PWM（脈寬調制）理論原理淺析：

PWM概念及特點

PWM基本原理

PWM單向電機控制原理

PWM概念

PWM（Pulse Width Modulation）

PWM是“脈寬調制”的意思，脈寬顧名思義就是脈沖的寬度，即圖中時間 t，“脈寬調制”理所當然就是改變 t 的大小了。當人們在改變 t 的大小時，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，高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間之比，如一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是200us，那么低電平的時間肯定是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）。假設我們規(guī)定：當t＝0時我們稱占空比為0％，t＝T時我們稱占空比為100％，那么8位即為把100％的占空比分為256（2的8次方）個檔位，16位即為將其分為65536個檔位，這樣當“位”越大，則其分辨率就越高，那么在進行脈寬調制時就越接近“無級調速”

PWM控制是脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。

PWM特點

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

PWM控制原理

我們先來看三組不同的脈沖信號，如圖所示。

這是一個周期是 10ms，即頻率是 100Hz 的波形，但是每個周期內，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是 PWM 的本質。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。

那為何它能對模擬電路進行控制呢？大家想一想，我們數(shù)字電路里，只有 0 和 1 兩種狀態(tài)，點亮 LED 小燈那個程序，當我們寫一個 LED ＝ 0；小燈就會長亮，當我們寫一個 LED ＝ 1；小燈就會滅掉。當我們讓小燈亮和滅間隔運行的時候，小燈是閃爍。

如果我們把這個間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，也就是 100Hz 以上的頻率，這個時候小燈表現(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；時的亮度高。那我們不斷改變時間參數(shù)，讓 LED ＝ 0；的時間大于或者小于 LED ＝ 1；的時間，會發(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。大家會發(fā)現(xiàn)，如果我們用 100Hz 的信號，如圖 10－1 所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點亮小燈的話，第一部分波形熄滅 4ms，點亮 6ms，亮度最高，第二部分熄滅 6ms，點亮 4ms，亮度次之，第三部分熄滅 8ms，點亮 2ms，亮度最低。

應用：（LED燈）：

上圖是一個可以使用PWM進行驅動的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關閉合50ms，燈泡在這段時間中將得到9V供電。如果在下一個50ms中將開關斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內將此過程重復10次，燈泡將會點亮并象連接到了一個4．5V電池（9V的50％）上一樣。這種情況下，占空比為50％，調制頻率為10Hz。

大多數(shù)負載（無論是電感性負載還是電容性負載）需要的調制頻率高于10Hz。設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秒鐘內將點亮，在下一個5秒鐘內將熄滅。要讓燈泡取得4．5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負載對開關狀態(tài)變化的響應時間相比必須足夠短。要想取得調光燈（但保持點亮）的效果，必須提高調制頻率。在其他PWM應用場合也有同樣的要求。通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。

直流電機PWM調速方法

直流電機PWM調速控制原理圖和輸入輸出電壓波形如上圖所示。當開關管的驅動信號為高電平時，開關管導通，直流電機電樞繞組兩端有電壓Us。

t1秒后，驅動信號變?yōu)榈碗娖剑�開關管截止，電機電樞兩端電壓為0。

t2秒后，驅動信號重新變?yōu)楦唠娖�，開關管的動作重復前面的過程。對應輸入電平的高低，直流電機電樞繞組兩端的電壓波形如圖b所示。電機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表示了再一個周期T里開關管導通的時間與周期的比值。D的變化范圍為0≤D≤1。當電源電壓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，從而達到控制電機轉速的目的，即實現(xiàn)PWM調速。

應用：（電機控制方面）脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關穩(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保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。