Pulse Width Modulation (PWM)

PWM (Pulse Width Modulation)

PWM (Pulse Width Modulation) merupakan suatu teknik teknik dalam mengatur kerja suatu peralatan yang memerlukan arus pull in yang besar dan untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan dari peralatan yang akan dikontrol. PWM  merupakan suatu metoda untuk mengatur kecepatan perputaran motor dengan cara mengatur prosentase lebar pulsa high terhadap perioda dari suatu sinyal persegi dalam bentuk tegangan periodik yang diberikan ke motor sebagai sumber daya. Semakin besar perbandingan lama sinyal high dengan perioda sinyal maka semakin cepat motor berputar.

Sinyal PWM dapat dibangun dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog menggunakan rankaian op-amp atau dengan menggunakan metode digital. Dengan metode analog setiap  perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Misalkan PWM digital 8 bit berarti PWM tersebut memiliki resolusi 2 pangkat 8 = 256, maksudnya nilai keluaran PWM ini memiliki 256 variasi, variasinya mulai dari 0 – 255 yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut. Pada perancangan driver ini, sinyal PWM akan diatur secara digital yang dibangkitkan oleh mikrokontroler ATMEGA 8535.

Pengaturan PWM menggunakan mikrokontroler ATMEGA Proses pembangkitan sinyal PWM pada mikrokontroler AVR ATMEGA 8535 adalah sebagai berikut

Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki  resolusi  8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 2 pangkat 8 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan nilai. Compare adalah nilai pembanding. Nilai ini merupakan nilai referensi duty cycle dari PWM tersebut. Nilai compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari PWM. Dalam gambar nilai compare ditandai dengan garis warna merah,  dimana posisinya diantara dasar segitiga dan ujung segitiga.

Clear digunakan untuk penentuan jenis komparator apakah komparator inverting atau  non-inverting. Mikrokontroler akan membandingkan posisi keduanya, misalkan bila PWM diset pada kondisi  clear down, berarti apabila garis segitiga berada dibawah garis merah (compare)  maka PWM akan mengeluarkan logika 0. Begitu pula sebaliknya apabila garis segitiga berada diatas garis merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 1. Lebar sempitnya logika 1 ditentukan oleh  posisi compare, lebar sempitnya logika 1 itulah yang menjadi nilai keluaran PWM,dan kejadian ini terjadi secara harmonik terus-menerus. Maka dari itu nilai compare inilah yang dijadikan nilai duty cycle PWM. Clear Up adalah kebalikan (invers) dari Clear Down pada keluaran logikanya.

Prescale digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM. Nilai prescale bervariasi yaitu 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024. Misalkan jika prescale diset 64 berarti timer/PWM akan menghitung 1 kali  bila clock di CPU sudah 64 kali, Clock CPU adalah clok mikrokontroler itu sendiri. Perioda dari PWM dapat dihitung menggunakan rumus

Setting  prescale disini digunakan untuk mendapatkan frekuensi dan periode kerja PWM sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan. Perhitungan duty cycle PWM. Dengan cara mengatur lebar pulsa “on”  dan  “off”  dalam satu perioda gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi  output  dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang diinginkan.

Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan sebagai Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V. pada  duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya  akan diberikan 50% dari total tegangan yang ada, begitu seterusnya.

Perhitungan Pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM cukup sederhana.  

Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar.

Average voltage merupakan tegangan output pada motor yang dikontrol oleh sinyal PWM. adalah nilai  duty cycle saat kondisi sinyal  “on”. b adalah nilai  duty cycle saat kondisi sinyal “off”. V full adalah tegangan maximum pada motor. Dengan menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan output sesuai dengan sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan.

Pengantar Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse width modulasi (PWM) adalah teknik yang ampuh untuk mengontrol sirkuit analog dengan output digital prosesor. PWM digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari pengukuran dan komunikasi untuk mengontrol kekuasaan dan konversi.

 

Analog Elektronik

Sebuah sinyal analog memiliki nilai bervariasi terus menerus, dengan resolusi tak terbatas dalam waktu dan besarnya. Sebuah baterai sembilan volt adalah contoh dari perangkat analog, di tegangan output-nya tidak tepat 9V, perubahan dari waktu ke waktu, dan dapat mengambil setiap nilai riil-nomor. Demikian pula, jumlah arus yang ditarik dari baterai tidak terbatas untuk satu set nilai yang mungkin terbatas. Sinyal analog dibedakan dari sinyal digital karena kedua selalu mengambil nilai hanya dari sebuah himpunan berhingga kemungkinan yang telah ditentukan, seperti himpunan {0V, 5V}.

Tegangan analog dan arus dapat digunakan untuk mengontrol hal-hal secara langsung, seperti volume radio mobil. Dalam sebuah radio analog sederhana, tombol yang terhubung ke sebuah resistor variabel. Ketika Anda memutar tombolnya, resistensi naik atau turun.Seperti yang terjadi, arus yang mengalir melalui resistor atau meningkat menurun. Ini perubahan jumlah arus mengemudi speaker, sehingga meningkatkan atau menurunkan volume. Sebuah sirkuit analog adalah satu, seperti radio, yang output linier sebanding dengan input.

Sebagai intuitif dan sederhana seperti kontrol analog mungkin tampak, tidak selalu ekonomis menarik atau sebaliknya praktis. Untuk satu hal, sirkuit analog cenderung melayang dari waktu ke waktu dan bisa, karena itu, sangat sulit untuk menyempurnakan.Sirkuit presisi analog, yang memecahkan masalah itu, bisa sangat besar, berat (hanya berpikir tentang peralatan rumah tua stereo), dan mahal. Sirkuit analog juga bisa menjadi sangat panas, sedangkan daya yang dihamburkan adalah sebanding dengan tegangan elemen aktif dikalikan dengan arus melalui mereka. Sirkuit analog juga bisa sensitif terhadap kebisingan. Karena resolusi yang tak terbatas, setiap gangguan atau noise pada sinyal analog tentu perubahan nilai saat ini.

 

Kontrol Digital

Dengan mengontrol sirkuit analog digital, sistem biaya dan konsumsi daya dapat dikurangi secara drastis. Terlebih lagi, banyak mikrokontroler dan DSP sudah termasuk on-chip pengendali PWM, membuat implementasi yang mudah.

Singkatnya, PWM adalah cara pengkodean digital tingkat sinyal analog. Melalui penggunaan resolusi tinggi counter, dengan siklus tugas dari gelombang persegi dimodulasi untuk mengkodekan tingkat sinyal analog yang spesifik. Sinyal PWM masih digital karena, pada setiap instan waktu tertentu, suplai DC penuh baik lengkap atau sepenuhnya off. Sumber tegangan atau arus yang disuplai ke beban analog dengan cara mengulangi serangkaian on dan off pulsa. Yang waktu- adalah waktu yang diterapkan suplai DC ke beban, dan off-waktuadalah periode di mana pasokan yang dimatikan. Mengingat bandwidth yang cukup, setiap nilai analog dapat dikodekan dengan PWM.

Gambar di bawah menunjukkan tiga sinyal PWM yang berbeda. Gambar 1a menunjukkan output PWM pada siklus 10%. Artinya, sinyal selama 10% dari periode dan dari 90%. Gambar 1b dan menunjukkan 1c PWM output pada 50% dan siklus tugas 90%, masing-masing. Ketiga output PWM menyandikan tiga nilai yang berbeda sinyal analog, pada 10%, 50%, dan 90% dari kekuatan penuh. Jika, misalnya, pasokan adalah 9V dan siklus adalah 10%, hasil sinyal analog 0.9V.

Gambar Sinyal PWM dari berbagai siklus tugas

Gambar di bawah menunjukkan rangkaian sederhana yang dapat digerakkan menggunakan PWM.Dalam gambar, sebuah baterai 9 V kekuatan sebuah bola lampu pijar. Jika kita menutup saklar yang menghubungkan baterai dan lampu untuk 50 ms, bohlam akan menerima 9 V selama interval tersebut. Jika kita kemudian membuka saklar untuk 50 ms berikutnya, bohlam akan menerima 0 V. Jika kita ulangi siklus ini 10 kali per detik, lampu akan menyala seolah-olah terhubung ke 4,5 V baterai (50% dari 9 V ). Kita mengatakan bahwa siklus adalah 50% dan frekuensi modulasi adalah 10 Hz.

Gambar Sebuah PWM rangkaian sederhana

Sebagian besar beban, induktif dan capacitative sama, memerlukan frekuensi modulasi lebih tinggi dari 10 Hz. Bayangkan bahwa lampu kami dinyalakan selama lima detik, kemudian pergi selama lima detik, lalu hidupkan kembali. Siklus masih akan menjadi 50%, namun bola akan muncul terang benderang selama lima detik pertama dan off untuk berikutnya.Dalam rangka untuk bola untuk melihat tegangan 4,5 volt, periode siklus harus relatif pendek untuk waktu respon beban untuk perubahan di negara saklar. Untuk mencapai efek yang diinginkan dari sebuah dimmer (tapi selalu menyala) lampu, maka perlu untuk meningkatkan frekuensi modulasi. Hal yang sama berlaku dalam aplikasi lain PWM. Frekuensi modulasi yang umum berkisar dari 1 kHz sampai 200 kHz.

 

PWM controller

Banyak mikrokontroler termasuk on-chip pengendali PWM. Sebagai contoh, Microchip 'S PIC16C67 mencakup dua, masing-masing memiliki dipilih tepat waktu dan periode. Siklus adalah rasio dari waktu-ke periode; frekuensi modulasi adalah invers dari periode. Untuk memulai PWM operasi, lembar data menunjukkan perangkat lunak harus:

-         Mengatur periode di counter on-chip timer / yang memberikan modulasi gelombang persegi

-         Mengatur waktu-di kontrol PWM mendaftar

-         Mengatur arah output PWM, yang merupakan salah satu tujuan umum I / O pin

-         Mulai timer

-         Aktifkan PWM controller

Meskipun khusus PWM pengendali lakukan bervariasi dalam rincian program mereka, ide dasar umumnya sama.

Komunikasi dan Kontrol

Salah satu keuntungan dari PWM adalah bahwa sinyal digital semua tetap jalan dari prosesor ke sistem dikendalikan, tidak ada konversi digital-ke-analog diperlukan. Dengan menjaga sinyal digital, efek kebisingan adalah diminimalkan. Kebisingan hanya dapat mempengaruhi sinyal digital jika cukup kuat untuk mengubah logika-1 ke logika-0, atau sebaliknya.

Peningkatan kebisingan imunitas belum manfaat lain memilih alih kontrol PWM analog, dan merupakan alasan utama PWM kadang-kadang digunakan untuk komunikasi. Beralih dari sinyal analog ke PWM dapat meningkatkan panjang saluran komunikasi secara dramatis.Pada akhir penerimaan, cocok RC (resistor-kapasitor) atau LC (induktor-kapasitor) jaringan dapat menghapus modulasi frekuensi gelombang persegi yang tinggi dan kembali sinyal ke bentuk analog.

PWM menemukan aplikasi dalam berbagai sistem. Sebagai contoh konkret, mempertimbangkan rem PWM dikendalikan. Sederhananya, rem adalah perangkat yang turun keras pada sesuatu klem. Dalam banyak rem, jumlah tekanan penjepitan (atau kekuasaan berhenti) dikontrol dengan sinyal input analog. Tegangan lebih atau arus yang diaplikasikan untuk rem, tekanan lebih rem akan mengerahkan.

Output dari PWM controller dapat terhubung ke switch antara pasokan dan rem. Untuk menghasilkan lebih banyak kekuatan berhenti, perangkat lunak hanya perlu meningkatkan siklus tugas dari output PWM. Jika jumlah tertentu tekanan pengereman yang diinginkan, pengukuran akan perlu diambil untuk menentukan hubungan matematika antara siklus dan tekanan. (Dan formula yang dihasilkan atau tabel lookup akan tweak untuk suhu operasi, memakai permukaan, dan sebagainya.)

Untuk mengatur tekanan rem, katakanlah, 100 psi, perangkat lunak akan melakukan reverse lookup untuk menentukan siklus yang harus menghasilkan bahwa jumlah gaya. Ini kemudian akan mengatur siklus tugas PWM ke nilai baru dan rem akan merespons sesuai. Jika sensor tersedia dalam sistem, siklus dapat men-tweak, di bawah kendali loop tertutup , sampai tekanan yang diinginkan justru tercapai.

PWM ekonomis, menghemat ruang, dan kekebalan kebisingan. Dan sekarang di dalam tas Anda trik. Jadi menggunakannya.