La modulazione di larghezza di impulso (PWM) è un metodo utilizzato dai microcontrollori per controllare l'alimentazione attivando e disattivando i segnali ad alta velocità. Viene utilizzato in LED, motori, servi, sistemi audio e di alimentazione. Questo articolo spiega in dettaglio le basi del PWM, il ciclo di lavoro, il funzionamento del timer, le modalità, la frequenza, la risoluzione e le tecniche avanzate.
Panoramica della modulazione di larghezza di impulso (PWM)
I timer PWM sono moduli hardware integrati all'interno dei microcontrollori che generano segnali di impulsi digitali con cicli di lavoro regolabili. Invece di affidarsi al software per alternare i pin, che consuma energia di elaborazione e rischia il jitter della temporizzazione, il microcontroller scarica questo lavoro sul timer hardware. Ciò gli consente di mantenere la precisione liberando la CPU per gestire altre attività. Il risultato è un multitasking efficiente, una latenza ridotta e prestazioni migliori in applicazioni reali come il controllo dei motori, l'attenuazione dei LED, la modulazione audio e la generazione di segnali. L'efficienza e la precisione del PWM lo rendono la spina dorsale dei moderni sistemi embedded, colmando il divario tra il controllo digitale e il comportamento analogico.
Ciclo di lavoro a modulazione di larghezza di impulso
La forma d'onda mostra un segnale ripetuto che commuta tra 0 V e 5 V. Il periodo è contrassegnato come 10 ms, che rappresenta il tempo per un ciclo completo. Entro questo periodo, il segnale rimane alto (5 V) per 3 ms, noto come larghezza dell'impulso. Il ciclo di lavoro viene quindi calcolato come il rapporto tra il tempo elevato e il periodo totale, dando in questo caso il 30%. Ciò significa che il segnale eroga potenza solo il 30% del tempo per ciclo. Anche la frequenza è derivata dal periodo, calcolato come 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Calcolo del ciclo di lavoro nei timer a microcontrollore
Il ciclo di lavoro ci dice quanto tempo totale di un segnale viene acceso rispetto al ciclo completo della forma d'onda. In un microcontrollore, questo è importante perché decide quanta potenza viene inviata a un dispositivo in ogni ciclo.
Per calcolarlo, si utilizza una semplice formula: Ciclo di lavoro (%) = (Larghezza dell'impulso ÷ periodo) × 100. Se il segnale è attivo ALTO, il ciclo di lavoro è la frazione di tempo in cui il segnale rimane ALTO. Se il segnale è attivo LOW, il ciclo di lavoro è la frazione di tempo in cui rimane LOW.
Timer di modulazione dell'ampiezza dell'impulso
Questa immagine mostra come funziona un timer PWM collegando l'uscita di tensione a un contatore. Il contatore conta ripetutamente da 0 a 9, quindi si azzera, creando il periodo del segnale. Quando il contatore raggiunge un valore di corrispondenza impostato (qui, 2), l'uscita diventa alta e rimane alta fino a quando il contatore non trabocca, definendo l'ampiezza dell'impulso. Il punto di overflow azzera il ciclo, iniziando un nuovo periodo.
Il timer determina il ciclo di lavoro controllando quando l'uscita si accende (corrisponde) e quando si ripristina (overflow). La regolazione del valore di corrispondenza modifica l'ampiezza del segnale alto, controllando direttamente la quantità di potenza che il PWM fornisce a un carico.
Modalità PWM allineate ai bordi e al centro
Modalità allineata ai bordi
Nel PWM allineato ai bordi, il contatore conta solo da zero a un massimo impostato e la commutazione avviene all'inizio o alla fine del ciclo. Ciò lo rende semplice da implementare e altamente efficiente poiché la maggior parte dei microcontrollori e dei timer lo supporta in modo nativo. Poiché tutti i fronti di commutazione sono allineati su un lato del periodo, può portare a un'ondulazione di corrente irregolare e a una maggiore interferenza elettromagnetica (EMI).
Modalità allineata al centro (correzione di fase)
Nel PWM allineato al centro, il contatore conta verso l'alto e poi di nuovo verso il basso all'interno di ogni ciclo. Ciò garantisce che i fronti di commutazione siano distribuiti attorno al centro della forma d'onda, creando un'uscita più bilanciata. La simmetria riduce le armoniche, l'ondulazione di coppia nei motori e le EMI nei sistemi di alimentazione. Sebbene sia leggermente più complesso e meno efficiente in termini di utilizzo della frequenza, fornisce una qualità di output molto più pulita.
Selezione della giusta frequenza PWM
• L'attenuazione dei LED richiede frequenze superiori a 200 Hz per eliminare lo sfarfallio visibile, mentre la retroilluminazione del display e i sistemi di illuminazione di alta qualità utilizzano spesso 20-40 kHz per rimanere oltre la percezione umana e ridurre al minimo il rumore.
• I motori elettrici funzionano al meglio con frequenze PWM comprese tra 2 e 20 kHz, bilanciando le perdite di commutazione con la fluidità della coppia; Valori più bassi forniscono una risoluzione del ciclo di lavoro più elevata, mentre valori più alti riducono il rumore udibile e l'ondulazione.
• I servi standard per hobby si basano su segnali di controllo fissi intorno ai 50 Hz (periodo di 20 ms), in cui la larghezza dell'impulso, non la frequenza, determina la posizione angolare.
• La generazione audio e la conversione da digitale ad analogico richiedono PWM ben al di sopra dello spettro udibile, oltre 22 kHz, per prevenire interferenze e consentire un filtraggio pulito dei segnali.
• Nell'elettronica di potenza, la selezione della frequenza spesso si bilancia tra efficienza, perdite di commutazione, interferenze elettromagnetiche e risposta dinamica del carico specifico.
Risoluzione PWM e dimensione del passo
Risoluzione (passi)
Il numero di livelli di ciclo di lavoro discreti è impostato dal conteggio dei periodi del timer (N). Ad esempio, se un contatore va da 0 a 1023, si ottengono 1024 fasi distinte del ciclo di lavoro. Conteggi più alti significano un controllo più preciso della produzione.
Profondità di bit
La risoluzione è spesso espressa in bit, calcolati come log₂(N). Un contatore a 1024 passi corrisponde a una risoluzione a 10 bit, mentre un contatore a 65536 corrisponde a una risoluzione a 16 bit. Questo definisce la precisione con cui il ciclo di lavoro può essere regolato.
Passaggio temporale
L'orologio di sistema determina l'incremento più piccolo, pari a 1 ÷ fClock. Velocità di clock più elevate consentono periodi più brevi e frequenze PWM più elevate, pur mantenendo una risoluzione elevata.
Compromessi
L'aumento della risoluzione richiede più conteggi del timer, che a sua volta riduce la frequenza PWM massima per un determinato clock. Al contrario, le frequenze più alte riducono la risoluzione disponibile.
Prescaler PWM ed esempio di configurazione del periodo
| Passo | Calcolo | Risultato | Spiegazionedettagli |
|---|---|---|---|
| Orologio MCU | - | 24 MHz | Frequenza di base che guida il timer. |
| Applicare il prescaler ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | L'orologio del timer è stato ridotto a un intervallo di conteggio gestibile. |
| Periodo del timer | 3 MHz × 0,020 s | 60.000 conteggi | Impostando il registro di ricarica automatica/periodo su 60.000 si ottiene un fotogramma di 20 ms. |
| Risoluzione per tick | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Ogni incremento del timer è pari a\~0,33 microsecondi. |
| Servocomando a impulsi | Larghezza dell'impulso di 1-2 ms = 3000-6000 tick | Fornisce un controllo angolare fluido all'interno del fotogramma di 20 ms. | - |
Tecniche avanzate del canale PWM
Inserimento a tempo morto
Il tempo morto è un piccolo ritardo controllato inserito tra la commutazione di transistor complementari in un circuito a mezzo ponte o a ponte intero. Senza di esso, sia il dispositivo high-side che quello low-side potrebbero condurre momentaneamente contemporaneamente, causando un cortocircuito noto come shoot-through. Aggiungendo alcune decine o centinaia di nanosecondi di tempo morto, l'hardware garantisce transizioni sicure, proteggendo i MOSFET o gli IGBT da eventuali danni.
Uscite complementari
Le uscite complementari generano due segnali che sono logicamente opposti l'uno all'altro. Ciò è particolarmente utile nei circuiti push-pull, nei driver dei motori e negli stadi degli inverter, dove un transistor deve spegnersi esattamente quando si accende l'altro. L'utilizzo di coppie PWM complementari semplifica il circuito del driver e garantisce la simmetria, migliorando l'efficienza e riducendo la distorsione.
Aggiornamenti sincroni
Nei sistemi con più canali PWM, gli aggiornamenti sincroni consentono l'aggiornamento simultaneo di tutte le uscite. Senza questa funzione, potrebbero verificarsi piccole discrepanze di temporizzazione (inclinazione), con conseguente funzionamento non uniforme. Negli azionamenti per motori trifase o nei convertitori multifase, il PWM sincronizzato garantisce equilibrio, prestazioni fluide e interferenze elettromagnetiche ridotte.
Attivazione incrociata
L'attivazione incrociata consente ai timer di interagire tra loro, in modo che un evento PWM possa avviare, reimpostare o regolare un altro timer. Questa funzione è potente nei sistemi di controllo avanzati, consentendo un coordinamento preciso di più segnali. Le applicazioni includono azionamenti per motori in cascata, convertitori di potenza interlacciati e campionamento sincronizzato dei sensori, dove le relazioni di temporizzazione tra i canali sono fondamentali.
Movimento servo con segnali PWM
| Larghezza dell'impulso | Movimento servo |
|---|---|
| \~1,0 ms | Gira completamente a sinistra o gira in senso orario alla massima velocità |
| \~1,5 ms | Rimane nel mezzo o smette di muoversi |
| \~2,0 ms | Gira completamente a destra o gira in senso antiorario a tutta velocità |
Conclusione
PWM è uno strumento principale che consente ai sistemi digitali di controllare i dispositivi analogici con precisione ed efficienza. Imparando i cicli di lavoro, l'impostazione del timer, le scelte di frequenza, i compromessi di risoluzione e metodi avanzati come il tempo morto o la correzione gamma, è possibile progettare sistemi affidabili. PWM continua a supportare l'elettronica moderna nelle applicazioni di illuminazione, movimento, audio e alimentazione.
Domande frequenti [FAQ]
Il PWM migliora l'efficienza energetica?
Sì. PWM accende o spegne completamente i dispositivi, riducendo al minimo la perdita di calore rispetto al controllo della tensione analogico.
Il PWM crea interferenze elettromagnetiche (EMI)?
Sì. La commutazione rapida genera armoniche che causano EMI. Il PWM allineato al centro lo riduce e i filtri aiutano a sopprimere il rumore.
Perché utilizzare un filtro passa-basso con PWM?
Un filtro passa-basso attenua l'onda quadra in una tensione CC media, utile per l'audio, le uscite analogiche e la simulazione dei sensori.
PWM può controllare gli elementi riscaldanti?
Sì. I riscaldatori rispondono lentamente, quindi anche le basse frequenze PWM (10-100 Hz) forniscono un controllo stabile della temperatura.
A cosa serve il PWM sfasato?
Sposta la temporizzazione tra i canali per ridurre i picchi di corrente e bilanciare i carichi, comuni nei convertitori multifase e negli azionamenti dei motori.
In che modo i microcontrollori prevengono il jitter PWM?
Utilizzano registri a doppio buffer e aggiornamenti sincronizzati in modo che le modifiche al ciclo di lavoro vengano applicate in modo pulito all'inizio di ogni ciclo.