PWM（脈寬調(diào)制）理論原理淺析：

PWM概念及特點(diǎn)

PWM基本原理

PWM單向電機(jī)控制原理

PWM概念

PWM（Pulse Width Modulation）

PWM是“脈寬調(diào)制”的意思，脈寬顧名思義就是脈沖的寬度，即圖中時(shí)間 t，“脈寬調(diào)制”理所當(dāng)然就是改變 t 的大小了。當(dāng)人們?cè)诟淖?t 的大小時(shí)，一次所能改變的最小值 Δtmin 稱為PWM的分辨率。

基本概念有：占空比、分辨率；

占空比：就是輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比，如一個(gè)PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1：5。

分辨率：也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255（單斜率），16位的的PWM理論就是1：65535（單斜率）。假設(shè)我們規(guī)定：當(dāng)t＝0時(shí)我們稱占空比為0％，t＝T時(shí)我們稱占空比為100％，那么8位即為把100％的占空比分為256（2的8次方）個(gè)檔位，16位即為將其分為65536個(gè)檔位，這樣當(dāng)“位”越大，則其分辨率就越高，那么在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)就越接近“無級(jí)調(diào)速”

PWM控制是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。

PWM特點(diǎn)

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)�PWM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

PWM控制原理

我們先來看三組不同的脈沖信號(hào)，如圖所示。

這是一個(gè)周期是 10ms，即頻率是 100Hz 的波形，但是每個(gè)周期內(nèi)，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是 PWM 的本質(zhì)。第一部分波形的占空比是 40％，第二部分波形占空比是 60％，第三部分波形占空比是 80％，這就是 PWM 的解釋。

那為何它能對(duì)模擬電路進(jìn)行控制呢？大家想一想，我們數(shù)字電路里，只有 0 和 1 兩種狀態(tài)，點(diǎn)亮 LED 小燈那個(gè)程序，當(dāng)我們寫一個(gè) LED ＝ 0；小燈就會(huì)長(zhǎng)亮，當(dāng)我們寫一個(gè) LED ＝ 1；小燈就會(huì)滅掉。當(dāng)我們讓小燈亮和滅間隔運(yùn)行的時(shí)候，小燈是閃爍。

如果我們把這個(gè)間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，也就是 100Hz 以上的頻率，這個(gè)時(shí)候小燈表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒有LED ＝ 0；時(shí)的亮度高。那我們不斷改變時(shí)間參數(shù)，讓 LED ＝ 0；的時(shí)間大于或者小于 LED ＝ 1；的時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺了，不再是純粹的 0 和 1，還有亮度不斷變化。大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果我們用 100Hz 的信號(hào)，如圖 10－1 所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點(diǎn)亮小燈的話，第一部分波形熄滅 4ms，點(diǎn)亮 6ms，亮度最高，第二部分熄滅 6ms，點(diǎn)亮 4ms，亮度次之，第三部分熄滅 8ms，點(diǎn)亮 2ms，亮度最低。

應(yīng)用：（LED燈）：

上圖是一個(gè)可以使用PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單電路。圖中使用9V電池來給一個(gè)白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關(guān)閉合50ms，燈泡在這段時(shí)間中將得到9V供電。如果在下一個(gè)50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內(nèi)將此過程重復(fù)10次，燈泡將會(huì)點(diǎn)亮并象連接到了一個(gè)4．5V電池（9V的50％）上一樣。這種情況下，占空比為50％，調(diào)制頻率為10Hz。

大多數(shù)負(fù)載（無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載）需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開……。占空比仍然是50％，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點(diǎn)亮，在下一個(gè)5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4．5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對(duì)開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈（但保持點(diǎn)亮）的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場(chǎng)合也有同樣的要求。通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

直流電機(jī)PWM調(diào)速方法

直流電機(jī)PWM調(diào)速控制原理圖和輸入輸出電壓波形如上圖所示。當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us。

t1秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑�開關(guān)管截止，電機(jī)電樞兩端電壓為0。

t2秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)重新變?yōu)楦唠娖�，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。對(duì)應(yīng)輸入電平的高低，直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖b所示。電機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U0位：

式中D位占空比，D＝t1／T。

占空比D表示了再一個(gè)周期T里開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。D的變化范圍為0≤D≤1。當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值Uo取決于占空比D的大小，改變D值也就改變了電樞兩端電壓的平均值，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。

應(yīng)用：（電機(jī)控制方面）脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。