PWM原理

導(dǎo)讀：學(xué)過(guò)單片機(jī)的同學(xué)，對(duì)PWM應(yīng)該不陌生，一般學(xué)習(xí)單片機(jī)的第二個(gè)例程就是用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制LED亮度。然而PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，正是有賴于其在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。因此本文主要介紹PWM原理，對(duì)電力電子感興趣的同學(xué)關(guān)注一下吧。。。

1. PWM原理—簡(jiǎn)介

脈寬調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制，利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

PWM就是脈沖寬度調(diào)制，也就是占空比可變的脈沖波形。該技術(shù)以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

2. PWM原理—工作原理

脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。下圖所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為T(mén)s的鋸齒波發(fā)生器組成。語(yǔ)音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。

通過(guò)圖b的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時(shí)刻t k時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)幅度值。因而，采樣值之間的時(shí)間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個(gè)采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號(hào)，但是對(duì)于實(shí)際中tk-kTs< <的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個(gè)矩形脈沖可以表示為：

(1)

其中，x{t}是離散化的語(yǔ)音信號(hào);Ts是采樣周期; 是未調(diào)制寬度;m是調(diào)制指數(shù)。

然而，如果對(duì)矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t = k Ts處， 在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波xp(t)可以表示為：

(2)

其中， 。無(wú)需作頻譜分析，由式(2)可以看出脈沖寬度信號(hào)由語(yǔ)音信號(hào)x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)時(shí)，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過(guò)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。

3. PWM原理—專有名詞

1) 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(shuō)PWM的占空比就是1：5。

2) 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)。

3) 頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達(dá)到了1：65535，要達(dá)到這個(gè)分辨率，T/C就必須從0計(jì)數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計(jì)數(shù)從0計(jì)到80之后又從0開(kāi)始計(jì)到80.......，那么它的分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是說(shuō)PWM的輸出頻率高了。

4) 雙斜率 / 單斜率

假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后又從0計(jì)數(shù)到80....... 這個(gè)就是單斜率。假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后是從80計(jì)數(shù)到0....... 這個(gè)就是雙斜率。

可見(jiàn)，雙斜率的計(jì)數(shù)時(shí)間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80) =1：160，就是提高了一倍。

假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計(jì)數(shù)是80，我們?cè)僭O(shè)定一個(gè)比較值是10，那么T/C從0計(jì)數(shù)到10時(shí)(這時(shí)計(jì)數(shù)器還是一直往上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到設(shè)定值80)，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)你的設(shè)定，控制某個(gè)IO口在這個(gè)時(shí)候是輸出1還是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。

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