第一届21ic社区DIY开源活动----图解 10位硬件PWM模块的软件设计

发表于 2011-8-22 12:04

一、前言：
《第一届21ic社区DIY开源活动----两轮平衡车+智能小车DIY》，在火爆进行着，小盆友们在硬件PWM模块的设计中，普遍卡了壳，曲线求国改用软件模拟法，尽管方法简单，实现容易，但是存在控制精度较差，驱动波型相位不稳定等先天性缺陷，暴殄天物，放着中颖SH88F2051/4051的硬件PWM不用。

应highgear老师之要求，力图将《第一届21ic社区DIY开源活动----两轮平衡车+智能小车DIY》的每个关键细节讲解清楚，作为匠人的粉丝，也理应有义务有责任引导大家一起解决这一不是难题的简单事儿。顺便也想紧跟菜农，学习匠人，争做“文学青年”，呵呵~~~

发表于 2011-8-22 12:04

说起PWM, 网上随便抓一把网友，基本上都可以吹的头头是道，确实，PWM实现原理简单，但要要把PWM真正地运用起来，入门的少的可怜，懂行的更少，大多数是乱抄糊乱用，能动就OK！

作为一门学科，PWM不是一个独立的事件，必须和恰当的硬件相匹配，配给合适的控制软件，才能体现出其优良的控制特性，本文因篇幅所限，仅针对《第一届21ic社区DIY开源活动----两轮平衡车+智能小车DIY》内用到的一点常识，加以简单分析，以便引导小盆友们，设计出符合《两轮平衡车+智能小车DIY》要求的PWM驱动器。

发表于 2011-8-22 12:14

直播吗？
先顶一个

发表于 2011-8-22 12:29

给个 PWM的裸照呀~~~

登录 · 发表于 2011-8-22 19:48

匠人言：“一个电机老是带不动，要用手拨动一下才转，换电机也不行。后来用示波器看波形。发现波形很诡异。莫非又是妖怪？呵呵。
针对上述的妖怪。把频率从4K进一步降低到2K。妖怪被秒杀。”

匠人实拍的用L293驱动直流电机的实测电压波型照片，如下图所示：

原因解释：
当驱动频率太高时，在PWM打开时，由于高电平存在时间太短，引起导通时间不够，驱动电流无法一下子给电机内部电感线圈喂饱，此时的电机两端工作电压还没有上升到正常状态，紧接着PWM关闭，还没喂饱的电机内部电感线圈，开始将电感线圈内部的磁场能转化为电能逐步释放出来。此时如从示波器观察直流电机两端电压波型，就会出现匠人所言：“很诡异的妖怪波型”，呵呵。

发表于 2011-8-22 20:00

匠人言：“一个电机老是带不动，要用手拨动一下才转，换电机也不行。后来用示波器看波形。发现波形很诡异。莫非又是妖怪？呵呵。
针对上述的妖怪。把频率从4K进一步降低到2K。妖怪被秒杀。”

注：妖怪被秒杀后，扭力大增。妖怪没被秒杀前，芯片输出没力...

老X反驳道：“——不对吧？老x早前做过这方面的实验，用的L298，同样老的芯片，用的50kHz没一点问题”

----------------------------------------------------------------------------------

因果原因分析：

匠人的试验结果完全正确，老X的结论也完全正确，L293和L298这两块芯片，除最大驱动电流相差一些，其他功能类同，因此，如驱动同一电机，由于L298驱动电流大一些，可缩短一些充电时间，但不会相差 50kHz/2KHz , 几十倍之差。

原因可能是下面的几个原因之一。

1. 两人描述的概念不同, 如匠人指的 PWM频率 = 512KHz / 256 = 2KHz ，而老X直接指PWM时钟频率50kHz没一点问题，上述匠人的PWM时钟频率为512KHz。

2. 两人所接电机型号不同, 如匠人接的小直流电机电感量较大，属小电流驱动型，老X接的直流电机电感量较小，属大电流驱动型。

3. 两人所接电机类型不同, 如匠人接小直流电机，老X接步进电机。由于这是两种不同性质的电机，步进电机驱动调制频率高到100KHz也能正常工作，不能类比。

4. 两人所接负载不同, 如匠人接的小直流电机负载，老X接的电阻性负载。

发表于 2011-8-22 20:58

那么PWM最高驱动频率由哪些因素决定呢，最主要由电机的类型（如直流电机的线圈电感量、转速等），其次由驱动芯片的特性（如最高工作频率、输出电流工作电压等），这两者都定型了，最高驱动频率还取决于PWM的精度（位数）。

为什么当电机的型号和驱动芯片都定型了，最高驱动频率还要取决于PWM的精度（位数）呢？
请看：
有玩过智能小车或两轮平衡车的盆友介绍，其驱动电机的PWM频率，不能大于100Hz, 否则驱动功率不足，输出扭力下降。
更有网友介绍，驱动电机的PWM频率，不能大于30Hz, 最多取25Hz, 否则输出扭力极剧下降！

俺认为，上面两位网友表达了相同一个意思，一个结论，外购的电机性能都差不多，电机驱动都用L298, 前面一位盆友估计用10位精度的PWM驱动，后面一位盆友估计用12位精度的PWM驱动。前面一位用10位精度的PWM驱动，最高工作频率100Hz, 折合PWM驱动脉冲频率 = 100Hz X 2^10 = 100Hz X 1024 = 102.4KHz。后面一位用12位精度的PWM驱动，最高工作频率25Hz, 折合PWM驱动脉冲频率 = 25Hz X 2^12 = 25Hz X 4096 = 102.4KHz，两位盆友的实际最高PWM驱动脉冲频率完全相同！

发表于 2011-8-22 21:00

经过以上分析可以得出结论，网上盆友驱动小车电机的PWM驱动脉冲频率，普遍为100KHz左右, 折合最小驱动脉宽约10us 。

匠人秒杀妖怪的PWM频率为2KHz, SH88F2051/4051为 8位PWM, 折合PWM驱动脉冲频率 = 2KHz X 2^8 = 2KHz X 256 = 512KHz，折合最小驱动脉宽约2us 。

比网上盆友推荐的100KHz高出 5倍，俺估计，在占空比比较小时，驱动扭力还是不足，最后被匠人放弃使用硬件PWM了，改用100Hz软件模拟PWM了。

发表于 2011-8-22 21:08

以上只是抄书捡菜的一点心得，很多内容拷贝匠人的大作，在此感谢~~~

灰常羡慕匠人，随便掏鼓一下，一大堆妙笔生辉的**诞生了，俺说了一在堆废话，想说的只有一句话：“由于电机线圈电感的存在，使得PWM实际驱动频率大幅降低，实用的最高PWM驱动脉冲频率在100KHz左右。”

感叹，肚子里墨水太少，想紧跟菜农，学习匠人，争做“文学青年”，实在太难了~~~

下面言归正传，写点程序，就容易多了，正如NE5532老师所言：“学写程序除了背点语句，掌握一些基本技巧外加做好规划之外，真的不需要啥东西，会说话就会写程序。”

先简单介绍一下，如何使用中颖SH88F2051/4051的8位硬件PWM，改造成10位硬件PWM，满足《自平衡车两轮小车DIY》的实际使用要求~~~

发表于 2011-8-22 21:49

看看8位硬件怎么抖动成10位的。

发表于 2011-8-22 21:50

抖不好就多出一截长高来。

发表于 2011-8-22 22:33

看看8位硬件怎么抖动成10位的。

抖不好就多出一截长高来。
linqing171 发表于 2011-8-22 21:49

谢谢LS盆友支持~~~

只要活学活用菜农的“非典”方法，老T叔的“野路子”之法宝，就可以很方便的将中颖8位硬件PWM扩展成任意位硬件PWM。

登录 · 发表于 2011-8-22 22:35

四、中颖SH88F2051/4051的8位硬件PWM简介

中颖SH88F2051/4051内建一个8位PWM模块。PWM模块可以产生周期和占空比分别可以调整的脉宽调制波形。提供每个PWM周期溢出中断，并且输出极性可选择。在PWM输出时，可任意更改占空比至输出缓存，以便下一PWM输出周期装载，利于中颖SH88F2051/4051的这一特征，可以很方便的采用菜农的“非典”方法，老T叔的“野路子”之法宝，将8位硬件PWM扩展成任意位硬件PWM。

发表于 2011-8-22 22:36

本帖最后由 Cortex-M0 于 2011-8-23 08:10 编辑

五、中颖SH88F2051/4051的8位硬件PWM扩展成10位硬件PWM实现原理。

根据以上综合分析，可以得出结论，网上盆友驱动小车电机的PWM驱动脉冲频率，普遍为100KHz左右, 折合最小驱动脉宽约10us 。

小车使用中颖SH88F2051/4051片内高精度16.6MHz RC振荡器，由于考虑到网友们可能要用到比较复杂的数学运算，占时较多，因此不考虑主频分频便用，而PWM时钟源选择有4挡，依次为系统频率/2，系统频率/4，系统频率/8，系统频率/16，分频后，PWM时钟源依次为 8.3MHz, 4.15MHz, 2.075MHz, 1.0375MHz, 输出PWM频率依次为 8.3MHz/256 = 32.42KHz, 4.15MHz/256 = 16.21KHz, 2.075MHz/256 = 8.1KHz, 1.0375MHz/256 = 4.05KHz。我们取最低输出PWM频率4.05KHz，假如我们能做到，在40个PWM频率周期中，输出一个完整的10位PWM数据，则相当于实际PWM频率周期为 4.05KHz/40 = 101.25Hz，满足实际小车所需的PWM输出频率, 折合最小驱动脉宽约10us 。

发表于 2011-8-22 23:03

写得好，支持加COOL! :victory:

mark!

发表于 2011-8-23 08:31

mark,学习

发表于 2011-8-23 08:40

学习一下

发表于 2011-8-23 10:33

ding

发表于 2011-8-23 10:33

。。。。

登录 · 发表于 2011-8-23 10:50

思路有了，接下去就可编程了，假如我们将一个10位PWM的两进制数值，均分在这40次PWM输出中，即每一次输出扣除 1024/40 = 25.6 个数，取整后，得到每次扣除 26个数。

即每次PWM输出前，比较10位PWM之数值，大于等于26时，PWM输出一个完整的0xff高电平周期, 其PWM之数值减26，作为下次PWM值之用，依次循环输出PWM，直至PWM值小于26, 将PWM乘10, 输出之，之后的PWM输出以0增充，直到40个PWM输出周期结束，进入新一轮，重新进入循环40个PWM输出周期。

SH88F2051/4051的PWMP设置为0xff, 即256个PWM脉冲频率周期输出一个完整的8位PWM波，依次循环40次，输出一个完整的10位PWM波。

假设要输出的 10位 PWM值 PWM_10bit = 123; 每次当前 PWM值如大于或等于 26, 则减 26, 如小于26, 则将数值乘10后直接输出, 之后以0输出填充。

相减之后的数据依次为： 123-26=97（输出0xff）, 97-26=71（输出0xff）, 71-26=45（输出0xff）, 45-26=19（输出0xff）, 19X10=190（输出190）。

模拟输出图：

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