PWM frekvencia útmutató

1 · Mi a PWM és miért számít?

A PWM (Pulse Width Modulation — impulzusszélesség-moduláció) az a jelforma, amellyel a vezérlő a lézermodul teljesítményét szabályozza. A vezérlő folyamatosan kapcsolgatja a jelet be/ki egy adott frekvencián — a lézer átlagteljesítménye a BE-állapot idejének arányától függ. Ezt az arányt nevezzük duty cycle-nek (kitöltési tényező).

Átlagteljesítmény = P_max × duty_cycle [%] / 100
Példa: P_max=10W, duty=60% → átlagteljesítmény = 6W

A gravírozás minőségét közvetlenül befolyásolja, hogy a PWM jel milyen gyorsan tud reagálni. Ha a frekvencia alacsony — a lézer képtelen egyes pixeleket pontosan kiejezni, mert a jel még az előző állapoton van, mire a sor következő képpontjához ér.

A PWM frekvencia meghatározza, hogy a lézer milyen sűrűn tud „váltani". Ha ez a frekvencia alacsonyabb, mint amire a sebesség és a DPI beállítás igényt tart, a gravírozás elmosódott lesz, és az egyes pixelek összefolynak.

2 · Carrier frekvencia vs. képi moduláció — a legfontosabb különbség

Két teljesen különböző frekvenciáról van szó, és a kettő összekeverése a legtöbb félreértés forrása.

PWM Carrier frekvencia

Az a frekvencia, amellyel a firmware a PWM jelet generálja. Ez a hardver timer frekvenciája. Erre vonatkoznak a platform-specifikációk (1 kHz, 10 kHz, 50 kHz stb.).

Ezt konfigurálja a firmware. Rögzített értéken fut, nem képfüggő.

Képi moduláció frekvenciája (f_img)

Az a frekvencia, amellyel a gép pixelről pixelre vált a gravírozás során. Ez függ a mozgási sebességtől és a DPI beállítástól.

Ezt a feladat dönti el. Sebesség növelésével vagy DPI emeléssel nő.

Szabály: a carrier frekvenciának legalább 5-10× nagyobbnak kell lennie az f_img értékénél, hogy a PWM szignál pontosan kövesse a pixel-sorozatot.

3 · Rise/fall time — a fizikai korlát

A dióda lézermodul nem tud azonnal reagálni egy PWM jel állapotváltására. A felfutási (rise time) és lefutási (fall time) idő az az idő, ami alatt a lézer eléri a maximális, illetve a nullás teljesítményt egy jel élét követően.

Tipikus értékek: 5–20 µs
// A pontos érték a modul típusától, tápellátástól és hőmérséklettől függ.

Maximum hasznos frekvencia ≈ 1 / (2 × rise_time)
Példa: rise=10µs → f_max ≈ 50 kHz

Ha a carrier frekvencia meghaladja a rise/fall time által szabott korlátot, a lézer nem tud teljesen be- és ki-kapcsolni minden periódus alatt — a duty cycle elveszti a pontos jelentését.

Magas frekvencián a lézer „beragad" egy közepes teljesítményszintre. Ez leginkább 0% és 100% dutynál érzékelhető — a minimális teljesítmény nem nullázható, a maximális nem érhető el.

4 · TTL PWM vs. analóg moduláció

A két leggyakoribb vezérlési módszer alapvetően különbözik abban, hogy mit küld a firmware a modulnak.

TTL PWM

A vezérlő digitális jelet (0V / 5V) küld a modul TTL bemenetére. A modulon belüli vezérlőelektronika értelmezi a duty cycle-t és állítja a dióda áramát.

Előny: zajmentes, digitálisan vezérelt, nincs RC szűrő igény.

Korlát: a modul belső PWM feldolgozása meghatározza a maximális hasznos frekvenciát.

Analóg moduláció

A PWM jelből RC szűrővel egyenáramú feszültséget állítanak elő (0–5V), amelyet a modul analóg bemenetére küldenek.

Előny: tetszőleges PWM frekvenciánál is sima vezérlés.

Korlát: RC szűrő szükséges; a szűrő időállandója limitálja a váltási sebességet.

LaserBase ajánlás: TTL PWM a preferált módszer. A legtöbb modern dióda lézer modul (LaserTree, Sculpfun, xTool stb.) a TTL bemenetet tekinti fő vezérlési csatornának.

5 · Firmware architektúrák — GRBL vs. grblHAL

A lézer PWM kimenetet a firmware generálja. A két fő firmware vonal alapvetően eltérő PWM képességekkel bír.

GRBL 1.1

Az eredeti GRBL a timer alapú PWM generálást szoftveresen valósítja meg. Ez a megközelítés kb. ~1 kHz maximális PWM frekvenciát eredményez. Magasabb érték is beállítható, de ekkor a timer pontossága csökken.

~1 kHz felett a GRBL 1.1 PWM jele megbízhatatlan. Az AVR alapú (Arduino Nano, UNO) vezérlőkön ez kemény határ; ESP32 alapon szoftveresen elérhető ~5 kHz, de ez firmware-módosítást igényel.

grblHAL

A grblHAL a hardveres timer erőforrásokat közvetlen hozzáféréssel kezeli — a platform natív timer perifériáit használja. Eredmény: 5–50 kHz stabil PWM, platformtól függően.

grblHAL + megfelelő hardver (Teensy 4.1, STM32) esetén 50 kHz PWM is elérhető, stabil duty cycle-lel. Ez a 254 DPI és 36 000 mm/perces gravírozáshoz is elegendő.

6 · Platform összehasonlítás

Platform	Firmware	Max PWM freq.	Limitáló tényező	Értékelés
Arduino Nano / UNO `AVR ATmega328`	GRBL 1.1	~1 kHz	8-bites timer, szoftveres PWM	alap
ESP32 `Xtensa LX6, 240 MHz`	GRBL 1.1	~1 kHz	Firmware limit, nem hardver	korlátolt
ESP32 `Xtensa LX6, 240 MHz`	grblHAL	5–20 kHz	Hardveres LEDC timer	közepes
Teensy 4.1 `ARM Cortex-M7, 600 MHz`	grblHAL	5–50 kHz	Rise/fall time a limit	ajánlott
STM32F4xx `ARM Cortex-M4, 168 MHz`	grblHAL	5–50 kHz	Rise/fall time a limit	ajánlott

A Teensy 4.1 és az STM32 alapú rendszerek esetén a PWM frekvencia korlátja már nem a firmware — hanem a lézermodul rise/fall time karakterisztikája.

7 · Számítások: f_img és overscan

Képi moduláció frekvenciája

Adott sebesség és DPI esetén az a frekvencia, amellyel a gépnek pixelről pixelre kell váltania:

f_img [Hz] = (v [mm/perc] × DPI [dot/inch]) / 1524
// 1524 = 25.4 mm/inch × 60 s/perc

Példa: v=24 000 mm/perc, DPI=254
f_img = (24 000 × 254) / 1524 ≈ 4 000 Hz = 4 kHz

Példa: v=36 000 mm/perc, DPI=254
f_img = (36 000 × 254) / 1524 ≈ 6 000 Hz = 6 kHz

Overscan — a sor előtti és utáni átfutás

A gép nem tud azonnal megállni — a sor végén a sebesség nulláig csökken, majd a következő sor elejéig visszagyorsul. Ez az útvonal az overscan: a lézer ezen a szakaszon már ki van kapcsolva, de a mozgás folytatódik.

overscan [mm] = v² / (2 × a)
// v: sebesség [mm/s], a: gyorsulás [mm/s²]

Példa: v=400 mm/s (24 000 mm/perc), a=4 800 mm/s²
overscan = 400² / (2 × 4800) = 160 000 / 9600 ≈ 16.7 mm

Az overscan-t a LightBurn automatikusan kiszámolja és beállítja, ha az „Overscan" opció engedélyezve van. A gép munkaterülete ennyivel csökken minden oldalon, ahonnan a lézerfej elindul.

8 · Gyorsreferencia — szükséges PWM carrier frekvencia

Az alábbi táblázat azt mutatja, hogy különböző sebesség és DPI kombinációkhoz mekkora PWM carrier frekvencia szükséges. A táblázatban szereplő érték az f_img. Az 5–10×-es carrier/f_img arány az elméleti ideál — a dióda lézer modul rise/fall time-ja (~5–20 µs) részben kompenzálhatja az alacsonyabb arányt, de ez modulonként eltér és nem garantált.

DPI	500 mm/perc	1 000 mm/perc	2 000 mm/perc	4 000 mm/perc	8 000 mm/perc	16 000 mm/perc	24 000 mm/perc
100	33 Hz	66 Hz	131 Hz	262 Hz	524 Hz	1 048 Hz	1 573 Hz
200	66 Hz	131 Hz	262 Hz	524 Hz	1 049 Hz	2 097 Hz	3 146 Hz
254	83 Hz	167 Hz	333 Hz	667 Hz	1 334 Hz	2 667 Hz	4 000 Hz
300	98 Hz	197 Hz	394 Hz	787 Hz	1 575 Hz	3 150 Hz	4 724 Hz
500	164 Hz	328 Hz	656 Hz	1 312 Hz	2 625 Hz	5 249 Hz	7 874 Hz
750	246 Hz	492 Hz	984 Hz	1 969 Hz	3 937 Hz	7 874 Hz	11 811 Hz
1000	328 Hz	656 Hz	1 312 Hz	2 625 Hz	5 249 Hz	10 499 Hz	15 748 Hz

Zöld: GRBL 1.1 is elegendő · Sárga: grblHAL ajánlott · Piros: csak grblHAL + megfelelő platform (Teensy/STM32)

Emlékez: a carrier frekvenciának 5–10× kell lennie az f_img-nél. Pl. 4 000 Hz-es f_img-hez 20–40 kHz carrier szükséges stabil gravírozáshoz.

9 · Validált rendszer — tesztelési adatok

Az alábbi konfiguráció 50×70 cm-es dither gravírozáson lett tesztelve, stabilan és reprodukálhatóan.

Validált hardverkonfiguráció

LézermodulLaserTree 10W (TTL PWM bemenet)

VezérlőkártyaTeensy 4.1 (ARM Cortex-M7, 600 MHz)

FirmwaregrblHAL

Tápellátás24V

HajtásGT2 16T (100 step/mm)

Motorvezérlők3× TB6600

Vezető sínHGR20 lineáris sín

Stabil eredmény

Felbontás: 254 DPI

Sebesség: 24 000 mm/perc

PWM carrier: 6.5 kHz

Minden pixelváltás pontosan kivitelezhető.

Használható eredmény

Felbontás: 254 DPI

Sebesség: 36 000 mm/perc

PWM carrier: 6.5 kHz

f_img ≈ 6 kHz — carrier/f_img arány ~1.1×, de a dióda rise time pufferolja.

Következtetés: 254 DPI és 24 000 mm/perc az az pont, ahol a Teensy 4.1 + grblHAL + LaserTree kombináció megbízható, reprodukálható eredményt ad. 36 000 mm/perc felett a rise/fall time lesz a szűk keresztmetszet.

10 · TB6600 és léptetővezérlők korlátai

A TB6600 egy elterjedt, olcsó léptetőmotor-vezérlő modul. Nagy sebességű rendszereknél figyelni kell a STEP jel maximális frekvenciájára.

A TB6600 STEP bemenete ~200 kHz-ig megbízható. 100 step/mm és 36 000 mm/perc esetén: STEP frekvencia = 100 × 600 mm/s = 60 kHz — ez biztonságosan belül van. Csak rendkívüli sebességeknél (>120 000 mm/perc) lehet korlát.

A TB6600 nem az ideális léptetővezérlő lineáris sínes, nagy sebességű rendszerekhez — a belső lépésvesztési védelme korlátozza a dinamikus gyorsulást. TMC2226 vagy DM556 alapú vezérlők jobb eredményt adnak nagy gyorsulású rendszereknél.

Fontos: a TB6600 nem tud a lézer PWM jelére reagálni — a lézervezérlés és a motorvezérlés teljesen szeparált jelek. A PWM frekvencia probléma kizárólag a lézermodult érinti, a TB6600-at nem.

11 · Fogalomtár

PWM Pulse Width Modulation — impulzusszélesség-moduláció. Digitális jel, amelynek be/ki aránya (duty cycle) szabályozza az átlagteljesítményt.
duty cycle Kitöltési tényező: a PWM periódus azon százaléka, amelyben a jel magas szinten (BE) van. 0% = lézer ki, 100% = lézer maximális teljesítmény.
carrier frekvencia A PWM alapfrekvenciája — ennyi periódus van másodpercenként. A firmware hardveres timere generálja.
f_img Képi moduláció frekvenciája: az a sebesség, amellyel a gép pixelről pixelre vált. f_img = (v × DPI) / 1524
rise / fall time Felfutási és lefutási idő: a lézermodul azon időtartama, ami alatt teljes teljesítménytől nulláig (vagy fordítva) ér. Tipikusan 5–20 µs.
TTL Transistor-Transistor Logic: digitális jelszint-szabvány. A lézermodul TTL bemenete 0V/5V logikával fogadja a PWM vezérlőjelet.
grblHAL A GRBL firmware hardveres absztrakcióval bővített változata. Natív hardver-timer alapú PWM generálást tesz lehetővé, 5–50 kHz-ig.
overscan A lézerfej egy sor vége előtt ennyi mm-rel kapcsol ki, hogy a sor végére érve már nullás sebességre tudjon lassítani. overscan = v² / (2 × a)
DPI Dots Per Inch — pixelsűrűség. Meghatározza a vonalintervallumot (25.4 mm / DPI) és közvetve a szükséges PWM frekvenciát.
S-value A G-code-ban az S parancs a lézer erősségét adja meg. GRBL esetén S0–S1000 skálán (ahol $30 beállítástól függ a maximum).
TB6600 Elterjedt léptetőmotor-vezérlő modul, digitális STEP/DIR jellel vezérelhető. PWM szignálhoz nem kapcsolódik.
HGR20 Ipari lineáris vezető sínrendszer (20 mm nyom, görgős csúszkával). Közel nulla oldalirányú játékkal rendelkezik — nagy sebességű rendszerek alapja.
vonalintervallum Két egymás melletti gravírozási sor távolsága mm-ben. vonalintervallum = 25.4 / DPI
mikrolépés Microstepping: a léptetőmotor teljes lépésének felosztása kisebb egységekre a vezérlő által. Csökkenti a rezonanciát, növeli a step/mm értéket.