La modulation de largeur d’impulsion (PWM) est une méthode utilisée par les microcontrôleurs pour contrôler l’alimentation en allumant et en désactivant les signaux à grande vitesse. Il est utilisé dans les LED, les moteurs, les servos, l’audio et les systèmes d’alimentation. Cet article explique en détail les bases de la PWM, le cycle de service, le fonctionnement de la minuterie, les modes, la fréquence, la résolution et les techniques avancées.
Présentation de la modulation de largeur d’impulsion (PWM)
Les minuteries PWM sont des modules matériels intégrés à l’intérieur de microcontrôleurs qui génèrent des signaux d’impulsion numériques avec des cycles de service réglables. Au lieu de s’appuyer sur un logiciel pour basculer les broches, ce qui consomme de la puissance de traitement et risque de provoquer une gigue de synchronisation, le microcontrôleur décharge cette tâche sur la minuterie matérielle. Cela lui permet de maintenir la précision tout en libérant le processeur pour gérer d’autres tâches. Le résultat est un multitâche efficace, une latence réduite et de meilleures performances dans des applications réelles telles que le contrôle moteur, la gradation LED, la modulation audio et la génération de signaux. L’efficacité et la précision du PWM en font l’épine dorsale des systèmes embarqués modernes, comblant le fossé entre le contrôle numérique et le comportement analogique.
Cycle de service de modulation de largeur d’impulsion
La forme d’onde affiche un signal répétitif qui commute entre 0V et 5V. La période est de 10 ms, ce qui représente le temps d’un cycle complet. Au cours de cette période, le signal reste élevé (5 V) pendant 3 ms, ce qu’on appelle la largeur d’impulsion. Le rapport cyclique est alors calculé comme le rapport entre le temps élevé et la période totale, ce qui donne 30 % dans ce cas. Cela signifie que le signal ne fournit de l’énergie que 30 % du temps par cycle. La fréquence est également dérivée de la période, calculée comme suit : 1 ÷ 10 ms = 100 Hz.
Calcul du cycle de service dans les minuteries de microcontrôleur
Le rapport cyclique nous indique la durée totale d’activation d’un signal par rapport au cycle complet de la forme d’onde. Dans un microcontrôleur, c’est important car il décide de la quantité d’énergie envoyée à un appareil au cours de chaque cycle.
Pour le calculer, vous utilisez une formule simple : Cycle d’utilisation ( %) = (largeur d’impulsion ÷ période) × 100. Si le signal est actif HIGH, le rapport cyclique est la fraction de temps pendant laquelle le signal reste HIGH. Si le signal est actif LOW, le rapport cyclique est la fraction de temps pendant laquelle il reste LOW.
Minuterie de modulation de largeur d’impulsion
Cette image montre le fonctionnement d’une minuterie PWM en reliant la sortie de tension à un compteur. Le compteur compte à plusieurs reprises de 0 à 9, puis se réinitialise, créant ainsi la période du signal. Lorsque le compteur atteint une valeur de correspondance définie (ici, 2), la sortie monte et reste élevée jusqu’à ce que le compteur déborde, définissant la largeur d’impulsion. Le point de débordement réinitialise le cycle et commence une nouvelle période.
La minuterie détermine le rapport cyclique en contrôlant le moment où la sortie s’allume (correspondance) et quand elle se réinitialise (débordement). L’ajustement de la valeur de correspondance modifie la largeur du signal élevé, contrôlant directement la quantité de puissance que le PWM délivre à une charge.
Modes PWM alignés sur les bords et alignés au centre
Mode aligné sur les bords
Dans le PWM aligné sur les bords, le compteur ne compte que de zéro à un maximum défini, et la commutation se produit au début ou à la fin du cycle. Cela le rend simple à mettre en œuvre et très efficace, car la plupart des microcontrôleurs et des minuteries le prennent en charge nativement. Étant donné que tous les bords de commutation sont alignés d’un côté de la période, cela peut entraîner une ondulation de courant inégale et des interférences électromagnétiques (EMI) plus élevées.
Mode aligné au centre (correction de phase)
Dans le PWM aligné au centre, le compteur compte vers le haut puis vers le bas à chaque cycle. Cela garantit que les fronts de commutation sont répartis autour du centre de la forme d’onde, créant ainsi une sortie plus équilibrée. La symétrie réduit les harmoniques, l’ondulation du couple dans les moteurs et les interférences électromagnétiques dans les systèmes d’alimentation. Bien qu’il soit légèrement plus complexe et moins efficace en termes d’utilisation de fréquence, il offre une qualité de sortie beaucoup plus propre.
Sélection de la bonne fréquence PWM
• La gradation des LED nécessite des fréquences supérieures à 200 Hz pour éliminer le scintillement visible, tandis que le rétroéclairage de l’écran et les systèmes d’éclairage de haute qualité utilisent souvent 20 à 40 kHz pour rester au-delà de la perception humaine et minimiser le bruit.
• Les moteurs électriques fonctionnent mieux avec des fréquences PWM comprises entre 2 et 20 kHz, équilibrant les pertes de commutation avec la douceur du couple ; Des valeurs plus basses offrent une résolution de cycle de service plus élevée, tandis que des valeurs plus élevées réduisent le bruit audible et les ondulations.
• Les servos de loisir standard reposent sur des signaux de commande fixes d’environ 50 Hz (période de 20 ms), où la largeur d’impulsion, et non la fréquence, détermine la position angulaire.
• La génération audio et la conversion numérique-analogique nécessitent un PWM bien au-dessus du spectre audible, au-dessus de 22 kHz, pour éviter les interférences et permettre un filtrage propre des signaux.
• En électronique de puissance, la sélection de fréquence fait souvent un compromis entre l’efficacité, les pertes de commutation, les interférences électromagnétiques et la réponse dynamique de la charge spécifique.
Résolution PWM et taille du pas
Résolution (étapes)
Le nombre de niveaux de rapport cyclique discrets est défini par le nombre de périodes de la minuterie (N). Par exemple, si un compteur s’exécute de 0 à 1023, cela donne 1024 étapes de cycle de service distinctes. Des comptages plus élevés signifient un contrôle plus fin de la production.
Profondeur de bits
La résolution est souvent exprimée en bits, calculée en log₂(N). Un compteur de 1024 correspond à une résolution de 10 bits, tandis qu’un compteur de 65536 correspond à une résolution de 16 bits. Celui-ci définit la précision avec laquelle le rapport cyclique peut être ajusté.
Pas de temps
L’horloge système détermine le plus petit incrément, égal à 1 ÷ fClock. Des vitesses d’horloge plus rapides permettent des périodes plus courtes et des fréquences PWM plus élevées tout en conservant une résolution fine.
Compromis
L’augmentation de la résolution nécessite un plus grand nombre de minuteries, ce qui abaisse la fréquence PWM maximale pour une horloge donnée. À l’inverse, des fréquences plus élevées réduisent la résolution disponible.
Exemple de configuration du préscaler PWM et de la période
| Étape | Calcul | Résultat | Explications |
|---|---|---|---|
| Horloge MCU | - | 24 MHz | La fréquence de base qui commande la minuterie. |
| Appliquer le préscaler ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 MHz | L’horloge de la minuterie a été réduite à une plage de comptage gérable. |
| Période de minuterie | 3 MHz × 0,020 s | 60 000 comptes | Le réglage du registre de rechargement automatique/période sur 60 000 donne une image de 20 ms. |
| Résolution par tick | 1 ÷ 3 MHz | 0,333 μs | Chaque incrément de minuterie est égalé\~0,33 microseconde. |
| Contrôle d’impulsion servo | Largeur d’impulsion de 1 à 2 ms = 3000 à 6000 ticks | Fournit un contrôle angulaire fluide dans le cadre de 20 ms. | - |
Techniques avancées de canal PWM
Insertion de temps mort
Le temps mort est un petit retard contrôlé inséré entre la commutation de transistors complémentaires dans un circuit en demi-pont ou en pont complet. Sans lui, les dispositifs côté haut et côté bas pourraient momentanément conduire en même temps, provoquant un court-circuit connu sous le nom de shoot-through. En ajoutant quelques dizaines ou centaines de nanosecondes de temps mort, le matériel assure des transitions sûres, protégeant les MOSFET ou IGBT contre les dommages.
Extrants complémentaires
Les sorties complémentaires génèrent deux signaux qui sont logiquement opposés l’un à l’autre. Ceci est particulièrement utile dans les circuits push-pull, les pilotes de moteur et les étages d’onduleur, où un transistor doit s’éteindre précisément lorsque l’autre s’allume. L’utilisation de paires PWM complémentaires simplifie les circuits de commande et assure la symétrie, améliorant l’efficacité et réduisant la distorsion.
Mises à jour synchrones
Dans les systèmes avec plusieurs canaux PWM, les mises à jour synchrones permettent à toutes les sorties d’être actualisées simultanément. Sans cette fonctionnalité, de petits décalages de synchronisation (inclinaison) pourraient se produire, entraînant un fonctionnement inégal. Dans les variateurs de moteur triphasés ou les convertisseurs multiphasés, le PWM synchronisé assure l’équilibre, des performances fluides et une réduction des interférences électromagnétiques.
Déclenchement croisé
Le déclenchement croisé permet aux minuteries d’interagir les unes avec les autres, de sorte qu’un événement PWM puisse démarrer, réinitialiser ou ajuster une autre minuterie. Cette fonctionnalité est puissante dans les systèmes de contrôle avancés, permettant une coordination précise de plusieurs signaux. Les applications comprennent les variateurs de moteur en cascade, les convertisseurs de puissance entrelacés et l’échantillonnage synchronisé de capteurs, où les relations de synchronisation entre les voies sont essentielles.
Mouvement servo avec signaux PWM
| Largeur d’impulsion | Mouvement servo |
|---|---|
| \~1,0 ms | Tourne complètement vers la gauche ou tourne dans le sens des aiguilles d’une montre à pleine vitesse |
| \~1,5 ms | Reste au milieu ou s’arrête de bouger |
| \~2,0 ms | Tourne complètement vers la droite ou tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre à pleine vitesse |
En conclusion
PWM est un outil principal qui permet aux systèmes numériques de contrôler des appareils analogiques avec précision et efficacité. En apprenant les cycles de service, la configuration de la minuterie, les choix de fréquence, les compromis de résolution et des méthodes avancées telles que la correction des temps morts ou gamma, vous pouvez concevoir des systèmes fiables. PWM continue de prendre en charge l’électronique moderne dans les applications d’éclairage, de mouvement, d’audio et d’alimentation.
Foire aux questions [FAQ]
Le PWM améliore-t-il l’efficacité énergétique ?
Oui. Le PWM allume ou éteint complètement les appareils, minimisant ainsi les pertes de chaleur par rapport au contrôle de tension analogique.
Le PWM crée-t-il des interférences électromagnétiques (EMI) ?
Oui. Une commutation rapide génère des harmoniques qui provoquent des interférences électromagnétiques. Le PWM aligné au centre le réduit, et les filtres aident à supprimer le bruit.
Pourquoi utiliser un filtre passe-bas avec PWM ?
Un filtre passe-bas lisse l’onde carrée en une tension continue moyenne, utile pour l’audio, les sorties analogiques et la simulation de capteurs.
Le PWM peut-il contrôler les éléments chauffants ?
Oui. Les éléments chauffants réagissent lentement, de sorte que même les basses fréquences PWM (10-100 Hz) assurent un contrôle stable de la température.
À quoi sert le PWM déphasé ?
Il décale la synchronisation entre les canaux pour réduire les pics de courant et équilibrer les charges, courants dans les convertisseurs multiphasés et les variateurs de vitesse.
Comment les microcontrôleurs empêchent-ils la gigue PWM ?
Ils utilisent des registres à double tampon et des mises à jour synchronisées afin que les modifications du cycle de service s’appliquent proprement au début de chaque cycle.