. Když čítač dosáhne nastavené hodnoty shody (zde 2), výstup se zvýší a zůstane vysoký, dokud čítač nepřeteče, čímž se definuje šířka pulzu. Bod přetečení resetuje cyklus a začíná nová perioda.
Časovač určuje pracovní cyklus tím, že řídí, kdy se výstup zapne (shoda) a kdy se resetuje (přetečení). Úpravou hodnoty shody se mění šířka vysokého signálu a přímo se řídí, kolik energie PWM dodá zátěži.
Režimy PWM zarovnané na hranu a na střed
Režim zarovnání hran
V PWM zarovnaném na hraně se počítadlo počítá pouze od nuly do nastaveného maxima a k přepnutí dochází na začátku nebo na konci cyklu. Díky tomu je implementace jednoduchá a vysoce efektivní, protože většina mikrokontrolérů a časovačů ji nativně podporuje. Protože jsou všechny spínací hrany zarovnány na jednu stranu periody, může to vést k nerovnoměrnému zvlnění proudu a vyššímu elektromagnetickému rušení (EMI).
Režim zarovnání na střed (fázová korekce)
Ve středově zarovnaném PWM počítadlo počítá nahoru a poté zpět dolů v rámci každého cyklu. Tím je zajištěno, že přepínací hrany jsou rozmístěny kolem středu křivky, čímž se vytváří vyváženější výstup. Symetrie snižuje harmonické, zvlnění točivého momentu v motorech a EMI v energetických systémech. Je sice o něco složitější a méně efektivní z hlediska využití frekvence, ale poskytuje mnohem čistší kvalitu výstupu.
Výběr správné frekvence PWM
• Stmívání LED vyžaduje frekvence nad 200 Hz, aby se eliminovalo viditelné blikání, zatímco podsvícení displeje a vysoce kvalitní osvětlovací systémy často používají 20–40 kHz, aby zůstaly mimo lidské vnímání a minimalizovaly šum.
• Elektromotory pracují nejlépe s frekvencemi PWM mezi 2–20 kHz, čímž vyrovnávají spínací ztráty s plynulostí točivého momentu; Nižší hodnoty poskytují vyšší rozlišení pracovního cyklu, zatímco vyšší hodnoty snižují slyšitelný šum a zvlnění.
• Standardní hobby serva spoléhají na pevné řídicí signály kolem 50 Hz (perioda 20 ms), kde úhlovou polohu určuje šířka pulzu, nikoli frekvence.
• Generování zvuku a digitálně-analogový převod vyžadují PWM výrazně nad slyšitelným spektrem, přes 22 kHz, aby se zabránilo rušení a umožnilo čisté filtrování signálů.
• Ve výkonové elektronice se výběr frekvence často pohybuje mezi účinností, spínacími ztrátami, elektromagnetickým rušením a dynamickou odezvou konkrétní zátěže.
Rozlišení PWM a velikost kroku
Rozlišení (kroky)
Počet samostatných úrovní pracovního cyklu je dán počtem period časovače (N). Pokud například čítač běží od 0 do 1023, dává to 1024 různých kroků pracovního cyklu. Vyšší počty znamenají jemnější ovládání výstupu.
Bitová hloubka
Rozlišení je často vyjádřeno v bitech, které se počítají jako log₂(N). Čítač 1024 kroků odpovídá 10bitovému rozlišení, zatímco čítač 65536 odpovídá 16bitovému rozlišení. Ta definuje, jak přesně lze pracovní cyklus upravit.
Časový krok
Systémové hodiny určují nejmenší přírůstek, který se rovná 1 ÷ fClock. Vyšší taktovací frekvence umožňují kratší periody a vyšší frekvence PWM při zachování jemného rozlišení.
Kompromisy
Zvýšení rozlišení vyžaduje více počtů časovačů, což zase snižuje maximální frekvenci PWM pro dané hodiny. Naopak vyšší frekvence snižují dostupné rozlišení.
Příklad nastavení PWM předděliče a periody
| Krok | Kalkulace | Výsledek | Vysvětlenípodrobnosti |
|---|---|---|---|
| Hodiny MCU | - | 24 MHz | Základní frekvence pohánějící časovač. |
| Použití předděličky ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Hodiny časovače byly sníženy na zvládnutelný rozsah počítání. |
| Doba časovače | 3 MHz × 0,020 s | 60 000 počtů | Nastavením registru auto-reload/period na 60 000 získáte rámec 20 ms. |
| Rozlišení na tik | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Každý přírůstek časovače se rovná\~0,33 mikrosekundy. |
| Servo pulzní řízení | Šířka pulzu 1–2 ms = 3000–6000 tiků | Poskytuje plynulé úhlové ovládání v rámci 20 ms. | - |
Pokročilé techniky kanálů PWM
Vložení mrtvého času
Mrtvý čas je malé, řízené zpoždění vložené mezi spínání komplementárních tranzistorů v obvodu s polovičním můstkem nebo plným můstkem. Bez něj by zařízení na horní i dolní straně mohla na okamžik vést současně, což by způsobilo zkrat známý jako průstřel. Přidáním několika desítek nebo stovek nanosekund mrtvého času hardware zajišťuje bezpečné přechody a chrání MOSFETy nebo IGBT před poškozením.
Doplňkové výstupy
Komplementární výstupy generují dva signály, které jsou navzájem logickými protiklady. To je užitečné zejména v push-pull obvodech, ovladačích motorů a invertorových stupních, kde se jeden tranzistor musí vypnout přesně ve chvíli, kdy se zapne druhý. Použití komplementárních párů PWM zjednodušuje obvody měniče a zajišťuje symetrii, zlepšuje účinnost a snižuje zkreslení.
Synchronní aktualizace
V systémech s více kanály PWM umožňují synchronní aktualizace aktualizaci všech výstupů současně. Bez této funkce by mohlo dojít k malým nesouladům časování (zkosení), což by vedlo k nerovnoměrnému provozu. U třífázových motorových pohonů nebo vícefázových měničů zajišťuje synchronizovaný PWM rovnováhu, plynulý výkon a snížené elektromagnetické rušení.
Křížové spouštění
Křížové spouštění umožňuje časovačům vzájemnou interakci, takže jedna událost PWM může spustit, resetovat nebo upravit další časovač. Tato funkce je výkonná v pokročilých řídicích systémech, umožňuje přesnou koordinaci více signálů. Aplikace zahrnují kaskádové motorové pohony, prokládané výkonové měniče a synchronizované vzorkování senzorů, kde jsou časové vztahy mezi kanály kritické.
Pohyb serva se signály PWM
| Šířka pulzu | Pohyb serva |
|---|---|
| \~1,0 ms | Otáčí se úplně doleva nebo se otáčí ve směru hodinových ručiček plnou rychlostí |
| \~1,5 ms | Zůstane uprostřed nebo se přestane pohybovat |
| \~2,0 ms | Otáčí se úplně doprava nebo se otáčí plnou rychlostí proti směru hodinových ručiček |
Závěr
PWM je hlavní nástroj, který umožňuje digitálním systémům ovládat analogová zařízení s přesností a efektivitou. Učením se pracovních cyklů, nastavení časovače, volby frekvence, kompromisů v rozlišení a pokročilých metod, jako je mrtvý čas nebo gama korekce, můžete navrhovat spolehlivé systémy. PWM nadále podporuje moderní elektroniku v osvětlovacích, pohybových, audio a energetických aplikacích.
Často kladené dotazy [FAQ]
Zlepšuje PWM energetickou účinnost?
Ano. PWM zapíná nebo vypíná zařízení plně, čímž minimalizuje tepelné ztráty ve srovnání s analogovým řízením napětí.
Vytváří PWM elektromagnetické rušení (EMI)?
Ano. Rychlé spínání generuje harmonické, které způsobují EMI. Středově orientovaný PWM jej snižuje a filtry pomáhají potlačit šum.
Proč používat dolní propust s PWM?
Dolní propust vyhlazuje obdélníkovou vlnu na průměrné stejnosměrné napětí, což je užitečné pro zvuk, analogové výstupy a simulaci senzoru.
Může PWM ovládat topná tělesa?
Ano. Topná tělesa reagují pomalu, takže i nízké frekvence PWM (10–100 Hz) zajišťují stabilní regulaci teploty.
K čemu se používá fázově posunutý PWM?
Posouvá časování mezi kanály, aby se snížily proudové špičky a vyvažovací zátěže, běžné u vícefázových měničů a motorových pohonů.
Jak mikrokontroléry zabraňují chvění PWM?
Používají registry s dvojitou vyrovnávací pamětí a synchronizované aktualizace, takže změny pracovního cyklu se aplikují čistě na začátku každého cyklu.