Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Methode, mit der Mikrocontroller die Leistung steuern, indem sie Signale mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausschalten. Es wird in LEDs, Motoren, Servos, Audio- und Stromversorgungssystemen verwendet. In diesem Artikel werden die PWM-Grundlagen, das Tastverhältnis, der Timer-Betrieb, die Modi, die Frequenz, die Auflösung und die fortgeschrittenen Techniken ausführlich erläutert.
Übersicht über die Pulsweitenmodulation (PWM)
PWM-Timer sind eingebaute Hardwaremodule in Mikrocontrollern, die digitale Impulssignale mit einstellbaren Tastverhältnissen erzeugen. Anstatt sich auf Software zum Umschalten von Pins zu verlassen, was Rechenleistung verbraucht und Timing-Jitter riskiert, lagert der Mikrocontroller diese Aufgabe an den Hardware-Timer aus. Auf diese Weise kann die Genauigkeit beibehalten werden, während die CPU für andere Aufgaben frei wird. Das Ergebnis ist effizientes Multitasking, reduzierte Latenzzeiten und bessere Leistung in tatsächlichen Anwendungen wie Motorsteuerung, LED-Dimmung, Audiomodulation und Signalerzeugung. Die Effizienz und Präzision von PWM machen es zum Rückgrat moderner Embedded-Systeme und schließen die Lücke zwischen digitaler Steuerung und analogem Verhalten.
Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation
Die Wellenform zeigt ein sich wiederholendes Signal, das zwischen 0V und 5V umschaltet. Die Periode ist mit 10 ms gekennzeichnet, was die Zeit für einen vollständigen Zyklus darstellt. Innerhalb dieses Zeitraums bleibt das Signal 3 ms lang hoch (5 V), was als Impulsbreite bezeichnet wird. Die Einschaltdauer wird dann als Verhältnis der Hochzeit zur Gesamtperiode berechnet, was in diesem Fall 30% ergibt. Das bedeutet, dass das Signal nur 30 % der Zeit pro Zyklus Strom liefert. Die Frequenz wird ebenfalls aus der Periode abgeleitet, berechnet als 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Tastverhältnisberechnung in Mikrocontroller-Timern
Das Tastverhältnis gibt an, wie viel Zeit ein Signal insgesamt eingeschaltet ist, verglichen mit dem vollen Zyklus der Wellenform. In einem Mikrocontroller ist dies wichtig, da er entscheidet, wie viel Strom über jeden Zyklus an ein Gerät gesendet wird.
Um es zu berechnen, verwenden Sie eine einfache Formel: Tastverhältnis (%) = (Pulsbreite ÷ Periode) × 100. Wenn das Signal aktiv HIGH ist, ist das Tastverhältnis der Bruchteil der Zeit, in der das Signal HIGH bleibt. Wenn das Signal aktiv ist, ist das Tastverhältnis der Bruchteil der Zeit, in der es LOW bleibt.
Pulsweitenmodulations-Timer
Dieses Bild zeigt, wie ein PWM-Timer funktioniert, indem er den Spannungsausgang mit einem Zähler verbindet. Der Zähler zählt wiederholt von 0 bis 9, dann wird er zurückgesetzt und erzeugt die Periode des Signals. Wenn der Zähler einen eingestellten Übereinstimmungswert (hier 2) erreicht, geht der Ausgang hoch und bleibt hoch, bis der Zähler überläuft und die Impulsbreite definiert. Der Überlaufpunkt setzt den Zyklus zurück und beginnt eine neue Periode.
Der Timer bestimmt das Tastverhältnis, indem er steuert, wann sich der Ausgang einschaltet (Match) und wann er zurückgesetzt wird (Overflow). Durch Anpassen des Match-Werts ändert sich die Breite des High-Signals und es wird direkt gesteuert, wie viel Leistung die PWM an eine Last liefert.
Kantenausgerichtete und zentrierte PWM-Modi
Kantenorientierter Modus
Bei der kantenausgerichteten PWM zählt der Zähler nur von Null bis zu einem eingestellten Maximum hoch, und das Schalten erfolgt zu Beginn oder am Ende des Zyklus. Dies macht es einfach zu implementieren und hocheffizient, da die meisten Mikrocontroller und Timer es nativ unterstützen. Da alle Schaltflanken auf eine Seite der Periode ausgerichtet sind, kann dies zu einer ungleichmäßigen Stromwelligkeit und höheren elektromagnetischen Störungen (EMI) führen.
Zentrierter (phasenkorrigierter) Modus
Bei zentriert ausgerichteter PWM zählt der Zähler innerhalb jedes Zyklus nach oben und dann wieder nach unten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schaltflanken um die Mitte der Wellenform verteilt sind, wodurch eine ausgewogenere Ausgabe entsteht. Die Symmetrie reduziert Oberschwingungen, Drehmomentwelligkeit in Motoren und EMI in Stromversorgungssystemen. Obwohl es etwas komplexer und weniger effizient in Bezug auf die Frequenznutzung ist, bietet es eine viel sauberere Ausgabequalität.
Auswahl der richtigen PWM-Frequenz
• LED-Dimmen erfordert Frequenzen über 200 Hz, um sichtbares Flimmern zu eliminieren, während Display-Hintergrundbeleuchtung und hochwertige Beleuchtungssysteme oft 20-40 kHz verwenden, um außerhalb der menschlichen Wahrnehmung zu bleiben und Rauschen zu minimieren.
• Elektromotoren arbeiten am besten mit PWM-Frequenzen zwischen 2 und 20 kHz und gleichen Schaltverluste mit der Gleichmäßigkeit des Drehmoments aus. Niedrigere Werte bieten eine höhere Tastverhältnisauflösung, während höhere Werte hörbares Rauschen und Welligkeit reduzieren.
• Standard-Hobby-Servos basieren auf festen Steuersignalen um 50 Hz (20 ms Periode), bei denen die Impulsbreite und nicht die Frequenz die Winkelposition bestimmt.
• Die Audioerzeugung und die Digital-Analog-Wandlung erfordern PWM weit oberhalb des hörbaren Spektrums von über 22 kHz, um Interferenzen zu vermeiden und eine saubere Filterung der Signale zu ermöglichen.
• In der Leistungselektronik wird bei der Frequenzauswahl oft zwischen Wirkungsgrad, Schaltverlusten, elektromagnetischen Störungen und dem dynamischen Verhalten der spezifischen Last gewechselt.
PWM-Auflösung und Schrittweite
Lösung (Schritte)
Die Anzahl der diskreten Tastverhältnispegel wird durch die Periodenzahl des Timers (N) festgelegt. Wenn ein Zähler z. B. von 0 bis 1023 läuft, ergibt dies 1024 unterschiedliche Tastverhältnisschritte. Höhere Zählungen bedeuten eine feinere Kontrolle der Ausgabe.
Bit-Tiefe
Die Auflösung wird oft in Bits ausgedrückt, die als log₂(N) berechnet werden. Ein 1024-Schritt-Zähler entspricht einer 10-Bit-Auflösung, während ein 65536-Zähler einer 16-Bit-Auflösung entspricht. Hier wird definiert, wie genau das Tastverhältnis eingestellt werden kann.
Zeitschritt
Die Systemuhr bestimmt das kleinste Inkrement, das 1 ÷ fClock entspricht. Schnellere Taktraten ermöglichen kürzere Zeiträume und höhere PWM-Frequenzen bei gleichbleibend feiner Auflösung.
Zielkonflikte
Die Erhöhung der Auflösung erfordert eine höhere Anzahl von Timern, was wiederum die maximale PWM-Frequenz für einen bestimmten Takt senkt. Umgekehrt verringern höhere Frequenzen die verfügbare Auflösung.
Beispiel für PWM-Prescaler und Perioden-Setup
| Schritt | Berechnung | Ergebnis | Erläuterungen |
|---|---|---|---|
| MCU-Uhr | - | 24 MHz | Grundfrequenz, die den Timer antreibt. |
| Prescaler ÷8 anwenden | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | Die Zeitschaltuhr wurde auf einen überschaubaren Zählbereich reduziert. |
| Timer-Zeitraum | 3 MHz × 0,020 s | 60.000 Zählungen | Wenn Sie das Register für automatisches Nachladen/Perioden auf 60.000 einstellen, erhalten Sie einen Frame von 20 ms. |
| Auflösung pro Tick | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Jedes Timer-Inkrement entspricht \~0,33 Mikrosekunden. |
| Servo-Impulssteuerung | 1–2 ms Pulsbreite = 3000–6000 Ticks | Bietet eine reibungslose Winkelsteuerung innerhalb des 20-ms-Rahmens. | - |
Fortgeschrittene PWM-Kanaltechniken
Totzeit-Einfügen
Die Totzeit ist eine kleine, kontrollierte Verzögerung, die zwischen dem Schalten von Komplementärtransistoren in einer Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung eingefügt wird. Ohne sie könnten sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-Geräte kurzzeitig gleichzeitig leiten, was zu einem Kurzschluss führt, der als Shoot-Through-Shoot-Through bezeichnet wird. Durch das Hinzufügen von einigen Dutzend oder Hunderten von Nanosekunden Totzeit gewährleistet die Hardware sichere Übergänge und schützt MOSFETs oder IGBTs vor Beschädigungen.
Komplementäre Ausgänge
Komplementäre Ausgänge erzeugen zwei Signale, die logisch gegensätzlich zueinander sind. Dies ist besonders nützlich in Gegentaktschaltungen, Motortreibern und Wechselrichterstufen, bei denen sich ein Transistor genau dann ausschalten muss, wenn sich der andere einschaltet. Die Verwendung komplementärer PWM-Paare vereinfacht die Treiberschaltung und sorgt für Symmetrie, verbessert die Effizienz und reduziert Verzerrungen.
Synchrone Updates
In Systemen mit mehreren PWM-Kanälen ermöglichen synchrone Updates die gleichzeitige Aktualisierung aller Ausgänge. Ohne diese Funktion können kleine Timing-Fehlanpassungen (Skew) auftreten, die zu einem ungleichmäßigen Betrieb führen. In Drehstrommotorantrieben oder mehrphasigen Umrichtern sorgt synchronisierte PWM für Ausgewogenheit, reibungslose Leistung und reduzierte elektromagnetische Störungen.
Querauslösung
Durch die Quertriggerung können Timer miteinander interagieren, sodass ein PWM-Ereignis einen anderen Timer starten, zurücksetzen oder anpassen kann. Diese Funktion ist in fortschrittlichen Steuerungssystemen leistungsstark und ermöglicht eine präzise Koordination mehrerer Signale. Zu den Anwendungen gehören kaskadierte Motorantriebe, verschachtelte Stromrichter und synchronisierte Sensorabtastung, bei denen Timing-Beziehungen zwischen den Kanälen entscheidend sind.
Servobewegung mit PWM-Signalen
| Pulsbreite | Servo-Bewegung |
|---|---|
| \~1,0 ms | Dreht sich ganz nach links oder dreht sich mit voller Geschwindigkeit im Uhrzeigersinn |
| \~1,5 ms | Bleibt in der Mitte oder bewegt sich nicht mehr |
| \~2,0 ms | Dreht sich ganz nach rechts oder dreht sich mit voller Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn |
Fazit
PWM ist ein Hauptwerkzeug, mit dem digitale Systeme analoge Geräte genau und effizient steuern können. Durch das Erlernen von Tastverhältnissen, Timer-Setup, Frequenzauswahl, Auflösungskompromissen und fortschrittlichen Methoden wie Totzeit- oder Gammakorrektur können Sie zuverlässige Systeme entwerfen. PWM unterstützt weiterhin moderne Elektronik in den Bereichen Beleuchtung, Bewegung, Audio und Stromversorgung.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Verbessert PWM die Energieeffizienz?
Ja. PWM schaltet Geräte vollständig ein oder aus, wodurch der Wärmeverlust im Vergleich zur analogen Spannungsregelung minimiert wird.
Erzeugt PWM elektromagnetische Interferenzen (EMI)?
Ja. Schnelles Schalten erzeugt Oberschwingungen, die EMI verursachen. Zentriert ausgerichtete PWM reduziert es, und Filter helfen, Rauschen zu unterdrücken.
Warum ein Tiefpassfilter mit PWM verwenden?
Ein Tiefpassfilter glättet die Rechteckwelle in eine durchschnittliche Gleichspannung, die für Audio, Analogausgänge und Sensorsimulationen nützlich ist.
Kann PWM Heizelemente steuern?
Ja. Die Heizungen reagieren langsam, so dass selbst niedrige PWM-Frequenzen (10–100 Hz) eine stabile Temperaturregelung ermöglichen.
Wofür wird phasenverschobenes PWM verwendet?
Es verschiebt das Timing zwischen den Kanälen, um Stromspitzen zu reduzieren und Lasten auszugleichen, wie sie bei mehrphasigen Umrichtern und Motorantrieben üblich sind.
Wie verhindern Mikrocontroller PWM-Jitter?
Sie verwenden doppelt gepufferte Register und synchronisierte Aktualisierungen, sodass Änderungen des Arbeitszyklus zu Beginn jedes Zyklus sauber angewendet werden.