PWM控制的基本原理 PWM控制的工作方式

PWM(Pulse Width Modulation)，即脈沖寬度調(diào)制，是一種廣泛應(yīng)用于電子控制領(lǐng)域的調(diào)制技術(shù)。它通過(guò)改變脈沖信號(hào)的占空比(即高電平持續(xù)時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值)來(lái)控制模擬電路的輸出。PWM控制技術(shù)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在需要精確控制電壓、電流和功率的場(chǎng)合。本文將從PWM控制的基本原理、工作方式、應(yīng)用領(lǐng)域以及優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

一、PWM控制的基本原理

PWM控制的基本原理可以概括為：通過(guò)對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替所需要的波形(如正弦波)。也就是說(shuō)，在輸出波形的半個(gè)周期中，通過(guò)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，并使各脈沖的等值電壓與所需波形相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電量的精確控制。

具體來(lái)說(shuō)，PWM控制通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

確定控制信號(hào)的頻率：PWM信號(hào)的頻率決定了控制電路的響應(yīng)速度和輸出精度。一般來(lái)說(shuō)，PWM信號(hào)的頻率越高，控制電路對(duì)輸出的控制就越精確，但也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求選擇合適的PWM信號(hào)頻率。

確定控制信號(hào)的占空比：占空比是指PWM信號(hào)中高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的比例。占空比決定了輸出電路的平均功率。通過(guò)改變占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電路的平均功率的精確控制。

生成PWM信號(hào)：根據(jù)確定的頻率和占空比，利用PWM控制器(如555定時(shí)器、微控制器等)生成PWM信號(hào)。這些信號(hào)將作為控制信號(hào)，用于控制逆變電路開關(guān)器件的通斷。

控制逆變電路開關(guān)器件：根據(jù)生成的PWM信號(hào)，控制逆變電路開關(guān)器件的通斷。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通;當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷。通過(guò)控制開關(guān)器件的通斷，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。

濾波處理：為了得到更平滑的輸出波形，通常需要對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行濾波處理。通過(guò)選擇合適的濾波器(如低通濾波器)，可以將PWM信號(hào)中的高頻成分濾除，從而得到更接近所需波形的輸出。

二、PWM控制的工作方式

PWM控制的工作方式主要包括以下兩種：

恒頻調(diào)寬法：這種方法保持PWM信號(hào)的頻率不變，通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的大小。這種方式簡(jiǎn)單易行，適用于對(duì)輸出電壓或電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。

調(diào)頻調(diào)寬法：這種方法同時(shí)改變PWM信號(hào)的頻率和占空比，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。在需要快速響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，調(diào)頻調(diào)寬法具有更好的性能。

三、PWM控制的應(yīng)用領(lǐng)域

PWM控制技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：

電機(jī)控制：PWM控制技術(shù)可以用于電機(jī)的速度控制、位置控制以及力矩控制等。通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行PWM控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。

電源變換器：PWM控制技術(shù)可以用于電源變換器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的精確控制。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)備中，如UPS電源、開關(guān)電源等。

照明控制：在LED照明系統(tǒng)中，PWM控制技術(shù)可以用于調(diào)節(jié)LED的亮度。通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同場(chǎng)合的照明需求。

音頻處理：在音頻放大器中，PWM控制技術(shù)可以用于提高音頻信號(hào)的保真度和動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制和解調(diào)處理，可以消除音頻信號(hào)中的噪聲和失真，提高音質(zhì)。

四、PWM控制的主要優(yōu)勢(shì)

PWM控制技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

精確控制：PWM控制技術(shù)可以通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓或電流的精確控制，具有高度的靈活性和準(zhǔn)確性。

高效節(jié)能：PWM控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，減少能量損耗和浪費(fèi)。在電機(jī)控制、電源變換器等領(lǐng)域中，PWM控制技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和節(jié)能性能。

抗干擾性強(qiáng)：PWM控制技術(shù)采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在噪聲干擾較大的環(huán)境中，PWM控制技術(shù)可以保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

易于實(shí)現(xiàn)：PWM控制技術(shù)可以通過(guò)微控制器等數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)，具有易于實(shí)現(xiàn)和靈活配置的優(yōu)點(diǎn)。這使得PWM控制技術(shù)在各種電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1.PWM軟件法控制充電電流

該方法的基本思想就是利用單片機(jī)具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過(guò)軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的PWM控制寄存器來(lái)調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。該方法所要求的單片機(jī)必須具有ADC端口和PWM端口這兩個(gè)必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機(jī)的工作速度盡量快。在調(diào)整充電電流前，單片機(jī)先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取到的充電電流進(jìn)行比較，若實(shí)際電流偏小則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比;若實(shí)際電流偏大則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過(guò)程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。

2.PWM在推力調(diào)制中的應(yīng)用

1962年，Nicklas等提出了脈沖調(diào)制理論，指出利用噴氣脈沖對(duì)航天器控制是簡(jiǎn)單有效的控制方案，同時(shí)能使時(shí)間或能量達(dá)到最優(yōu)控制。

脈寬調(diào)制發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式是在每一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，通過(guò)改變閥門在開或關(guān)位置上停留的時(shí)間來(lái)改變流經(jīng)閥門的氣體流量，從而改變總的推力效果，對(duì)于質(zhì)量流率不變的系統(tǒng)，可以通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)獲得變推力的效果。

脈寬調(diào)制通常有兩種方法：第一種為整體脈寬調(diào)制，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，并根據(jù)控制要求的作用力大小，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)解算變換，得出固定力輸出應(yīng)該持續(xù)作用的時(shí)間和開始作用時(shí)間;第二種為脈寬調(diào)制器，不考慮控制對(duì)象模型，而是根據(jù)輸入進(jìn)行“動(dòng)態(tài)衰減”性的累加，然后經(jīng)過(guò)某種算法變換后，決定輸出所持續(xù)的時(shí)間。這種方式非常簡(jiǎn)單，也能達(dá)到輸出作用近似相同。

脈寬調(diào)制控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、技術(shù)比較成熟，俄羅斯已經(jīng)將其成功地應(yīng)用于遠(yuǎn)程火箭的角度穩(wěn)定系統(tǒng)控制中。但是當(dāng)調(diào)制量為零時(shí)，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明顯比變流率系統(tǒng)低。而且系統(tǒng)響應(yīng)有一定的滯后，其開關(guān)的頻率必須遠(yuǎn)大于KKV本身的固有頻率，否則不但起不到調(diào)制效果，甚至?xí)l(fā)生災(zāi)難性后果。