Điều chế độ rộng xung: Chu kỳ nhiệm vụ, bộ hẹn giờ và ứng dụng

Điều chế độ rộng xung (PWM) là phương pháp vi điều khiển sử dụng để điều khiển công suất bằng cách bật và tắt tín hiệu ở tốc độ cao. Nó được sử dụng trong đèn LED, động cơ, servo, âm thanh và hệ thống điện. Bài viết này giải thích chi tiết các kiến thức cơ bản về PWM, chu kỳ làm việc, hoạt động của bộ hẹn giờ, chế độ, tần số, độ phân giải và các kỹ thuật nâng cao.

Tổng quan về điều chế độ rộng xung (PWM) 

Bộ hẹn giờ PWM là các mô-đun phần cứng tích hợp bên trong bộ vi điều khiển tạo ra tín hiệu xung kỹ thuật số với chu kỳ làm việc có thể điều chỉnh. Thay vì dựa vào phần mềm để chuyển đổi các chân, tiêu tốn sức mạnh xử lý và có nguy cơ chập chờn thời gian, bộ vi điều khiển chuyển công việc này sang bộ hẹn giờ phần cứng. Điều này cho phép nó duy trì độ chính xác trong khi giải phóng CPU để xử lý các tác vụ khác. Kết quả là đa nhiệm hiệu quả, giảm độ trễ và hiệu suất tốt hơn trong các ứng dụng thực tế như điều khiển động cơ, làm mờ đèn LED, điều chế âm thanh và tạo tín hiệu. Hiệu quả và độ chính xác của PWM khiến nó trở thành xương sống của các hệ thống nhúng hiện đại, thu hẹp khoảng cách giữa điều khiển kỹ thuật số và hành vi tương tự. 

Chu kỳ nhiệm vụ điều chế độ rộng xung

Dạng sóng hiển thị tín hiệu lặp lại chuyển đổi giữa 0V và 5V. Khoảng thời gian được đánh dấu là 10 ms, đại diện cho thời gian cho một chu kỳ hoàn chỉnh. Trong khoảng thời gian đó, tín hiệu duy trì ở mức cao (5V) trong 3 ms, được gọi là độ rộng xung. Chu kỳ nhiệm vụ sau đó được tính bằng tỷ lệ giữa thời gian cao trên tổng thời gian, cho 30% trong trường hợp này. Điều này có nghĩa là tín hiệu chỉ cung cấp năng lượng 30% thời gian mỗi chu kỳ. Tần số cũng được lấy từ chu kỳ, được tính bằng 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.

Tính toán chu kỳ nhiệm vụ trong bộ hẹn giờ vi điều khiển

Chu kỳ nhiệm vụ cho chúng ta biết tổng thời gian một tín hiệu được bật so với toàn bộ chu kỳ của dạng sóng. Trong bộ vi điều khiển, điều này rất quan trọng vì nó quyết định lượng điện năng được gửi đến một thiết bị trong mỗi chu kỳ.

Để tính toán nó, bạn sử dụng một công thức đơn giản: Chu kỳ nhiệm vụ (%) = (Độ rộng xung ÷ Khoảng thời gian) × 100. Nếu tín hiệu hoạt động CAO, chu kỳ làm việc là một phần nhỏ thời gian tín hiệu duy trì CAO. Nếu tín hiệu hoạt động THẤP, chu kỳ làm việc là một phần nhỏ của thời gian nó ở THẤP.

Bộ hẹn giờ điều chế độ rộng xung 

Hình ảnh này cho thấy cách hoạt động của bộ hẹn giờ PWM bằng cách liên kết đầu ra điện áp với bộ đếm. Bộ đếm liên tục đếm từ 0 đến 9, sau đó đặt lại, tạo chu kỳ của tín hiệu. Khi bộ đếm đạt đến giá trị khớp đã đặt (ở đây là 2), đầu ra sẽ tăng cao và duy trì ở mức cao cho đến khi bộ đếm tràn, xác định độ rộng xung. Điểm tràn đặt lại chu kỳ, bắt đầu một giai đoạn mới.

Bộ hẹn giờ xác định chu kỳ làm việc bằng cách kiểm soát khi đầu ra bật (khớp) và khi nó đặt lại (tràn). Điều chỉnh giá trị khớp sẽ thay đổi độ rộng của tín hiệu cao, kiểm soát trực tiếp lượng điện năng mà PWM cung cấp cho tải.

Chế độ PWM căn cạnh và căn giữa

Chế độ căn chỉnh cạnh

Trong PWM căn chỉnh cạnh, bộ đếm chỉ đếm từ không đến mức tối đa đã đặt và quá trình chuyển đổi xảy ra khi bắt đầu hoặc kết thúc chu kỳ. Điều này làm cho việc triển khai trở nên đơn giản và hiệu quả cao vì hầu hết các bộ vi điều khiển và bộ hẹn giờ đều hỗ trợ nó. Bởi vì tất cả các cạnh chuyển mạch được căn chỉnh về một bên của chu kỳ, nó có thể dẫn đến gợn sóng dòng điện không đồng đều và nhiễu điện từ (EMI) cao hơn.

Chế độ căn giữa (Chỉnh pha)

Trong PWM căn giữa, bộ đếm đếm lên và sau đó quay trở lại trong mỗi chu kỳ. Điều này đảm bảo rằng các cạnh chuyển mạch được phân bố xung quanh trung tâm của dạng sóng, tạo ra đầu ra cân bằng hơn. Đối xứng làm giảm sóng hài, gợn mô-men xoắn trong động cơ và EMI trong hệ thống điện. Mặc dù nó phức tạp hơn một chút và kém hiệu quả hơn về mặt sử dụng tần số, nhưng nó cung cấp chất lượng đầu ra sạch hơn nhiều.

Chọn tần số PWM phù hợp

• Làm mờ đèn LED yêu cầu tần số trên 200 Hz để loại bỏ hiện tượng nhấp nháy có thể nhìn thấy được, trong khi đèn nền màn hình và hệ thống chiếu sáng chất lượng cao thường sử dụng 20–40 kHz để vượt ra ngoài nhận thức của con người và giảm thiểu tiếng ồn.

• Động cơ điện hoạt động tốt nhất với tần số PWM từ 2–20 kHz, cân bằng tổn thất chuyển mạch với độ mịn mô-men xoắn; Giá trị thấp hơn cung cấp độ phân giải chu kỳ nhiệm vụ cao hơn, trong khi giá trị cao hơn làm giảm tiếng ồn và gợn sóng.

• Servo sở thích tiêu chuẩn dựa vào tín hiệu điều khiển cố định khoảng 50 Hz (khoảng thời gian 20 ms), trong đó độ rộng xung, không phải tần số, xác định vị trí góc.

• Tạo âm thanh và chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự yêu cầu PWM cao hơn phổ âm thanh, trên 22 kHz, để ngăn nhiễu và cho phép lọc tín hiệu sạch.

• Trong điện tử công suất, việc lựa chọn tần số thường đánh đổi giữa hiệu suất, tổn thất chuyển mạch, nhiễu điện từ và phản ứng động của tải cụ thể.

Độ phân giải PWM và kích thước bước

Độ phân giải (các bước)

Số mức chu kỳ làm việc rời rạc được đặt bởi số lượng chu kỳ của bộ đếm thời gian (N). Ví dụ: nếu một bộ đếm chạy từ 0 đến 1023, điều đó sẽ cung cấp 1024 bước chu kỳ nhiệm vụ riêng biệt. Số lượng cao hơn có nghĩa là kiểm soát tốt hơn đầu ra.

Độ sâu bit

Độ phân giải thường được biểu thị bằng bit, được tính bằng log₂(N). Bộ đếm 1024 bước tương ứng với độ phân giải 10 bit, trong khi bộ đếm 65536 tương ứng với độ phân giải 16 bit. Điều này xác định mức độ chính xác của chu kỳ nhiệm vụ có thể được điều chỉnh.

Bước thời gian

Đồng hồ hệ thống xác định mức tăng nhỏ nhất, bằng 1 ÷ fClock. Tốc độ xung nhịp nhanh hơn cho phép khoảng thời gian ngắn hơn và tần số PWM cao hơn trong khi vẫn duy trì độ phân giải tốt.

Đánh đổi

Tăng độ phân giải đòi hỏi nhiều bộ đếm thời gian hơn, do đó làm giảm tần số PWM tối đa cho một đồng hồ nhất định. Ngược lại, tần số cao hơn làm giảm độ phân giải có sẵn. 

Ví dụ về PWM Prescaler và thiết lập khoảng thời gian

Kỹ thuật kênh PWM nâng cao

Chèn thời gian chết

Thời gian chết là một độ trễ nhỏ, có kiểm soát được chèn vào giữa việc chuyển đổi các bóng bán dẫn bổ sung trong mạch nửa cầu hoặc toàn cầu. Nếu không có nó, cả thiết bị bên cao và bên thấp có thể dẫn điện trong giây lát cùng một lúc, gây ra đoản mạch được gọi là bắn xuyên qua. Bằng cách thêm vài chục hoặc hàng trăm nano giây thời gian chết, phần cứng đảm bảo quá trình chuyển đổi an toàn, bảo vệ MOSFET hoặc IGBT khỏi bị hư hại.

Đầu ra bổ sung

Đầu ra bổ sung tạo ra hai tín hiệu đối lập logic với nhau. Điều này đặc biệt hữu ích trong các mạch đẩy-kéo, trình điều khiển động cơ và biến tần stages, trong đó một bóng bán dẫn phải tắt chính xác khi bóng bán dẫn kia bật. Sử dụng các cặp PWM bổ sung giúp đơn giản hóa mạch trình điều khiển và đảm bảo tính đối xứng, nâng cao hiệu quả và giảm biến dạng.

Cập nhật đồng bộ

Trong các hệ thống có nhiều kênh PWM, các bản cập nhật đồng bộ cho phép tất cả các đầu ra làm mới đồng thời. Nếu không có tính năng này, có thể xảy ra sự không khớp thời gian nhỏ (lệch), dẫn đến hoạt động không đồng đều. Trong bộ truyền động động cơ ba pha hoặc bộ chuyển đổi nhiều pha, PWM đồng bộ đảm bảo cân bằng, hiệu suất mượt mà và giảm nhiễu điện từ.

Kích hoạt chéo

Kích hoạt chéo cho phép bộ hẹn giờ tương tác với nhau để một sự kiện PWM có thể bắt đầu, đặt lại hoặc điều chỉnh bộ hẹn giờ khác. Tính năng này mạnh mẽ trong các hệ thống điều khiển tiên tiến, cho phép phối hợp chính xác nhiều tín hiệu. Các ứng dụng bao gồm truyền động động cơ xếp tầng, bộ chuyển đổi công suất xen kẽ và lấy mẫu cảm biến đồng bộ, trong đó mối quan hệ thời gian giữa các kênh là rất quan trọng.

Chuyển động Servo với tín hiệu PWM

Kết luận

PWM là một công cụ chính cho phép các hệ thống kỹ thuật số điều khiển các thiết bị tương tự với độ chính xác và hiệu quả. Bằng cách tìm hiểu các chu kỳ làm việc, thiết lập hẹn giờ, lựa chọn tần số, đánh đổi độ phân giải và các phương pháp nâng cao như thời gian chết hoặc hiệu chỉnh gamma, bạn có thể thiết kế các hệ thống đáng tin cậy. PWM tiếp tục hỗ trợ các thiết bị điện tử hiện đại trong các ứng dụng chiếu sáng, chuyển động, âm thanh và điện.

Câu hỏi thường gặp [FAQ]

PWM có cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng không?

Có. PWM BẬT hoặc TẮT hoàn toàn các thiết bị, giảm thiểu thất thoát nhiệt so với điều khiển điện áp tương tự.

PWM có tạo ra nhiễu điện từ (EMI) không?

Có. Chuyển mạch nhanh tạo ra sóng hài gây ra EMI. PWM căn giữa làm giảm tiếng ồn và bộ lọc giúp khử nhiễu.

Tại sao sử dụng bộ lọc thông thấp với PWM?

Bộ lọc thông thấp làm mịn sóng vuông thành điện áp DC trung bình, hữu ích cho âm thanh, đầu ra tương tự và mô phỏng cảm biến.

PWM có thể điều khiển các bộ phận làm nóng không?

Có. Máy sưởi phản hồi chậm, vì vậy ngay cả tần số PWM thấp (10–100 Hz) cũng cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt độ ổn định.

PWM dịch pha được sử dụng để làm gì?

Nó thay đổi thời gian giữa các kênh để giảm dòng điện tăng đột biến và cân bằng tải, phổ biến trong bộ chuyển đổi đa pha và bộ truyền động động cơ.

Làm thế nào để vi điều khiển ngăn chặn hiện tượng chập chờn PWM?

Chúng sử dụng thanh ghi bộ đệm kép và các bản cập nhật được đồng bộ hóa để các thay đổi chu kỳ nhiệm vụ được áp dụng rõ ràng khi bắt đầu mỗi chu kỳ.