脈沖寬度調(diào)制在電機(jī)控制、LED調(diào)光、電源管理的應(yīng)用

PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)是一種常見(jiàn)的電子控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，如電機(jī)控制、LED調(diào)光、電源管理等。

PWM的應(yīng)用可以說(shuō)非常廣泛，控制電機(jī)速度、燈光亮度、通信調(diào)制等眾多領(lǐng)域。PWM的問(wèn)題小伙伴問(wèn)的比較多，最近也在用PWM，這里就分享一下關(guān)于PWM的一些內(nèi)容。

什么是PWM?

PWM：Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制。網(wǎng)上的解釋很多，其實(shí)就是高低電平組成的脈沖信號(hào)。

通過(guò)改變其中頻率(脈沖周期)、占空比，就能應(yīng)用在很多場(chǎng)合。

PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展。

PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體開關(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。

一、PWM的基本原理

PWM是一種數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)，通過(guò)控制脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的控制。占空比是指在一個(gè)周期內(nèi)，脈沖的高電平時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值。

PWM具有以下特點(diǎn)：

(1)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)：PWM只需要數(shù)字信號(hào)，不需要模擬信號(hào)，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。

(2)控制精度高：PWM可以通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的精確控制。

(3)抗干擾能力強(qiáng)：PWM信號(hào)具有較高的抗干擾能力，適用于各種惡劣環(huán)境。

(4)節(jié)能：PWM可以通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的節(jié)能控制。

二、PWM的實(shí)現(xiàn)方法

軟件實(shí)現(xiàn)PWM的方法是通過(guò)定時(shí)器或中斷服務(wù)程序來(lái)控制輸出脈沖的占空比。具體步驟如下：

(1)初始化定時(shí)器或中斷服務(wù)程序，設(shè)置定時(shí)周期。

(2)在定時(shí)器或中斷服務(wù)程序中，根據(jù)占空比計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間。

(3)在高電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)，輸出高電平信號(hào);在低電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)，輸出低電平信號(hào)。

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)，直到PWM控制結(jié)束。

硬件實(shí)現(xiàn)PWM的方法是通過(guò)專用的PWM控制器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：

(1)配置PWM控制器或DSP的參數(shù)，包括定時(shí)周期、占空比等。

(2)啟動(dòng)PWM控制器或DSP，使其按照配置的參數(shù)輸出PWM信號(hào)。

(3)通過(guò)外部電路將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

三、PWM的應(yīng)用實(shí)例

PWM在電機(jī)控制中的應(yīng)用主要是通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)根據(jù)電機(jī)的額定電壓和最大電流，計(jì)算PWM的占空比。

(2)通過(guò)PWM控制器或DSP輸出PWM信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)狀態(tài)。

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)PWM信號(hào)的占空比，調(diào)整輸出電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

PWM在LED調(diào)光中的應(yīng)用主要是通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)根據(jù)LED的額定電流和最大電流，計(jì)算PWM的占空比。

(2)通過(guò)PWM控制器或DSP輸出PWM信號(hào)，控制LED驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)狀態(tài)。

(3)LED驅(qū)動(dòng)器根據(jù)PWM信號(hào)的占空比，調(diào)整輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制。

PWM在電源管理中的應(yīng)用主要是通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓和電流的控制。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)根據(jù)電源的額定輸出電壓和最大輸出電流，計(jì)算PWM的占空比。

(2)通過(guò)PWM控制器或DSP輸出PWM信號(hào)，控制電源管理器的開關(guān)狀態(tài)。

(3)電源管理器根據(jù)PWM信號(hào)的占空比，調(diào)整輸出電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的控制。

四、PWM的優(yōu)化方法

PWM信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易產(chǎn)生噪聲，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了減少噪聲，可以采取以下措施：

(1)選擇合適的濾波器，如低通濾波器、帶通濾波器等，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

(2)采用屏蔽線或雙絞線，減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾。

(3)在電路設(shè)計(jì)中，合理布局電源線、信號(hào)線和地線，避免信號(hào)線與電源線、地線交叉。

為了提高PWM的控制精度，可以采取以下措施：

(1)采用高精度的定時(shí)器或中斷服務(wù)程序，提高PWM信號(hào)的定時(shí)精度。

(2)采用高精度的ADC(Analog-to-Digital Converter，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)或DAC(Digital-to-Analog Converter，數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器)，提高PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度。

(3)采用先進(jìn)的控制算法，如PID(Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分)控制算法、模糊控制算法等，提高PWM信號(hào)的控制精度。

為了實(shí)現(xiàn)PWM的節(jié)能優(yōu)化，可以采取以下措施：

(1)采用低功耗的PWM控制器或DSP，降低系統(tǒng)的功耗。

(2)在PWM控制過(guò)程中，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

(3)采用節(jié)能的電源管理技術(shù)，如睡眠模式、喚醒模式等，降低系統(tǒng)的功耗。