PWM原理

導讀：學過單片機的同學，對PWM應該不陌生，一般學習單片機的第二個例程就是用PWM技術調節占空比來控制LED亮度。然而PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，正是有賴于其在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。因此本文主要介紹PWM原理，對電力電子感興趣的同學關注一下吧。。。

1. PWM原理—簡介

　　脈寬調制(PWM，Pulse Width Modulation)是一種模擬控制方脈沖寬度調制，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

　　PWM就是脈沖寬度調制，也就是占空比可變的脈沖波形。該技術以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，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

　　脈沖寬度調制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。下圖所示為脈沖寬度調制系統的原理框圖和波形圖。該系統有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數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制的脈沖寬度調制波。

　　通過圖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刻t k時的語音信號幅度值。因而，采樣值之間的時間間隔是非均勻的。在系統的輸入端插入一個采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號，但是對于實際中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個矩形脈沖可以表示為：

        (1)

　　其中，x{t}是離散化的語音信號;Ts是采樣周期; 是未調制寬度;m是調制指數。

　　然而，如果對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，則脈沖寬度調制波xp(t)可以表示為：

(2)

　　其中， 。無需作頻譜分析，由式(2)可以看出脈沖寬度信號由語音信號x(t)加上一個直流成分以及相位調制波構成。當時，相位調制部分引起的信號交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調制波可以直接通過低通濾波器進行解調。

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。

　　2) 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)。

　　3) 頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達到了1：65535，要達到這個分辨率，T/C就必須從0計數到65535才能達到，如果計數從0計到80之后又從0開始計到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PWM的輸出頻率高了。

　　4) 雙斜率 / 單斜率

　　假設一個PWM從0計數到80，之后又從0計數到80....... 這個就是單斜率。假設一個PWM從0計數到80，之后是從80計數到0....... 這個就是雙斜率。

　　可見，雙斜率的計數時間多了一倍，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PWM是單斜率，設定最高計數是80，我們再設定一個比較值是10，那么T/C從0計數到10時(這時計數器還是一直往上計數，直到計數到設定值80)，單片機就會根據你的設定，控制某個IO口在這個時候是輸出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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