关于PWM的原理以及应用

关于 PWM 的原理以及应用 2016 03 22 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