Широтно-импульсная модуляция — ШИМ
Разберем понятие ШИМ на примере управления скоростью вращения двигателя постоянного тока. Поставим своей целью запустить мотор на 50% от его максимальной скорости. Пусть наш двигатель идеальный и чтобы достичь заданной скорости, нам нужно в единицу времени передавать на мотор в два раза меньше мощности. Как это сделать, не меняя источник питания?
Следующий опыт. Снова включим мотор, и когда его скорость достигнет половины от максимальной — выключим. Заметив, что скорость падает — снова включим. И так далее. Включая и выключая питание мотора, мы заставим ротор вращаться со скоростью, близкой к половине от максимальной!
Разумеется, в силу человеческой медлительности, мотор будет удерживать заданную скорость с некоторой погрешностью. Другими словами, скорость будет «плавать» вокруг заданного значения. Чтобы минимизировать эти отклонения, нам потребуется увеличить частоту переключений. Тут уже не обойтись без автоматики.
А как заставить мотор вращаться медленнее или быстрее? Количество переданной мотору энергии будет зависеть от отношения времени когда мотор включен — tвкл к времени когда он выключен — tвыкл.
Так, для передачи мотору 50% мощности, tвкл будет равно tвыкл. Такой случай как раз изображен на графике. Чтобы мотор вращался еще медленнее, скажем с мощностью 25% от номинальной, придется время включения мотора уменьшить до этих самых 25% от общего периода управления T.
Таким образом, имея возможность менять ширину импульсов, мы можем достаточно точно управлять скоростью вращения мотора.
Собственно, рассмотренный способ управления мощностью и называется широтно-импульсной модуляцией сигнала, а сокращённо — ШИМ. Теперь рассмотрим параметры которые характеризуют ШИМ сигнал и которые следует учитывать при написании программ для микроконтроллеров.
Коэффициент заполнения (duty cycle)
Начнем с самого главного параметра — коэффициента заполнения D (он же duty cycle). Этот коэффициент равен отношению периода ШИМ сигнала к ширине импульса:
Чем больше D, тем больше мощности мы передаем управляемому устройству, например, двигателю. Так, при D = 1 двигатель работает на 100% мощности, при D = 0,5 — наполовину мощности, при D = 0 — двигатель полностью отключен.
Кстати, кроме коэффициента заполнения для характеризации ШИМ применяют и другой параметр — скважность S. Эти два параметра связаны выражением:
Скважность, как и коэффициент заполнения — величина безразмерная. В отличие от D, она может принимать значения от 1 до бесконечности. Но чаще всего, особенно в англоязычных источниках, используют именно D.
Проверка работоспособности шим-контроллера.
- OVP
(Over Voltage Protection) — защита от превышения напряжения питания. При увеличении напряжения питания на входе
VCC
выше порогового значения (UOVP микросхема прекращает генерацию ШИМ-импульсов на выходе OUT). - UVLO
(Under Voltage Lockout) — триггер Шмитта, разрешающий работу контроллера при достижении напряжения питания на входе VCC значения UVLO on и запрещающей работу при падении напряжения до значения UVLO off. Значения этих напряжений указаны в заводской документации. - OLP
(Over Load Protection) — защита от перегрузки по току. - Некоторые микросхемы имеют вход BNO
(Brownout Protection Pin) — вход защиты от пониженного напряжения питания и импульсных помех на нем. Если напряжение на этом выводе ниже порогового микросхема прекращает генерацию ШИМ-импульсов на выходе
OUT
).
Проверка на материнской плате
Итак, при включении питания платы, срабатывает защита. В первую очередь, необходимо проверить мультиметром сопротивление плеч стабилизатора.
Для этих целей также может быть использован тестер радиодеталей. Если одно из них показывает короткое замыкание, то есть, измеренное сопротивление составляет меньше 1 Ома, значит, пробит один из ключевых полевых транзисторов.
Выявление пробитого транзистора в случае, если стабилизатор однофазный, не составляет труда – неисправный прибор при проверке мультиметром показывает короткое замыкание. Если схема стабилизатора многофазная, а именно так питается процессор, имеет место параллельное включение транзисторов. В этом случае, определить поврежденный прибор можно двумя путями:
- произвести демонтаж транзистора и проверить мультиметром сопротивление между его выводами на предмет пробоя;
- не выпаивая транзисторы, замерить и сравнить сопротивление между затвором и истоком в каждой из фаз преобразователя. Поврежденный участок определяется по более низкому значению сопротивления.
Второй способ работает не во всех случаях. Если пробитый элемент определить не удалось, придется все же выпаять транзистор.
Далее производится замена поврежденного транзистора, а также, установка на место всех выпаянных в процессе диагностики радиоэлементов. После этого можно попытаться запустить плату.
Первое включение после ремонта лучше выполнить, сняв процессор и выставив соответствующие перемычки. Если первый запуск был успешным, можно проводить тест с нагрузкой, контролируя температуру мосфетов.
Неисправности ШИМ контроллера могут проявляться так же, как и пробой мосфетов, то есть уходом блока питания в защиту. При этом проверка самих транзисторов на пробой результата не дает.
Кроме этого, следствием нарушения функций ШИМ контроллера может быть отсутствие выходного напряжения или его несоответствие номинальной величине. Для проверки ШИМ контроллера следует вначале изучить его даташит. Наличие высокочастотного напряжения в импульсном режиме, при отсутствии осциллографа, можно определить, используя тестер кварцев на микроконтроллере.
Улучшение схемы контроллера
Конечно всегда есть пути дальнейшего улучшения схемы:
- Хорошо бы дать между выходом ШИМ и микроконтроллером некоторый буфер на транзисторе или простой усилитель, работающий в классе AB. В этом случае он защитит микроконтроллер от повреждений и дополнительно раскачает сигнал.
- Дополнительные шаги контроля частоты также были бы полезны. Если собираетесь внедрить проект, предлагаем более крупный микроконтроллер с аппаратным ШИМ для SMPS, чтобы было 2/4 канала и регулирование времени простоя.
Можно также расширить диапазон регулирования заполнения до 0..100%. Это может быть полезно при тестировании работы исполнительных блоков управления ШИМ. Например, при 100% заполнении — измерение падения напряжения на дорожках и открытом ключе.
Неисправности шим блока питания
- Когда микроконтроллер работает с кварцевым резонатором X1: FL (низкий уровень фуза): $ FF, FH (высокий уровень): $ DF, FE (расширенный): $ FF, LB (блокирующие биты): $ FF.
- Когда микроконтроллер будет синхронизирован с внутренним RC-генератором: FL (низкий уровень): $ E2, FH (высокий уровень): $ DF, FE (расширенный): $ FF, LB (блокирующие биты): $ FF.
Сравнение с ШИМ на NE555
Прямоугольный сигнал конечно может быть получен с использованием популярнейшей микросхемы NE555, плюс два выпрямительных диода, несколько резисторов и конденсаторов. Это естественно гораздо более дешевое решение. И не нужно ничего программировать.
Но разница в том, что генератор 555 является аналоговым, и вы никогда не знаете точно, какое именно значение скважности установили в данный момент времени. Он также не позволяет точно установить уровень скважности с разрешением 1%.
Аналоговые и цифровые схемы — это два разных мира. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но факты таковы, что цифровой контроль сегодня есть практически везде и за ним будущее схемотехники.
В случае AtTiny программирование может быть выполнено по i2s, последовательно с пульта дистанционного управления или с использованием энкодера. Единственное, что нужно добавить, это дополнительный код. С таймером 555 таких возможностей не будет. Прилагаемый архив содержит схему в Eagle, плату в DipTrace, исходный текст программы и документацию в PDF.
Форум по обсуждению материала ГЕНЕРАТОР ШИМ С КНОПОЧНЫМ КОНТРОЛЕМ
Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.
Переделываем игрушку обычный трактор в радиоуправляемый — фотографии процесса и получившийся результат.
Микрофоны MEMS — новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.
