Controle de potência via PWM - ESP32

Controle de potência via PWM - ESP32 

A modulação por largura de pulso (PWM) é uma técnica amplamente utilizada em diversos meios, principalmente para controle de potência e velocidade. Neste tutorial, você aprenderá a configurar o PWM no ESP32 através do recurso LED PWM e fazer um LED "respirar" (fade) ou acender com metade do brilho.

[toc]

Pulse Width Modulation

Com o PWM, podemos controlar a tensão média em um componente, e por consequência a potência, como um LED, a velocidade de um motor DC ou até converter o sinal PWM criado (onda quadrada) para uma onda senoidal com a adição de alguns poucos itens.

As imagens (GIF) abaixo mostram o duty cycle variando, que altera a tensão média entregue ao componente. Em alguns casos como motores, também é preciso configurar corretamente a frequência de chaveamento e ter atenção ao nível de pico máximo aceito na alimentação, entretanto isso ficará de "lição de casa" para pesquisarem.

 

---

Mãos a obra - Variando o brilho do LED

Componentes necessários

• 1x - LED (Usaremos o LED Onboard).
• 1x - ESP32 (Usaremos o NodeMCU-32).

Código do projeto

void setup()
{
	pinMode(2, OUTPUT);//Definimos o pino 2 (LED) como saída.

	ledcAttachPin(2, 0);//Atribuimos o pino 2 ao canal 0.
	ledcSetup(0, 1000, 10);//Atribuimos ao canal 0 a frequencia de 1000Hz com resolucao de 10bits.
	
}

void loop()
{
	for (int i = 0; i < 1024; i++)
	{
		ledcWrite(0, i);//Escrevemos no canal 0, o duty cycle "i".
		delay(2);
	}

	for (int i = 1023; i > 0; i--)
	{
		ledcWrite(0, i);
		delay(2);
	}
}

Colocando para funcionar

O código fará um "fade" no LED, dando a sensação de "respiração", aumentando e diminuindo o brilho gradativamente.

---

Entendendo a fundo

Software

-Função ledcAttachPin()

ledcAttachPin(PINO, CANAL);

Esta função apenas atribui um pino a um canal. Podemos escolher qualquer pino a qualquer canal, este vai de 0 a 15, totalizando 16 canais.

Cada canal é independente do outro, mas você também pode atribuir vários pinos a um mesmo canal.

Pino: Qualquer.

Canal: 0 - 15.

-Função ledcSetup()

ledcSetup(CANAL, FREQUENCIA, RESOLUCAO);

Esta função configura um canal para trabalhar a uma determinada frequência e resolução.

Canal: 0 - 15.

Frequência: 1 - 40MHz.

Resolução: 1 - 16 bits.

-Função ledcWrite()

ledcWrite(CANAL, DUTY CYCLE);

Esta função "escreve" o duty cycle ao canal. Lembramos que o valor colocado no parâmetro duty cycle não é em porcentagem e sim em decimal.

Exemplo: para um duty cycle de 50% com 10bits (2^10 = 1024) de resolução, devemos escrever 512.

Canal: 0 - 15.

Duty cycle: 0 - 100% (em decimal).

---

Indo além com PWM 

Tensão média

Podemos calcular a tensão média (V) entregue ao componente através de uma simples conta que relaciona o sinal HIGH com o duty cycle.

Sinal HIGH do ESP32 (Vcc): ~3.3V.

Duty cycle: 32%.

Ao efetuar a conta de 3.3*0.32, chegamos a conclusão que a tensão média (Vm) entregue será de 1.056V!

Vamos testar este código e verificar as tensões com um multímetro.

void setup()
{
	pinMode(23, OUTPUT);//Definimos o pino 23 como saída.
	pinMode(22, OUTPUT);//Definimos o pino 22 como saída.
	pinMode(21, OUTPUT);//Definimos o pino 21 como saída.
	pinMode(19, OUTPUT);//Definimos o pino 19 como saída.

	ledcAttachPin(23, 0);//Atribuimos o pino 23 ao canal 0.
	ledcSetup(0, 1000, 10);//Atribuimos ao canal 0 a frequencia de 1000Hz com resolucao de 10bits.
	ledcWrite(0, 256);//Escrevemos um duty cycle de 25% no canal 0.

	ledcAttachPin(22, 1);//Atribuimos o pino 22 ao canal 1.
	ledcSetup(1, 1000, 10);//Atribuimos ao canal 1 a frequencia de 1000Hz com resolucao de 10bits.
	ledcWrite(1, 512);//Escrevemos um duty cycle de 50% no canal 1.

	ledcAttachPin(21, 2);//Atribuimos o pino 21 ao canal 2.
	ledcSetup(2, 1000, 10);//Atribuimos ao canal 2 a frequencia de 1000Hz com resolucao de 10bits.
	ledcWrite(2, 768);//Escrevemos um duty cycle de 75% no canal 2.

	ledcAttachPin(19, 3);//Atribuimos o pino 19 ao canal 3.
	ledcSetup(3, 1000, 10);//Atribuimos ao canal 3 a frequencia de 1000Hz com resolucao de 10bits.
	ledcWrite(3, 1023);//Escrevemos um duty cycle de 100% no canal 3.
}

void loop()
{

}

Testando este código e verificando o pino respectivo com um multímetro, podemos perceber que as contas são iguais ou próximas. Lembrando que o próprio multímetro tem sua faixa de precisão (erro), que neste caso é (+-0.5% + 3D com 1mV de resolução).

Todos os testes a seguir tem Vcc teórico de 3.3V, as imagens são as leituras do nosso multímetro.

Caso 1, 25% = 0.825V

Caso 2, 50% = 1.65V

Caso 3, 75% = 2.475V

Caso 4, 100% = 3.3V

Todos os valores lidos, mesmo estando próximos aos teóricos, há o erro do multímetro. Aplicando a formula de erro ao valor lido, todos os valores obtidos estão dentro da faixa tolerável de erro, ou seja, estão corretos!

Frequência X resolução

Um problema recorrente com alguns componentes é a frequência necessária de funcionamento. Motores por exemplo, é bastante usado entre 20kHz e 200kHz.

O recurso "LED PWM" do ESP32 é baseado em um clock de 80MHz, logo podemos fazer algumas contas básicas para se chegar a frequência máxima com a resolução escolhida.

Nos exemplos acima, foi usado uma frequência de 1kHz com 10bits de resolução, entretanto pode ser necessário o uso de uma frequência muito maior e a resolução é uma das barreiras para isso. Vamos fazer essa conta com os dados citados para chegar na frequência máxima (Fm).

A resolução deve ser em decimal e não "bits".

80MHz / 10bits

80000000 / 1024 = 78125Hz

A frequência máxima que conseguimos chegar com uma resolução de 10bits no ESP32 é de ~78kHz. Vamos testar!

Caso 1, 32kHz com 10bits

Caso 1.1, 80kHz com 10bits

Como feito nas contas, a frequência máxima realmente foi de ~78kHz para 10bits, mesmo atribuindo 80kHz no código. Agora vamos brincar com frequências mais altas deixando a resolução em 3bits e ver a frequência máxima.

80MHz / 3bits = Fm

80000000 / 8 = 10MHz

Caso 2, 2MHz com 3bits

Caso 2.1: 11MHz com 3bits

Novamente, as contas mostraram um máximo de 10MHz e mesmo atribuindo 11MHz, ficou limitado a 10MHz.

---

Considerações finais

O PWM é extremamente útil em diversos projetos, permitindo o controle de potência, velocidade, brilho e até inversores (DC-AC) através da modulação da tensão. Apesar de parecer simples apenas "inverter o estado do pino", com frequências um pouco mais altas, não é qualquer microcontrolador que aguenta se manter com uma frequência estável ou se quer chegar em frequências acima de 10MHz. O ESP32 com 1bit de resolução nos permite chegar a 40MHz, dando uma vasta gama de possibilidades em aplicações.

---

by José Morais