สวัสดีครับเพื่อนสมาชิก
กระทู้ ESP32 (EP.5) วันนี้จะขอเสนอการใช้งาน ESP32 ในงาน PWM .... PWM ย่อมาจาก Pulse Width Modulation มันคือการกำเนิดลูกคลื่นสี่เหลี่ยมในความถี่ต่าง ๆ และสามารถเปลี่ยนแปลงค่าของ % duty cycle ได้ การกำเนิด PWM แบบนี้มีประโยชน์หลายงานแล้วแต่งานที่เราต้องการจะทำครับ โดยหลักเลยก็คือการควบคุมความเร็วของมอเตอร์แบบ BLDC และยังสามารถใช้ในการควบคุมความสว่างของหลอดไฟขนาดเล็กอย่างเช่น LED ได้ด้วยการป้อน PWM เข้าไปใน LED ด้วย duty cycle ที่เปลี่ยนแปลงระหว่างช่วง 10 - 90% ซึ่งจะทำให้ LED สว่างน้อยถึงมาก
กระทู้เก่าทั้งหมด
🛑 EP.1 แนะนำเบื้องต้นให้รู้จัก ESP32
https://pantip.com/topic/44159372
🛑 EP.2 ใช้งาน ESP32 กับ web dashboard
https://pantip.com/topic/44161526
🛑 EP.3 ใช้งาน ESP32 กับ sensor ต่าง ๆ
https://pantip.com/topic/44163637
🛑 EP.4 ESP32 กับ dashboard + แจ้งเตือนผ่าน Line
https://pantip.com/topic/44165778
ก่อนอื่นมาดูลักษณะของรูปคลื่น PWM ก่อนว่าลักษณะของ duty cycle ว่ามันจะเป็นอย่างไร จากภาพนี้จะเห็นว่ารูปคลื่นสี่เหลี่ยมจะมีความกว้างช่วง ON และ OFF ใน 1 ช่วงคลื่น ถ้าช่วง ON มีค่าน้อยก็หมายความว่า % ของ duty cycle มีค่าต่ำ และหากช่วง ON กว้างและช่วง OFF แคบนิดเดียวก็คือรูปคลื่นนั้นมี % ของ duty cycle สูงครับ
ใน ESP32 จะมี hardware ที่ทำหน้าที่กำเนิด PWM โดยเฉพาะ นั่นก็หมายความว่าในการกำเนิด PWM จะไม่กินกำลัง CPU ของ ESP32 เลยเพราะมันเป็น dedicated hardware ซึ่งจะแบ่งเป็น 2 ส่วนก็คือ
🛑 LEDC (LED Controller) เป็นส่วนของ hardware ที่ออกแบบสำหรับใช้งานแบบ basic สามารถนำไปคุมความสว่างของ LED ก็ได้ หรือกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมเพื่อใช้งานอเนกประสงค์ใด ๆ ก็ได้โดยสามารถปรับ duty cycle ได้อย่างอิสระ อย่างในโปรเจคที่ผมจะสาธิตด้านล่างนี้สามารถกำเนิดได้กว้างมากถึง 5 Hz - 1 MHz และปรับ duty cycle ได้กว้างในช่วง 5 - 95% โดยทำงานผ่าน web dashboard
🛑 MCPWM (Motor Control Pulse Width Modulator) ส่วนนี้จะทำงานค่อนข้างซับซ้อนเนื่องจากออกแบบให้ควบคุมมอเตอร์แบบ 3 เฟส ดังนั้นจึงให้ output ได้ถึง 3 ชุดและมีขารองรับการป้อนกลับจากตัวมอเตอร์เพื่อสร้าง timing ที่แม่นยำ
ต่อไปจะว่าด้วยข้อจำกัดของในการกำเนิด PWM .... เนื่องจาก ESP32 ทำงานด้วยสัญญาณนาฬิกา clock ความถี่ 80 MHz จาก APB (Advanced Peripheral Bus) ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดอยู่เล็กน้อยในการกำเนิดที่ความถี่สูงระดับ 1 MHz หรือประมาณนี้ สิ่งที่ว่านี้ก็คือ Resolution ของ duty cycle
จาก clock 80 MHz ของ ESP32 เมื่อ LEDC ทำงานภายในตัวจะมี counter ภายใน หากเรากำหนดให้สร้างความถี่ 1 MHz ตัว counter ของ LEDC ก็จะสามารถนับได้เท่ากับ 80 ticks ซึ่งจำนวน 80 ticks ที่นับได้นี้ค่าของ resolution ก็จะมีค่าประมาณ 6 bit ตามสมการ log นี้
และหากเรากำเนิดที่ความถี่ต่ำกว่านี้อย่างเช่น 40 KHz ค่า resolution ก็จะประมาณ 10 bit
ค่า resolution ที่เป็นจำนวน bit นี้มันหมายความถึง step ของ duty cycle ที่สามารถทำได้ อย่างที่ความถี่ 1 MHz = resolution เท่ากับ 6 bit ดังนั้น steps ของค่า duty cycle ที่จะเปลี่ยนแปลงได้ก็จะ = 2
6 = 64 steps ก็คือ duty cycle 0 - 100% จะเริ่มต้นจาก (100/64) = 1.5625% → 3.125 → 4.6875 6.25 7.8125 9.375 .... 50 51.5625 ไปจนถึง 98.4375 %
และหากที่ความถี่ต่ำกว่านี้เช่น 40 KHz ค่า resolution ก็จะประมาณ 10 bit และหาความถี่ต่ำลงไปอีกก็จะสามารถปรับ step ของ duty cycle ได้อย่างละเอียดมากกว่านี้อีกแต่ก็สูงสุดก็คือ 16 bit ครับ 0.09765625 → 0.1953125 → 0.29296875 → 0.390625 .... ซึ่งละเอียดมาก
กระทู้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32 (EP.5) ESP32 กับงาน PWM
กระทู้ ESP32 (EP.5) วันนี้จะขอเสนอการใช้งาน ESP32 ในงาน PWM .... PWM ย่อมาจาก Pulse Width Modulation มันคือการกำเนิดลูกคลื่นสี่เหลี่ยมในความถี่ต่าง ๆ และสามารถเปลี่ยนแปลงค่าของ % duty cycle ได้ การกำเนิด PWM แบบนี้มีประโยชน์หลายงานแล้วแต่งานที่เราต้องการจะทำครับ โดยหลักเลยก็คือการควบคุมความเร็วของมอเตอร์แบบ BLDC และยังสามารถใช้ในการควบคุมความสว่างของหลอดไฟขนาดเล็กอย่างเช่น LED ได้ด้วยการป้อน PWM เข้าไปใน LED ด้วย duty cycle ที่เปลี่ยนแปลงระหว่างช่วง 10 - 90% ซึ่งจะทำให้ LED สว่างน้อยถึงมาก
กระทู้เก่าทั้งหมด
🛑 EP.1 แนะนำเบื้องต้นให้รู้จัก ESP32
https://pantip.com/topic/44159372
🛑 EP.2 ใช้งาน ESP32 กับ web dashboard
https://pantip.com/topic/44161526
🛑 EP.3 ใช้งาน ESP32 กับ sensor ต่าง ๆ
https://pantip.com/topic/44163637
🛑 EP.4 ESP32 กับ dashboard + แจ้งเตือนผ่าน Line
https://pantip.com/topic/44165778
ก่อนอื่นมาดูลักษณะของรูปคลื่น PWM ก่อนว่าลักษณะของ duty cycle ว่ามันจะเป็นอย่างไร จากภาพนี้จะเห็นว่ารูปคลื่นสี่เหลี่ยมจะมีความกว้างช่วง ON และ OFF ใน 1 ช่วงคลื่น ถ้าช่วง ON มีค่าน้อยก็หมายความว่า % ของ duty cycle มีค่าต่ำ และหากช่วง ON กว้างและช่วง OFF แคบนิดเดียวก็คือรูปคลื่นนั้นมี % ของ duty cycle สูงครับ
ใน ESP32 จะมี hardware ที่ทำหน้าที่กำเนิด PWM โดยเฉพาะ นั่นก็หมายความว่าในการกำเนิด PWM จะไม่กินกำลัง CPU ของ ESP32 เลยเพราะมันเป็น dedicated hardware ซึ่งจะแบ่งเป็น 2 ส่วนก็คือ
🛑 LEDC (LED Controller) เป็นส่วนของ hardware ที่ออกแบบสำหรับใช้งานแบบ basic สามารถนำไปคุมความสว่างของ LED ก็ได้ หรือกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมเพื่อใช้งานอเนกประสงค์ใด ๆ ก็ได้โดยสามารถปรับ duty cycle ได้อย่างอิสระ อย่างในโปรเจคที่ผมจะสาธิตด้านล่างนี้สามารถกำเนิดได้กว้างมากถึง 5 Hz - 1 MHz และปรับ duty cycle ได้กว้างในช่วง 5 - 95% โดยทำงานผ่าน web dashboard
🛑 MCPWM (Motor Control Pulse Width Modulator) ส่วนนี้จะทำงานค่อนข้างซับซ้อนเนื่องจากออกแบบให้ควบคุมมอเตอร์แบบ 3 เฟส ดังนั้นจึงให้ output ได้ถึง 3 ชุดและมีขารองรับการป้อนกลับจากตัวมอเตอร์เพื่อสร้าง timing ที่แม่นยำ
ต่อไปจะว่าด้วยข้อจำกัดของในการกำเนิด PWM .... เนื่องจาก ESP32 ทำงานด้วยสัญญาณนาฬิกา clock ความถี่ 80 MHz จาก APB (Advanced Peripheral Bus) ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดอยู่เล็กน้อยในการกำเนิดที่ความถี่สูงระดับ 1 MHz หรือประมาณนี้ สิ่งที่ว่านี้ก็คือ Resolution ของ duty cycle
จาก clock 80 MHz ของ ESP32 เมื่อ LEDC ทำงานภายในตัวจะมี counter ภายใน หากเรากำหนดให้สร้างความถี่ 1 MHz ตัว counter ของ LEDC ก็จะสามารถนับได้เท่ากับ 80 ticks ซึ่งจำนวน 80 ticks ที่นับได้นี้ค่าของ resolution ก็จะมีค่าประมาณ 6 bit ตามสมการ log นี้
และหากเรากำเนิดที่ความถี่ต่ำกว่านี้อย่างเช่น 40 KHz ค่า resolution ก็จะประมาณ 10 bit
ค่า resolution ที่เป็นจำนวน bit นี้มันหมายความถึง step ของ duty cycle ที่สามารถทำได้ อย่างที่ความถี่ 1 MHz = resolution เท่ากับ 6 bit ดังนั้น steps ของค่า duty cycle ที่จะเปลี่ยนแปลงได้ก็จะ = 26 = 64 steps ก็คือ duty cycle 0 - 100% จะเริ่มต้นจาก (100/64) = 1.5625% → 3.125 → 4.6875 6.25 7.8125 9.375 .... 50 51.5625 ไปจนถึง 98.4375 %
และหากที่ความถี่ต่ำกว่านี้เช่น 40 KHz ค่า resolution ก็จะประมาณ 10 bit และหาความถี่ต่ำลงไปอีกก็จะสามารถปรับ step ของ duty cycle ได้อย่างละเอียดมากกว่านี้อีกแต่ก็สูงสุดก็คือ 16 bit ครับ 0.09765625 → 0.1953125 → 0.29296875 → 0.390625 .... ซึ่งละเอียดมาก