PWM脉冲宽度调制的原理及应用

PWM有着非常广泛的应用，比如直流电机的无极调速，开关电源、逆变器等等，个人认为，要充分理解或掌握模拟电路、且有所突破，很有必要吃透这三个知识点。

PWM

电感

纹波

PWM是一种技术手段，PWM波是在这种技术手段控制下的脉冲波，如果你不理解是把握不住PWM波的!

如图1所示，这种比喻很形象也很恰当，希望对学习的朋友有所帮助与启发。

图1：形象的比喻

PWM全称Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制(简称脉宽调制，通俗的讲就是调节脉冲的宽度)，是电子电力应用中非常重要的一种控制技术，在理解TA之前我们先来了解几个概念 。

理解PWM可以参考这些文章怎么把PWM信号转为模拟量浅析PWM控制电机转速的原理PWM原理及其应用

脉冲波的基本信息如图2所示：

图2：脉冲波的基本信息

脉冲周期T：单位是时间，比如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等;

脉冲频率f：单位是赫兹Hz、千赫兹kHz等，与脉冲周期成倒数关系，即f=1/T;

脉冲宽度W：简称脉宽，是脉冲高电平持续的时间，单位是时间，比如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等;

占空比D：脉宽除以脉冲周期得到的值，百分数表示，比如50%，也常有小数或分数表示的，比如0.5或1/2。

以上之间的关系如图3所列的公式：

图3：公式

工程应用中的PWM波是幅值、周期(或频率)不变，脉宽(或占空比)可调的脉冲波，接下来我们来认清该PWM波到底是什么，TA隐藏着什么思想?

当我们想要控制一个直流电机的转速，我们可以通过改变其两端电压即可，但是该种方法有很大的局限性，可调直流电源构造复杂、成本高昂，应用起来很不现实。

所以我们采用另外的控制方式：电压源→驱动器→直流电机，电压源提供直流电压，不同的驱动器控制不同的直流电机，应用非常灵活，其中驱动器对电机的调速控制就是利用PWM:STM32通过PWM控制电机速度。

可调直流电源控制与PWM控制都是能调速的，那么它们有什么相同之处呢?

如图4—图7，电机为某相同转速时，红色代表驱动器输出幅值不变的PWM波，蓝色代表可调直流电源输出的电压，两者都是直接作用到负载。

图4

图5

图6

图7

由以上得知：

当PWM波的占空比越大时，所对应的直流电压与PWM波的幅值越接近;反之与0V越接近。

周期的红色PWM波脉宽下的矩形面积之和与蓝色直流电压的面积相等，即伏秒积相等：

U红(幅值) × ton = U蓝 × T

两端同时除以T，得到如下关系式：

U红(幅值) × 占空比 = U蓝

例如当PWM波的幅值为24V，占空比为50%时，与直流电压12V作用到电机上所产生的效果是一模一样的，即速度相同，即24V×50%=12V。

另外，既然满足这个关系，那PWM波的频率是不是可以随意了，答案当然不是，频率太低会导致电机运转不畅，振动大，噪音大;频率太高会导致驱动器开关损耗较大，甚至有电机会啸叫而不转的情况。

一般1k~30k的PWM频率较为普遍，几百Hz的也有，实际上还是根据电机功率在测试时确定合适的PWM频率范围为宜。

如图8为实物测试，脉宽在变化，周期不变的PWM波，所加负载如图9所示。

图8：扭动旋钮控制脉宽变化

如图9为实物测试，有刷直流电机的PWM无极调速，其中LED是并联在电机输入端的，其亮度反映电机速度的变化。

图9：PWM控制电机调速

要点：

PWM波其实就是一种脉宽可连续调节的矩形脉冲波;

占空比其实就是描述脉宽与脉冲周期的比值，是量化值，便于分析研究，当我们用占空比来表达时，对脉宽就不那么关心了;

占空比调节就是脉宽调节，表达不一样，但本质是一样的;

PWM波满足伏秒积计算：U红(幅值) × 占空比 = U蓝，作用效果与直流电压一样。

原文标题：听我一句劝，PWM波你把握不住

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审核编辑：汤梓红