تعديل عرض النبضة (PWM) هو طريقة تستخدمها وحدات التحكم الدقيقة للتحكم في الطاقة عن طريق تشغيل الإشارات وإيقاف تشغيلها بسرعة عالية. يتم استخدامه في مصابيح LED والمحركات والماكينات والصوت وأنظمة الطاقة. تشرح هذه المقالة أساسيات PWM ودورة العمل وتشغيل المؤقت والأوضاع والتردد والدقة والتقنيات المتقدمة بتفاصيل واضحة.
ج 1. نظرة عامة على تعديل عرض النبضة (PWM)
ج 2. دورة عمل تعديل عرض النبضة
ج 3. مؤقت تعديل عرض النبضة
ج 4. أوضاع PWM المحاذاة للحواف والمحاذاة للوسط
ج 5. تحديد تردد PWM الصحيح
ج 6. دقة PWM وحجم الخطوة
ج 7. PWM Prescaler ومثال إعداد الدورة الشهرية
ج 8. تقنيات قناة PWM المتقدمة
ج 9. حركة مؤازرة مع إشارات PWM
ج 10. استنتاج
ج 11. الأسئلة المتكررة [FAQ]
نظرة عامة على تعديل عرض النبضة (PWM)
مؤقتات PWM عبارة عن وحدات أجهزة مدمجة داخل وحدات التحكم الدقيقة التي تولد إشارات نبضية رقمية مع دورات عمل قابلة للتعديل. بدلا من الاعتماد على البرامج لتبديل المسامير ، والتي تستهلك طاقة المعالجة وتخاطر بتوقيت الارتعاش ، يقوم المتحكم الدقيق بتفريغ هذه المهمة إلى مؤقت الأجهزة. هذا يسمح لها بالحفاظ على الدقة مع تحرير وحدة المعالجة المركزية للتعامل مع المهام الأخرى. والنتيجة هي تعدد المهام الفعال ، وتقليل زمن الوصول ، وأداء أفضل في التطبيقات الفعلية مثل التحكم في المحرك ، وتعتيم LED ، وتعديل الصوت ، وتوليد الإشارة. إن كفاءة ودقة PWM تجعلها العمود الفقري للأنظمة المدمجة الحديثة ، مما يسد الفجوة بين التحكم الرقمي والسلوك التناظري.
دورة عمل تعديل عرض النبضة
يظهر شكل الموجة إشارة متكررة تنتقل بين 0 فولت و 5 فولت. يتم تمييز الفترة على أنها 10 مللي ثانية ، والتي تمثل الوقت لدورة واحدة كاملة. خلال تلك الفترة ، تظل الإشارة عالية (5 فولت) لمدة 3 مللي ثانية ، والمعروفة باسم عرض النبضة. ثم يتم حساب دورة العمل على أنها نسبة الوقت المرتفع إلى الفترة الإجمالية ، مما يعطي 30٪ في هذه الحالة. هذا يعني أن الإشارة توفر الطاقة بنسبة 30٪ فقط من الوقت لكل دورة. يتم اشتقاق التردد أيضا من الفترة ، محسوبة على أنها 1 ÷ 10 مللي ثانية = 100 هرتز.
حساب دورة العمل في مؤقتات المتحكم الدقيق
تخبرنا دورة العمل بمقدار الوقت الإجمالي لتشغيل الإشارة مقارنة بالدورة الكاملة لشكل الموجة. في المتحكم الدقيق ، يعد هذا مهما لأنه يقرر مقدار الطاقة التي يتم إرسالها إلى الجهاز خلال كل دورة.
لحسابها ، يمكنك استخدام صيغة بسيطة: دورة العمل (٪) = (عرض النبضة ÷ الفترة) × 100. إذا كانت الإشارة نشطة HIGH ، فإن دورة العمل هي جزء من الوقت الذي تظل فيه الإشارة مرتفعة. إذا كانت الإشارة نشطة منخفضة ، فإن دورة العمل هي جزء من الوقت الذي تظل فيه منخفضة.
مؤقت تعديل عرض النبض
توضح هذه الصورة كيفية عمل مؤقت PWM عن طريق ربط خرج الجهد بعداد. يتم حساب العداد بشكل متكرر من 0 إلى 9 ، ثم إعادة التعيين ، مما يؤدي إلى إنشاء فترة الإشارة. عندما يصل العداد إلى قيمة مطابقة محددة (هنا ، 2) ، يرتفع الإخراج ويظل مرتفعا حتى يفيض العداد ، مما يحدد عرض النبضة. تعيد نقطة الفائض تعيين الدورة ، وتبدأ فترة جديدة.
يحدد المؤقت دورة العمل من خلال التحكم في وقت تشغيل الإخراج (المطابقة) ووقت إعادة الضبط (الفائض). يؤدي ضبط قيمة المطابقة إلى تغيير عرض الإشارة العالية، والتحكم مباشرة في مقدار الطاقة التي يوفرها PWM للحمل.
أوضاع PWM محاذاة للحافة ومحاذاة للوسط
وضع محاذاة الحافة
في PWM المحاذاة للحواف، لا يعد العداد إلا من الصفر إلى الحد الأقصى المحدد، ويحدث التبديل في بداية الدورة أو نهايتها. هذا يجعل من السهل التنفيذ وكفاءة عالية لأن معظم المتحكمات الدقيقة وأجهزة ضبط الوقت تدعمها أصلا. نظرا لأن جميع حواف التبديل محاذاة إلى جانب واحد من الفترة ، فقد يؤدي ذلك إلى تموج تيار غير متساو وتداخل كهرومغناطيسي أعلى (EMI).
وضع محاذاة المركز (تصحيح الطور)
في PWM المحاذاة للمركز ، يقوم العداد بالعد لأعلى ثم يتراجع خلال كل دورة. يضمن ذلك توزيع حواف التبديل حول مركز شكل الموجة ، مما يخلق مخرجات أكثر توازنا. يقلل التماثل من التوافقيات وتموج عزم الدوران في المحركات و EMI في أنظمة الطاقة. على الرغم من أنها أكثر تعقيدا قليلا وأقل كفاءة من حيث استخدام التردد ، إلا أنها توفر جودة إخراج أنظف بكثير.
اختيار تردد PWM الصحيح
• يتطلب تعتيم LED ترددات أعلى من 200 هرتز للتخلص من الوميض المرئي ، بينما غالبا ما تستخدم الإضاءة الخلفية للشاشة وأنظمة الإضاءة عالية الجودة 20-40 كيلو هرتز للبقاء بعيدا عن الإدراك البشري وتقليل الضوضاء.
• تعمل المحركات الكهربائية بشكل أفضل مع ترددات PWM بين 2-20 كيلو هرتز ، مما يوازن بين خسائر التبديل ونعومة عزم الدوران ؛ توفر القيم المنخفضة دقة دورة عمل أعلى ، بينما تقلل القيم الأعلى من الضوضاء المسموعة والتموج.
• تعتمد أجهزة الهوايات القياسية على إشارات التحكم الثابتة حوالي 50 هرتز (فترة 20 مللي ثانية) ، حيث يحدد عرض النبضة ، وليس التردد ، الموضع الزاوي.
• يتطلب توليد الصوت والتحويل من رقمي إلى تناظري PWM أعلى بكثير من الطيف المسموع ، أكثر من 22 كيلو هرتز ، لمنع التداخل والسماح بالتصفية النظيفة للإشارات.
• في إلكترونيات الطاقة ، غالبا ما يقايض اختيار التردد بين الكفاءة وخسائر التبديل والتداخل الكهرومغناطيسي والاستجابة الديناميكية للحمل المحدد.
دقة PWM وحجم الخطوة
القرار (الخطوات)
يتم تعيين عدد مستويات دورة العمل المنفصلة بواسطة عدد فترات المؤقت (N). على سبيل المثال، إذا كان العداد يعمل من 0 إلى 1023، فإن ذلك يعطي 1024 خطوة مميزة لدورة العمل. الأعداد الأعلى تعني تحكما أدق في المخرجات.
بت - عمق
غالبا ما يتم التعبير عن الدقة بالبتات ، محسوبة على أنها log₂ (N). يتوافق العداد المكون من 1024 خطوة مع دقة 10 بت ، بينما يتوافق عداد 65536 مع دقة 16 بت. وهذا يحدد مدى دقة ضبط دورة العمل.
خطوة زمنية
تحدد ساعة النظام أصغر زيادة ، تساوي 1 ÷ fClock. تسمح سرعات الساعة الأسرع بفترات أقصر وترددات PWM أعلى مع الحفاظ على الدقة الدقيقة.
المقايضات
تتطلب زيادة الدقة المزيد من عدد المؤقت ، والذي بدوره يقلل من الحد الأقصى لتردد PWM لساعة معينة. على العكس من ذلك ، تقلل الترددات الأعلى من الدقة المتاحة.
PWM Prescaler ومثال إعداد الفترة
| الخطوة | الحساب | النتيجة | توضيحالتفاصيل |
|---|---|---|---|
| ساعة MCU | - | 24 ميجاهرتز | التردد الأساسي يقود المؤقت. |
| تطبيق التحجيم المسبق ÷8 | 24 ميجاهرتز ÷ 8 | 3 ميجاهرتز | تم تقليل ساعة المؤقت إلى نطاق عد يمكن التحكم فيه. |
| فترة المؤقت | 3 ميجاهرتز × 0.020 ثانية | 60,000 عدد | يؤدي ضبط سجل إعادة التحميل التلقائي/الفترة إلى 60,000 إلى إعطاء إطار 20 مللي ثانية. |
| الدقة لكل علامة | 1 ÷ 3 ميجاهرتز | 0.333 ميكرو ثانية | كل زيادة مؤقت تساوي \ ~ 0.33 ميكروثانية. |
| التحكم في النبض المؤازر | عرض النبضة من 1 إلى 2 مللي ثانية = 3000-6000 نقطة | يوفر تحكما زاويا سلسا داخل إطار 20 مللي ثانية. | - |
تقنيات قناة PWM المتقدمة
الإدراج في الوقت الميت
الوقت الميت هو تأخير صغير متحكم فيه يتم إدخاله بين تبديل الترانزستورات التكميلية في دائرة نصف جسر أو جسر كامل. بدونها ، يمكن لكل من الأجهزة ذات الجانب المرتفع والمنخفض إجراء مؤقتا في نفس الوقت ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي يعرف باسم إطلاق النار. من خلال إضافة بضع عشرات أو مئات من النانو ثانية من الوقت الميت ، يضمن الجهاز انتقالات آمنة ، وحماية MOSFETs أو IGBTs من التلف.
المخرجات التكميلية
تولد المخرجات التكميلية إشارتين متناقضتين منطقيتين لبعضهما البعض. هذا مفيد بشكل خاص في دوائر الدفع والسحب ومحركات المحركات ومراحل العاكس ، حيث يجب إيقاف تشغيل أحد الترانزستورات على وجه التحديد عند تشغيل الآخر. يؤدي استخدام أزواج PWM التكميلية إلى تبسيط دوائر السائق ويضمن التماثل وتحسين الكفاءة وتقليل التشويه.
التحديثات المتزامنة
في الأنظمة ذات قنوات PWM المتعددة، تتيح التحديثات المتزامنة تحديث جميع المخرجات في وقت واحد. بدون هذه الميزة ، يمكن أن يحدث عدم تطابق صغير في التوقيت (انحراف) ، مما يؤدي إلى تشغيل غير متكافئ. في محركات المحركات ثلاثية الطور أو المحولات متعددة المراحل ، يضمن PWM المتزامن التوازن والأداء السلس وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي.
الزناد المتقاطع
يتيح التشغيل المتقاطع للمؤقتات التفاعل مع بعضها البعض، بحيث يمكن لحدث PWM بدء مؤقت آخر أو إعادة تعيينه أو ضبطه. هذه الميزة قوية في أنظمة التحكم المتقدمة ، مما يسمح بالتنسيق الدقيق للإشارات المتعددة. تشمل التطبيقات محركات المحركات المتتالية ، ومحولات الطاقة المتشابكة ، وأخذ عينات المستشعر المتزامن ، حيث تكون علاقات التوقيت بين القنوات أمرا بالغ الأهمية.
حركة مؤازرة مع إشارات PWM
| عرض النبض | حركة مؤازرة |
|---|---|
| \~1.0 مللي ثانية | يدور بالكامل إلى اليسار أو يدور في اتجاه عقارب الساعة بأقصى سرعة |
| \~1.5 مللي ثانية | يبقى في المنتصف أو يتوقف عن الحركة |
| \~2.0 مللي ثانية | يدور بالكامل إلى اليمين أو يدور عكس اتجاه عقارب الساعة بأقصى سرعة |
الخلاصة
PWM هي أداة رئيسية تتيح للأنظمة الرقمية التحكم في الأجهزة التناظرية بدقة وكفاءة. من خلال تعلم دورات العمل ، وإعداد المؤقت ، وخيارات التردد ، ومقايضات الدقة ، والأساليب المتقدمة مثل الوقت الميت أو تصحيح جاما ، يمكنك تصميم أنظمة موثوقة. تواصل PWM دعم الإلكترونيات الحديثة في تطبيقات الإضاءة والحركة والصوت والطاقة.
الأسئلة المتكررة [التعليمات]
هل PWM يحسن كفاءة الطاقة؟
نعم. يقوم PWM بتشغيل الأجهزة أو إيقاف تشغيلها بالكامل ، مما يقلل من فقد الحرارة مقارنة بالتحكم في الجهد التناظري.
هل يخلق PWM تداخلا كهرومغناطيسيا (EMI)؟
نعم. يولد التبديل السريع توافقيات تسبب EMI. يقلل PWM المحاذاة للوسط ، وتساعد المرشحات في منع الضوضاء.
لماذا تستخدم مرشح التمرير المنخفض مع PWM؟
يعمل مرشح التمرير المنخفض على تنعيم الموجة المربعة إلى جهد تيار مستمر متوسط ، وهو مفيد للصوت والمخرجات التناظرية ومحاكاة المستشعر.
هل يمكن ل PWM التحكم في عناصر التسخين؟
نعم. تستجيب السخانات ببطء ، لذلك حتى ترددات PWM المنخفضة (10-100 هرتز) توفر تحكما ثابتا في درجة الحرارة.
ما هو استخدام PWM بتحويل الطور؟
يقوم بتحويل التوقيت بين القنوات لتقليل الارتفاعات الحالية وأحمال التوازن ، وهو أمر شائع في المحولات متعددة الأطوار ومحركات المحركات.
كيف تمنع المتحكمات الدقيقة ارتعاش PWM؟
يستخدمون سجلات مزدوجة التخزين المؤقت والتحديثات المتزامنة بحيث يتم تطبيق تغييرات دورة العمل بشكل نظيف في بداية كل دورة.