从这三个知识点吃透PWM

PWM有非常广泛的应用，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 。

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）、微妙（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，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）、微妙（μs）、毫秒（ms）等；
• 占空比（D），脉宽除以脉冲周期的值 ，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？

如果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。

可调直流电源控制与PWM控制都能调速，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

有以上得知：

1. 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；
2. 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，其亮弱反映电机速度的变化。

图9：PWM控制电机调速

要点：

①PWM波其实就是一种脉宽可连续调节的矩形脉冲波；

②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；

③占空比调节就是脉宽调节，表达不一样，但本质是一样的；

④PWM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。