PWM脈沖寬度調(diào)制的原理及應(yīng)用

PWM有著非常廣泛的應(yīng)用，比如直流電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，開(kāi)關(guān)電源、逆變器等等，個(gè)人認(rèn)為，要充分理解或掌握模擬電路、且有所突破，很有必要吃透這三個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

PWM

電感

紋波

PWM是一種技術(shù)手段，PWM波是在這種技術(shù)手段控制下的脈沖波，如果你不理解是把握不住PWM波的!

如圖1所示，這種比喻很形象也很恰當(dāng)，希望對(duì)學(xué)習(xí)的朋友有所幫助與啟發(fā)。

圖1：形象的比喻

PWM全稱(chēng)Pulse Width Modulation：脈沖寬度調(diào)制(簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，通俗的講就是調(diào)節(jié)脈沖的寬度)，是電子電力應(yīng)用中非常重要的一種控制技術(shù)，在理解TA之前我們先來(lái)了解幾個(gè)概念 。

理解PWM可以參考這些文章怎么把PWM信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬量淺析PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理PWM原理及其應(yīng)用

脈沖波的基本信息如圖2所示：

圖2：脈沖波的基本信息

脈沖周期T：?jiǎn)挝皇菚r(shí)間，比如納秒ns、微秒μs、毫秒ms等;

脈沖頻率f：?jiǎn)挝皇呛掌滺z、千赫茲kHz等，與脈沖周期成倒數(shù)關(guān)系，即f=1/T;

脈沖寬度W：簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬，是脈沖高電平持續(xù)的時(shí)間，單位是時(shí)間，比如納秒ns、微秒μs、毫秒ms等;

占空比D：脈寬除以脈沖周期得到的值，百分?jǐn)?shù)表示，比如50%，也常有小數(shù)或分?jǐn)?shù)表示的，比如0.5或1/2。

以上之間的關(guān)系如圖3所列的公式：

圖3：公式

工程應(yīng)用中的PWM波是幅值、周期(或頻率)不變，脈寬(或占空比)可調(diào)的脈沖波，接下來(lái)我們來(lái)認(rèn)清該P(yáng)WM波到底是什么，TA隱藏著什么思想?

當(dāng)我們想要控制一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們可以通過(guò)改變其兩端電壓即可，但是該種方法有很大的局限性，可調(diào)直流電源構(gòu)造復(fù)雜、成本高昂，應(yīng)用起來(lái)很不現(xiàn)實(shí)。

所以我們采用另外的控制方式：電壓源→驅(qū)動(dòng)器→直流電機(jī)，電壓源提供直流電壓，不同的驅(qū)動(dòng)器控制不同的直流電機(jī)，應(yīng)用非常靈活，其中驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制就是利用PWM:STM32通過(guò)PWM控制電機(jī)速度。

可調(diào)直流電源控制與PWM控制都是能調(diào)速的，那么它們有什么相同之處呢?

如圖4—圖7，電機(jī)為某相同轉(zhuǎn)速時(shí)，紅色代表驅(qū)動(dòng)器輸出幅值不變的PWM波，藍(lán)色代表可調(diào)直流電源輸出的電壓，兩者都是直接作用到負(fù)載。

圖4

圖5

圖6

圖7

由以上得知：

當(dāng)PWM波的占空比越大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的直流電壓與PWM波的幅值越接近;反之與0V越接近。

周期的紅色PWM波脈寬下的矩形面積之和與藍(lán)色直流電壓的面積相等，即伏秒積相等：

U紅(幅值) × ton = U藍(lán) × T

兩端同時(shí)除以T，得到如下關(guān)系式：

U紅(幅值) × 占空比 = U藍(lán)

例如當(dāng)PWM波的幅值為24V，占空比為50%時(shí)，與直流電壓12V作用到電機(jī)上所產(chǎn)生的效果是一模一樣的，即速度相同，即24V×50%=12V。

另外，既然滿(mǎn)足這個(gè)關(guān)系，那PWM波的頻率是不是可以隨意了，答案當(dāng)然不是，頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，振動(dòng)大，噪音大;頻率太高會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗較大，甚至有電機(jī)會(huì)嘯叫而不轉(zhuǎn)的情況。

一般1k~30k的PWM頻率較為普遍，幾百Hz的也有，實(shí)際上還是根據(jù)電機(jī)功率在測(cè)試時(shí)確定合適的PWM頻率范圍為宜。

如圖8為實(shí)物測(cè)試，脈寬在變化，周期不變的PWM波，所加負(fù)載如圖9所示。

圖8：扭動(dòng)旋鈕控制脈寬變化

如圖9為實(shí)物測(cè)試，有刷直流電機(jī)的PWM無(wú)極調(diào)速，其中LED是并聯(lián)在電機(jī)輸入端的，其亮度反映電機(jī)速度的變化。

圖9：PWM控制電機(jī)調(diào)速

要點(diǎn)：

PWM波其實(shí)就是一種脈寬可連續(xù)調(diào)節(jié)的矩形脈沖波;

占空比其實(shí)就是描述脈寬與脈沖周期的比值，是量化值，便于分析研究，當(dāng)我們用占空比來(lái)表達(dá)時(shí)，對(duì)脈寬就不那么關(guān)心了;

占空比調(diào)節(jié)就是脈寬調(diào)節(jié)，表達(dá)不一樣，但本質(zhì)是一樣的;

PWM波滿(mǎn)足伏秒積計(jì)算：U紅(幅值) × 占空比 = U藍(lán)，作用效果與直流電壓一樣。

原文標(biāo)題：聽(tīng)我一句勸，PWM波你把握不住

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審核編輯：湯梓紅