Púlsbreiddarmótun (PWM) er aðferð sem örstýringar nota til að stjórna afli með því að kveikja og slökkva á merkjum á miklum hraða. Það er notað í LED, mótora, servó, hljóð og raforkukerfi. Þessi grein útskýrir grunnatriði PWM, vinnulotu, tímamælanotkun, stillingar, tíðni, upplausn og háþróaða tækni í skýrum smáatriðum.
Púlsbreiddarmótun (PWM) Yfirlit
PWM tímamælir eru innbyggðar vélbúnaðareiningar inni í örstýringum sem búa til stafræn púlsmerki með stillanlegum vinnulotum. Í stað þess að treysta á hugbúnað til að skipta um pinna, sem eyðir vinnsluorku og hættir við tímasetningu, losar örstýringin þetta starf yfir á vélbúnaðartímamælirinn. Þetta gerir það kleift að viðhalda nákvæmni á sama tíma og örgjörvinn losnar til að takast á við önnur verkefni. Niðurstaðan er skilvirk fjölverkavinnsla, minni leynd og betri afköst í raunverulegum forritum eins og mótorstýringu, LED deyfingu, hljóðmótun og merkjamyndun. Skilvirkni og nákvæmni PWM gerir það að burðarás nútíma innbyggðra kerfa og brúar bilið milli stafrænnar stjórnunar og hliðrænnar hegðunar.
Púlsbreidd mótun vinnulotu
Bylgjuformið sýnir endurtekið merki sem skiptir á milli 0V og 5V. Tímabilið er merkt sem 10 ms, sem táknar tímann fyrir eina heila lotu. Innan þess tímabils helst merkið hátt (5V) í 3 ms, þekkt sem púlsbreiddin. Vinnulotan er síðan reiknuð sem hlutfall hátíma og heildartímabils, sem gefur 30% í þessu tilfelli. Þetta þýðir að merkið skilar afli aðeins 30% af tímanum í hverri lotu. Tíðnin er einnig fengin af tímabilinu, reiknuð sem 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Útreikningur á vinnulotu í örstýringartímum
Vinnulotan segir okkur hversu mikið af heildartímanum sem kveikt er á merki miðað við alla lotu bylgjuformsins. Í örstýringu er þetta mikilvægt vegna þess að það ákveður hversu mikið afl er sent til tækis yfir hverja lotu.
Til að reikna það út notarðu einfalda formúlu: Vinnulota (%) = (púlsbreidd ÷ tímabil) × 100. Ef merkið er virkt HÁTT er vinnulotan það brot af tíma sem merkið helst HÁTT. Ef merkið er virkt LÁGT er vinnulotan brot af tíma sem það helst LÁGT.
Púlsbreidd mótunartímamælir
Þessi mynd sýnir hvernig PWM tímamælir virkar með því að tengja spennuúttakið við teljara. Teljarinn telur ítrekað frá 0 upp í 9, endurstillir síðan og skapar tímabil merkisins. Þegar teljarinn nær stilltu samsvörunargildi (hér 2) fer framleiðslan hátt og helst hátt þar til teljarinn flæðir yfir og skilgreinir púlsbreiddina. Yfirflæðispunkturinn endurstillir hringrásina og byrjar nýtt tímabil.
Tímamælirinn ákvarðar vinnulotuna með því að stjórna hvenær úttakið kviknar (passa) og hvenær það endurstillist (yfirfall). Með því að stilla samsvörunargildið breytist breidd hámerkisins og stjórnar beint hversu mikið afl PWM skilar til álags.
Kantstilltar og miðjustilltar PWM stillingar
Kant-jafn stilling
Í brúnjöfnuðum PWM telur teljarinn aðeins upp úr núlli í ákveðið hámark og skipting á sér stað í upphafi eða lok lotunnar. Þetta gerir það einfalt í framkvæmd og mjög skilvirkt þar sem flestir örstýringar og tímamælar styðja það. Vegna þess að allar rofabrúnir eru stilltar við aðra hlið tímabilsins getur það leitt til ójafnrar straumgára og meiri rafsegultruflana (EMI).
Miðstilltur (fasaréttur) háttur
Í miðstilltum PWM telur teljarinn upp og síðan aftur niður innan hverrar lotu. Þetta tryggir að rofabrúnir dreifist um miðju bylgjuformsins, sem skapar meira jafnvægi úttak. Samhverfan dregur úr harmóníkum, toggárum í mótorum og EMI í raforkukerfum. Þó að það sé aðeins flóknara og minna skilvirkt hvað varðar tíðninýtingu, veitir það miklu hreinni framleiðslugæði.
Að velja rétta PWM tíðni
• LED deyfing krefst tíðni yfir 200 Hz til að útrýma sýnilegu flökti, en baklýsing skjás og hágæða ljósakerfi nota oft 20–40 kHz til að vera umfram skynjun manna og lágmarka hávaða.
• Rafmótorar virka best með PWM tíðni á bilinu 2–20 kHz, sem jafnar rofatap með togsléttleika; Lægri gildi veita hærri vinnulotuupplausn, en hærri gildi draga úr heyranlegum hávaða og gára.
• Venjuleg tómtíðarservó reiða sig á föst stýrimerki í kringum 50 Hz (20 ms tímabil), þar sem púlsbreidd, ekki tíðni, ákvarðar hornstöðu.
• Hljóðframleiðsla og stafræn-til-hliðræn umbreyting krefst PWM vel yfir heyranlegu litrófinu, yfir 22 kHz, til að koma í veg fyrir truflanir og leyfa hreina síun merkja.
• Í rafeindatækni skiptir tíðnival oft á milli skilvirkni, rofataps, rafsegultruflana og kraftmikillar svörunar tiltekins álags.
PWM upplausn og þrepastærð
Upplausn (skref)
Fjöldi stakra vinnulotustiga er stilltur af tímabilstalningu tímamælisins (N). Til dæmis, ef teljari keyrir frá 0 til 1023, gefur það 1024 mismunandi vinnulotuskref. Hærri tölur þýða betri stjórn á framleiðslu.
Bit-dýpt
Upplausn er oft gefin upp í bitum, reiknuð sem log₂(N). 1024 þrepa teljari samsvarar 10 bita upplausn en 65536 teljari samsvarar 16 bita upplausn. Þetta skilgreinir hversu nákvæmlega er hægt að stilla vinnulotuna.
Tími skref
Kerfisklukkan ákvarðar minnsta þrepið, jafnt og 1 ÷ fClock. Hraðari klukkuhraði leyfir styttri tímabil og hærri PWM tíðni en heldur samt fínni upplausn.
Málamiðlanir
Aukin upplausn krefst fleiri tímatalningar, sem aftur lækkar hámarks PWM tíðni fyrir tiltekna klukku. Aftur á móti dregur hærri tíðni úr tiltækri upplausn.
PWM forkvarði og tímabilsuppsetning dæmi
| Skref | Útreikningur | Niðurstaða | Útskýring |
|---|---|---|---|
| MCU klukka | - | 24 MHz | Grunntíðni sem keyrir tímamælirinn. |
| Nota forkvarða ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Tímaklukkan hefur verið lækkuð í viðráðanlegt talningarsvið. |
| Tímamælir | 3 MHz × 0.020 s | 60.000 teljur | Að stilla sjálfvirka endurhleðslu/tímabilsskrá á 60,000 gefur 20 ms ramma. |
| Upplausn á merki | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Hvert tímamælishækkun jafngildir \~0.33 míkrósekúndum. |
| Servo púlsstýring | 1–2 ms púlsbreidd = 3000–6000 merki | Veitir mjúka hornstjórn innan 20 ms rammans. | - |
Háþróuð PWM rásartækni
Innsetning dauðatíma
Dauðtími er lítil, stýrð seinkun sem sett er inn á milli þess sem skipt er um viðbótarsmára í hálfbrúar- eða fullbrúarrás. Án þess gætu bæði há- og lághliðartækin ræst um stundarsakir á sama tíma og valdið skammhlaupi sem kallast gegnumhlaup. Með því að bæta við nokkrum tugum eða hundruðum nanósekúndna af dauðatíma tryggir vélbúnaðurinn öruggar umbreytingar og verndar MOSFETs eða IGBT fyrir skemmdum.
Viðbótarframleiðsla
Viðbótarúttak mynda tvö merki sem eru rökréttar andstæður hvort annars. Þetta er sérstaklega gagnlegt í push-pull hringrásum, mótordrifum og inverter stages, þar sem einn smári verður að slökkva nákvæmlega þegar hinn kveikir á honum. Notkun viðbótar PWM pör einfaldar ökumannsrásirnar og tryggir samhverfu, bætir skilvirkni og dregur úr röskun.
Samstilltar uppfærslur
Í kerfum með margar PWM rásir gera samstilltar uppfærslur öllum úttaki kleift að endurnýjast samtímis. Án þessa eiginleika gæti lítið tímamisræmi (skekkja) átt sér stað, sem leiðir til ójafnrar notkunar. Í þriggja fasa mótordrifum eða fjölfasa breytum tryggir samstillt PWM jafnvægi, sléttan árangur og minni rafsegultruflanir.
Kross-kveikja
Krosskveikja gerir tímamælum kleift að hafa samskipti sín á milli, þannig að einn PWM atburður getur ræst, endurstillt eða stillt annan tímamæli. Þessi eiginleiki er öflugur í háþróuðum stjórnkerfum, sem gerir nákvæma samhæfingu margra merkja. Notkun felur í sér fossmótordrif, samtengda aflbreyti og samstillt skynjarasýnatöku, þar sem tímasetningartengsl milli rása eru mikilvæg.
Servóhreyfing með PWM merkjum
| Púls breidd | Servó hreyfing |
|---|---|
| \~1,0 ms | Snýst alveg til vinstri eða snýst réttsælis á fullum hraða |
| \~1,5 ms | Helst í miðjunni eða hættir að hreyfast |
| \~2,0 ms | Snýst alveg til hægri eða snýst rangsælis á fullum hraða |
Niðurstaða
PWM er aðaltæki sem gerir stafrænum kerfum kleift að stjórna hliðrænum tækjum með nákvæmni og skilvirkni. Með því að læra vinnulotur, tímastillisuppsetningu, tíðnival, málamiðlanir í upplausn og háþróaðar aðferðir eins og dauðatíma eða gammaleiðréttingu geturðu hannað áreiðanleg kerfi. PWM heldur áfram að styðja nútíma rafeindatækni í lýsingu, hreyfingu, hljóði og aflforritum.
Algengar spurningar [algengar spurningar]
Bætir PWM orkunýtingu?
Já. PWM kveikir eða slekkur á tækjum að fullu og lágmarkar hitatap samanborið við hliðræna spennustýringu.
Skapar PWM rafsegultruflanir (EMI)?
Já. Hröð skipting myndar harmóníkur sem valda EMI. Miðstillt PWM dregur úr því og síur hjálpa til við að bæla niður hávaða.
Af hverju að nota lágrásarsíu með PWM?
Lágrásarsía sléttar ferningsbylgjuna í meðalspennu, gagnlegt fyrir hljóð, hliðræna úttak og skynjarahermun.
Getur PWM stjórnað hitaeiningum?
Já. Hitarar bregðast hægt við, þannig að jafnvel lág PWM tíðni (10–100 Hz) veitir stöðuga hitastýringu.
Til hvers er fasaskipt PWM notað?
Það færir tímasetningu á milli rása til að draga úr straumtoppum og jafna álag, algengt í fjölfasa breytum og mótordrifum.
Hvernig koma örstýringar í veg fyrir PWM jitter?
Þeir nota tvöfalda biðminni afgreiðslukassa og samstilltar uppfærslur svo breytingar á vinnulotu gildi hreinlega í upphafi hverrar lotu.