אפנון רוחב-פולס (PWM) היא שיטה שבה משתמשים מיקרו-בקרים כדי לשלוט בהספק על ידי הפעלה וכיבוי של אותות במהירות גבוהה. הוא משמש בנורות LED, מנועים, סרוו, שמע ומערכות חשמל. מאמר זה מסביר את יסודות ה-PWM, מחזור העבודה, פעולת קוצב-זמן, אופנים, תדר, רזולוציה וטכניקות מתקדמות בפירוט ברור.
ג1. אפנון רוחב דופק (PWM) נגמרview
ג2. מחזור עבודה של אפנון רוחב דופק
ג3. טיימר אפנון רוחב דופק
ג4. מצבי PWM מיושרים לקצה ולמרכז
ג5. בחירת תדר ה-PWM הנכון
ג6. רזולוציית PWM וגודל צעד
ג7. דוגמה להגדרת PWM Prescaler ותקופה
ג8. טכניקות מתקדמות של ערוץ PWM
ג9. תנועת סרוו עם אותות PWM
ג10. מסקנה
ג11. שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]
סקירה כללית של אפנון רוחב דופק (PWM).
קוצבי-זמן PWM הם מודולי חומרה מובנים בתוך מיקרו-בקרים המייצרים אותות פולסים דיגיטליים עם מחזורי עבודה מתכווננים. במקום להסתמך על תוכנה להחלפת פינים, מה שצורך כוח עיבוד ומסתכן בריצוד תזמון, המיקרו-בקר מוריד את העבודה הזו לקוצר-זמן החומרה. זה מאפשר לו לשמור על דיוק תוך שחרור המעבד לטפל במשימות אחרות. התוצאה היא ריבוי משימות יעיל, שיהוי מופחת וביצועים טובים יותר ביישומים בפועל כגון בקרת מנועים, עמעום LED, אפנון אודיו ויצירת אותות. היעילות והדיוק של PWM הופכים אותו לעמוד השדרה של מערכות משובצות מודרניות, ומגשרים על הפער בין בקרה דיגיטלית להתנהגות אנלוגית.
מחזור עבודה של אפנון רוחב דופק
צורת הגל מציגה אות חוזר שעובר בין 0V ל-5V. התקופה מסומנת כ-10 אלפיות השנייה, המייצגת את הזמן למחזור שלם אחד. בתוך תקופה זו, האות נשאר גבוה (5V) למשך 3 אלפיות השנייה, המכונה רוחב הדופק. מחזור העבודה מחושב לאחר מכן כיחס בין הזמן הגבוה לתקופה הכוללת, ומעניק 30% במקרה זה. המשמעות היא שהאות מספק חשמל רק 30% מהזמן למחזור. התדר נגזר גם מהתקופה, המחושבת כ -1 ÷ 10 אלפיות השנייה = 100 הרץ.
חישוב מחזור עבודה בטיימרים של מיקרו-בקר
מחזור העבודה אומר לנו כמה מהזמן הכולל האות מופעל בהשוואה למחזור המלא של צורת הגל. במיקרו-בקר, זה חשוב מכיוון שהוא מחליט כמה כוח נשלח למכשיר בכל מחזור.
כדי לחשב אותו, אתה משתמש בנוסחה פשוטה: מחזור עבודה (%) = (רוחב דופק ÷ תקופה) × 100. אם האות פעיל HIGH, מחזור העבודה הוא שבריר הזמן שהאות נשאר גבוה. אם האות פעיל LOW, מחזור העבודה הוא חלק הזמן שהוא נשאר נמוך.
טיימר אפנון רוחב דופק
תמונה זו מראה כיצד פועל קוצב-זמן PWM על ידי קישור יציאת המתח למונה. המונה סופר שוב ושוב מ-0 עד 9, ואז מתאפס, ויוצר את תקופת האות. כאשר המונה מגיע לערך התאמה מוגדר (כאן, 2), הפלט עולה גבוה ונשאר גבוה עד שהמונה עולה על גדותיו, ומגדיר את רוחב הדופק. נקודת הגלישה מאפסת את המחזור, ומתחילה תקופה חדשה.
קוצב-הזמן קובע את מחזור העבודה על ידי בקרה מתי היציאה נדלקת (התאמה) ומתי היא מתאפסת (גלישה). התאמת ערך ההתאמה משנה את רוחב האות הגבוה, ושולטת ישירות בכמות הכוח שה-PWM מספק לעומס.
מצבי PWM מיושרים לקצה ולמרכז
מצב מיושר לקצה
ב-PWM מיושר-קצה, המונה סופר רק מאפס למקסימום מוגדר, והמיתוג מתרחש בתחילת או בסוף המחזור. זה הופך אותו לפשוט ליישום ויעיל ביותר מכיוון שרוב המיקרו-בקרים והטיימרים תומכים בו באופן מקורי. מכיוון שכל קצוות המיתוג מיושרים לצד אחד של התקופה, זה יכול להוביל לאדוות זרם לא אחידות ולהפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) גבוהות יותר.
מצב מיושר למרכז (תיקון פאזה).
ב-PWM מיושר למרכז, המונה סופר למעלה ואז חוזר למטה בכל מחזור. זה מבטיח שקצוות מיתוג מופצים סביב מרכז צורת הגל, ויוצרים פלט מאוזן יותר. הסימטריה מפחיתה הרמוניות, אדוות מומנט במנועים ו-EMI במערכות הספק. למרות שהוא מעט יותר מורכב ופחות יעיל מבחינת ניצול התדרים, הוא מספק איכות פלט נקייה בהרבה.
בחירת תדר ה-PWM הנכון
• עמעום LED דורש תדרים מעל 200 הרץ כדי למנוע הבהוב גלוי, בעוד שתאורה אחורית לתצוגה ומערכות תאורה איכותיות משתמשות לרוב ב-20-40 קילו-הרץ כדי להישאר מעבר לתפיסה האנושית ולמזער רעש.
• מנועים חשמליים פועלים בצורה הטובה ביותר עם תדרי PWM בין 2-20 קילו-הרץ, ומאזנים הפסדי מיתוג עם חלקות מומנט; ערכים נמוכים יותר מספקים רזולוציית מחזור עבודה גבוהה יותר, בעוד שערכים גבוהים יותר מפחיתים רעש ואדוות נשמעים.
• סרוו תחביב סטנדרטי מסתמך על אותות בקרה קבועים בסביבות 50 הרץ (תקופה של 20 אלפיות השנייה), כאשר רוחב הדופק, ולא התדר, קובע את המיקום הזוויתי.
• יצירת אודיו והמרה דיגיטלית לאנלוגית דורשים PWM הרבה מעל הספקטרום הנשמע, מעל 22 קילו-הרץ, כדי למנוע הפרעות ולאפשר סינון נקי של אותות.
• באלקטרוניקה חשמלית, בחירת התדרים מתפשרת לעתים קרובות בין נצילות, הפסדי מיתוג, הפרעות אלקטרומגנטיות והתגובה הדינמית של העומס הספציפי.
רזולוציית PWM וגודל צעד
רזולוציה (שלבים)
מספר רמות מחזור העבודה הבדידות נקבע על ידי ספירת התקופות של הטיימר (N). לדוגמה, אם מונה פועל מ-0 עד 1023, זה נותן 1024 שלבי מחזור עבודה נפרדים. ספירות גבוהות יותר פירושן שליטה עדינה יותר בתפוקה.
עומק סיביות
הרזולוציה מתבטאת לעתים קרובות בסיביות, המחושבות כ-log₂(N). מונה 1024 שלבים מתאים לרזולוציה של 10 סיביות, בעוד שמונה 65536 מתאים לרזולוציה של 16 סיביות. זה מגדיר כיצד ניתן לכוונן במדויק את מחזור העבודה.
צעד זמן
שעון המערכת קובע את התוספת הקטנה ביותר, השווה ל-1 ÷ fClock. מהירויות שעון גבוהות יותר מאפשרות פרקי זמן קצרים יותר ותדרי PWM גבוהים יותר תוך שמירה על רזולוציה עדינה.
פשרות
הגדלת הרזולוציה דורשת יותר ספירת טיימרים, מה שבתורו מוריד את תדר ה-PWM המקסימלי עבור שעון נתון. לעומת זאת, תדרים גבוהים יותר מפחיתים את הרזולוציה הזמינה.
דוגמה להגדרת PWM Prescaler ותקופה
| שלב | חישוב | תוצאה | הסברפרטים |
|---|---|---|---|
| שעון MCU | - | 24 מגה-הרץ | תדר הבסיס מניע את הטיימר. |
| החל prescaler ÷8 | 24 מגה-הרץ ÷ 8 | 3 מגה-הרץ | שעון הטיימר צומצם לטווח ספירה הניתן לניהול. |
| תקופת טיימר | 3 מגה-הרץ × 0.020 שניות | 60,000 ספירות | הגדרת אוגר הטעינה האוטומטית/התקופה ל-60,000 נותנת מסגרת של 20 אלפיות השנייה. |
| רזולוציה לכל סימן | 1 ÷ 3 מגה-הרץ | 0.333 מיקרון | כל תוספת שעון עצר שווה ל-~0.33 מיקרו-שניות. |
| בקרת דופק סרוו | רוחב דופק של 1-2 אלפיות השנייה = 3000-6000 טיקים | מספק שליטה זוויתית חלקה בתוך מסגרת של 20 אלפיות השנייה. | - |
טכניקות מתקדמות של ערוץ PWM
הכנסת זמן מת
זמן מת הוא עיכוב קטן ומבוקר המוחדר בין מיתוג טרנזיסטורים משלימים במעגל חצי-גשר או גשר-מלא. בלעדיו, גם התקני הצד הגבוה וגם הצד הנמוך יכולים להתנהל לרגע בו זמנית, ולגרום לקצר חשמלי המכונה ירי. על ידי הוספת כמה עשרות או מאות ננו-שניות של זמן מת, החומרה מבטיחה מעברים בטוחים, ומגנה על רכיבי MOSFET או IGBT מפני נזק.
תפוקות משלימות
יציאות משלימות מייצרות שני אותות שהם הפכים לוגיים זה לזה. זה שימושי במיוחד במעגלי דחיפה-משיכה, דוחפי מנועים ושלבי מהפך, שבהם טרנזיסטור אחד חייב לכבות בדיוק כאשר השני נדלק. שימוש בזוגות PWM משלימים מפשט את מעגלי הדוחף ומבטיח סימטריה, משפר את הנצילות ומפחית עיוותים.
עדכונים סינכרוניים
במערכות עם ערוצי PWM מרובים, עדכונים סינכרוניים מאפשרים לרענן את כל היציאות בו-זמנית. ללא תכונה זו, עלולות להתרחש אי התאמות תזמון קטנות (הטיה), מה שמוביל לפעולה לא אחידה. בכונני מנוע תלת פאזיים או ממירים רב-פאזיים, PWM מסונכרן מבטיח איזון, ביצועים חלקים והפרעות אלקטרומגנטיות מופחתות.
הפעלה צולבת
הפעלה צולבת מאפשרת לקוצבי-זמן לקיים אינטראקציה זה עם זה, כך שאירוע PWM אחד יכול להתחיל, לאפס או להתאים טיימר אחר. תכונה זו עוצמתית במערכות בקרה מתקדמות, ומאפשרת תיאום מדויק של אותות מרובים. היישומים כוללים דוחפי מנועים מדורגים, ממירי הספק משולבים ודגימת חיישנים מסונכרנת, כאשר יחסי התזמון בין הערוצים הם קריטיים.
תנועת סרוו עם אותות PWM
| רוחב דופק | תנועת סרוו |
|---|---|
| \~1.0 אלפיות השנייה | מסתובב שמאלה במלואו או מסתובב עם כיוון השעון במלוא המהירות |
| \~1.5 אלפיות השנייה | נשאר באמצע או מפסיק לזוז |
| \~2.0 אלפיות השנייה | מסתובב ימינה במלואה או מסתובב נגד כיוון השעון במלוא המהירות |
סיכום
PWM הוא כלי עיקרי המאפשר למערכות דיגיטליות לשלוט במכשירים אנלוגיים בדיוק וביעילות. על ידי למידת מחזורי עבודה, הגדרת טיימרים, בחירות תדרים, פשרות רזולוציה ושיטות מתקדמות כמו תיקון זמן מת או גמא, אתה יכול לתכנן מערכות אמינות. PWM ממשיכה לתמוך באלקטרוניקה מודרנית ביישומי תאורה, תנועה, אודיו והספקת-כוח.
שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]
האם PWM משפר את יעילות ההספק?
כן. PWM מפעיל או מכבה התקנים במלואם, וממזער את אובדן החום בהשוואה לבקרת מתח אנלוגי.
האם PWM יוצר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI)?
כן. מיתוג מהיר יוצר הרמוניות הגורמות ל-EMI. PWM מיושר למרכז מפחית אותו, ומסננים עוזרים לדכא רעש.
מדוע להשתמש במסנן מעביר נמוך עם PWM?
מסנן מעביר-נמוכים מחליק את הגל הריבועי למתח DC ממוצע, שימושי עבור אודיו, יציאות אנלוגיות וסימולציית חיישנים.
האם PWM יכול לשלוט בגופי חימום?
כן. תנורי חימום מגיבים לאט, כך שאפילו תדרי PWM נמוכים (10-100 הרץ) מספקים בקרת טמפרטורה יציבה.
למה משמש PWM מוסט פאזה?
הוא מעביר את התזמון בין הערוצים כדי להפחית את קוצי הזרם ואת עומסי האיזון, הנפוצים בממירים רב-פאזיים וכונני מנועים.
כיצד מיקרו-בקרים מונעים ריצוד PWM?
הם משתמשים באוגרים עם מאגר כפול ועדכונים מסונכרנים כך ששינויים במחזור העבודה חלים בצורה נקייה בתחילת כל מחזור.