PWM控制原理和应用

一、​什么是PWM

PWM（Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、工控等方面。

二、PWM的频率

是指在1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。

三、PWM的周期

T=1/f，T是周期，f是频率。

如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有 50次PWM周期。

四、占空比

是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例，单位是% (0%-100%)

一个周期的长度，如下图所示。

其中，周期是一个脉冲信号的时间，1s内的周期T次数等于频率f，脉宽时间是指高电平时间。

上图中，脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比。

比方说，周期的时间是10ms，脉宽时间是8ms，那么占空比是8/10= 80%，这就是占空比为80%的脉冲信号。

PWM就是脉冲宽度调制，通过调节占空比就可以调节脉冲宽度。

五、PWM特点

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

六、PWM原理

以STM32单片机为例，其IO口只能输出高电平和低电平。

假设高电平为5V、低电平则为0V，那么要输出不同的模拟电压就要用到PWM。通过改变IO口输出的方波的占空比，从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。

电压是以一种脉冲序列被加到模拟负载上去的，接通时是高电平1，断开时是低电平0。接通时直流供电输出，断开时直流供电断开。通过对接通和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值5V的模拟电压。

比方说，占空比为50%那就是高电平时间一半，低电平时间一半。在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压。那么75%的占空比，得到的电压就是3.75V，如下图所示。

也就是说，在一定的频率下，通过不同的占空比即可得到不同大小的输出模拟电压，PWM就是通过这种原理实现数字模拟信号转换的。

七、PWM应用

1、LED呼吸灯

以经常使用的呼吸灯举例。一般人眼睛对于80Hz以上刷新频率则完全没有闪烁感，那么我们平时见到的LED灯，当它的频率大于50Hz的时候，人眼就会产生视觉暂留效果，基本就看不到闪烁了，而是误以为是一个常亮的LED灯。由于频率很高时看不到闪烁，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗。所以，在频率一定时，可以用不同占空比改变LED灯的亮度，使其达到一个呼吸灯的效果。

大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1KHz到200KHz之间。

八、PWM对电机转速的控制

调节占空比可以实现不同电压的输出，实现对电机转速的调节。

对于直流电机来讲，电机输出端引脚是高电平电机就可以转动，当输出端高电平时，电机会转动，但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速，以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了。

在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。

当然，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率 频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声。频率太高时，电机可能反应不过来，正常的电机频率在 6-16KHZ之间为好。

关于PWM的原理以及应用

脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

理论基础

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同冲量指窄脉冲的面积效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同波形基本相同含义：低频段非常接近，仅在高频段略有差异

模拟电路

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小;流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

数字控制

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

图1显示了三种不同的PWM信号。图1a是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10%的时间通，其余90%的时间断。图1b和图1c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。

图2是一个可以使用PWM进行驱动的简单电路。图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz。

大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

硬件控制器

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比;调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期在PWM控制寄存器中设置接通时间设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚启动定时器使能PWM控制器

虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同，但它们的基本思想通常是相同的。

通信与控制

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

PWM广泛应用在多种系统中。作为一个具体的例子，我们来考察一种用PWM控制的制动器。简单地说，制动器是紧夹住某种东西的一种装置。许多制动器使用模拟输入信号来控制夹紧压力(或制动功率)的大小。加在制动器上的电压或电流越大，制动器产生的压力就越大。

可以将PWM控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要产生更大的制动功率，只需通过软件加大PWM输出的占空比就可以了。如果要产生一个特定大小的制动压力，需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等)。

例如，假设要将制动器上的压力设定为100psi，软件将作一次反向查找，以确定产生这个大小的压力的占空比应该是多少。然后再将PWM占空比设置为这个新值，制动器就可以相应地进行响应了。如果系统中有一个传感器，则可以通过闭环控制来调节占空比，直到精确产生所需的压力。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

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