PWM（脈沖寬度調(diào)制）的工作原理、分類及其應(yīng)用

　　脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“Pulse Width ModulaTIon”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

　　脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

　　PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

　　PWM（脈沖寬度調(diào)制）的基本原理

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。

　　PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

　　PWM（脈沖寬度調(diào)制）基本控制原理

　　PWM（Pulse Width ModulaTIon）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。

　　PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆　變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。

　　理論基礎(chǔ)：

　　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。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

　　面積等效原理：

　　分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i（t）對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i（t）響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i（t）也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i（t）在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

　　用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。

　　SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。

　　要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。

　　PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。

　　PWM波形可等效的各種波形：

　　直流斬波電路：等效直流波形

　　SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

　　PWM的分類

　　從調(diào)制脈沖的極性看，PWM又可分為單極性與雙極性控制模式兩種。

　　產(chǎn)生單極性PWM模式的基本原理如圖6.2所示。首先由同極性的三角波載波信號(hào)ut。與調(diào)制信號(hào)ur，比較（圖6.2（a）），產(chǎn)生單極性的PWM脈沖（圖6.2（b））；然后將單極性的PWM脈沖信號(hào)與圖6.2（c）所示的倒相信號(hào)UI相乘，從而得到正負(fù)半波對(duì)稱的PWM脈沖信號(hào)Ud，如圖6.2（d）所示。

　　雙極性PWM控制模式采用的是正負(fù)交變的雙極性三角載波ut與調(diào)制波ur，如圖6.3所示，可通過ut與ur，的比較直接得到雙極性的PWM脈沖，而不需要倒相電路。

　　PWM的應(yīng)用

　　PWM軟件法控制充電電流

　　本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，通過軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。本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)。軟件PWM法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續(xù)流磁芯、儲(chǔ)能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。

　　可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中，單片機(jī)可實(shí)時(shí)檢測ADC端口上充電電流的大小，并根據(jù)充電電流大小與設(shè)定的涓流進(jìn)行比較，以決定PWM占空比的調(diào)整方向。

　　電池喚醒充電。單片機(jī)利用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設(shè)定充電電流的大小，所以，對(duì)于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時(shí)間的方式進(jìn)行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認(rèn)為恒流，對(duì)電池的沖擊破壞也較小。

　　缺點(diǎn)：

　　電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流采樣電阻來實(shí)現(xiàn)的，采樣電阻上的壓降傳到單片機(jī)的ADC輸入端口，單片機(jī)讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設(shè)定采樣電阻為Rsample（單位為Ω），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對(duì)應(yīng)的電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個(gè)5mV的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電流值就是50mA，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設(shè)法降低ADC的參考電壓或采用10位以上ADC的單片機(jī)。

　　PWM采用軟啟動(dòng)的方式。在進(jìn)行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動(dòng)的過程中，由于磁芯上的反電動(dòng)勢的存在，所以在重新充電時(shí)必須降低PWM的有效占空比，以克服由于軟件調(diào)整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。

　　充電效率不是很高。在快速充電時(shí)，因?yàn)椴捎昧顺潆娷泦?dòng)，再加上單片機(jī)的PWM調(diào)整速度比較慢，所以實(shí)際上停止充電或小電流慢速上升充電的時(shí)間是比較大的。

　　為了克服2和3缺點(diǎn)帶來的充電效率低的問題，我們可以采用充電時(shí)間比較長，而停止充電時(shí)間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動(dòng)時(shí)的電流慢速啟動(dòng)折合成的停止充電時(shí)間，設(shè)定為50ms，則實(shí)際充電效率為（2000ms－100ms）/2000ms＝95％，這樣也可以保證充電效率在90%以上。

　　純硬件PWM法控制充電電流

　　由于單片機(jī)的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機(jī)用ADC方式讀取充電電流需要的時(shí)間，因此用軟件PWM的方式調(diào)整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來控制充電電流?，F(xiàn)在智能充電器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等，本PWM控制芯片的工作頻率可以達(dá)到300kHz以上，外加阻容元件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電過程中的恒流限壓作用，單片機(jī)只須用一個(gè)普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。采用純硬件PWM具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　電流精度高。充電電流的控制精度只與電流采樣電阻的精度有關(guān)，與單片機(jī)沒有關(guān)系。不受軟件PWM的調(diào)整速度和ADC的精度限制。

　　充電效率高。不存在軟件PWM的慢啟動(dòng)問題，所以在相同的恒流充電和相同的充電時(shí)間內(nèi)，充到電池中的能量高。

　　對(duì)電池?fù)p害小。由于充電時(shí)的電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度很小，所以對(duì)電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護(hù)電池。

　　缺點(diǎn)：

　　硬件的價(jià)格比較貴。TL494的使用在帶來以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進(jìn)行克服。

　　涓流控制簡單，并且是脈動(dòng)的。電池充電結(jié)束后，一般采用涓流充電的方式對(duì)電池維護(hù)充電，以克服電池的自放電效應(yīng)帶來的容量損耗。單片機(jī)的普通I/O控制端口無法實(shí)現(xiàn)PWM端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)簡單的PWM功能，但由于單片機(jī)工作的實(shí)時(shí)性要求，其軟件模擬的PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在10%的時(shí)間是充電的，在另外90%時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行充電。這樣對(duì)充滿電的電池的沖擊較小。

　　單片機(jī) PWM控制端口與硬件PWM融合

　　對(duì)于單純硬件PWM的涓流充電的脈動(dòng)問題，可以采用具有PWM端口的單片機(jī)，再結(jié)合外部PWM芯片即可解決涓流的脈動(dòng)性。

　　在充電過程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時(shí)，可以把單片機(jī)的PWM輸出全部為高電平（PWM控制芯片高電平使能）或低電平（PWM控制芯片低電平使能）；當(dāng)進(jìn)行涓流充電時(shí)，可以把單片機(jī)的PWM控制端口輸出PWM信號(hào)，然后通過測試電流采樣電阻上的壓降來調(diào)整PWM的占空比，直到符合要求為止。

　　PWM一般選用電壓控制型逆變器，是通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小。

　　其整流部分與逆變部分基本是對(duì)稱的。

　　總之，最后的輸出波形可調(diào)，副值可調(diào)，甚至功率因數(shù)也可調(diào)，不過，好象都是用正弦波做為基波的啦。

　　模擬電路

　　模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V， 5V}這一集合中取值。

　　模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。

　　盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設(shè)備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。

　　數(shù)字控制

　　通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。

　　簡而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

　　圖1顯示了三種不同的PWM信號(hào)。圖1a是一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號(hào)周期中，10％的時(shí)間通，其余90％的時(shí)間斷。圖1b和圖1c顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號(hào)值。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%，則對(duì)應(yīng)的是一個(gè)幅度為0.9V的模擬信號(hào)。

　　圖2是一個(gè)可以使用PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個(gè)白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關(guān)閉合50ms，燈泡在這段時(shí)間中將得到9V供電。如果在下一個(gè)50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內(nèi)將此過程重復(fù)10次，燈泡將會(huì)點(diǎn)亮并象連接到了一個(gè)4.5V電池（9V的50%）上一樣。這種情況下，占空比為50%，調(diào)制頻率為10Hz。

　　大多數(shù)負(fù)載（無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載）需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開……。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點(diǎn)亮，在下一個(gè)5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對(duì)開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈（但保持點(diǎn)亮）的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場合也有同樣的要求。通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

　　硬件控制器

　　許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

　　* 設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期

　　* 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間

　　* 設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳

　　* 啟動(dòng)定時(shí)器

　　* 使能PWM控制器

　　雖然具體的PWM控制器在編程細(xì)節(jié)上會(huì)有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。

　　通信與控制

　　PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

　　對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

　　PWM廣泛應(yīng)用在多種系統(tǒng)中。作為一個(gè)具體的例子，我們來考察一種用PWM控制的制動(dòng)器。簡單地說，制動(dòng)器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動(dòng)器使用模擬輸入信號(hào)來控制夾緊壓力（或制動(dòng)功率）的大小。加在制動(dòng)器上的電壓或電流越大，制動(dòng)器產(chǎn)生的壓力就越大。

　　可以將PWM控制器的輸出連接到電源與制動(dòng)器之間的一個(gè)開關(guān)。要產(chǎn)生更大的制動(dòng)功率，只需通過軟件加大PWM輸出的占空比就可以了。如果要產(chǎn)生一個(gè)特定大小的制動(dòng)壓力，需要通過測量來確定占空比和壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（所得的公式或查找表經(jīng)過變換可用于控制溫度、表面磨損等等）。

　　例如，假設(shè)要將制動(dòng)器上的壓力設(shè)定為100psi，軟件將作一次反向查找，以確定產(chǎn)生這個(gè)大小的壓力的占空比應(yīng)該是多少。然后再將PWM占空比設(shè)置為這個(gè)新值，制動(dòng)器就可以相應(yīng)地進(jìn)行響應(yīng)了。如果系統(tǒng)中有一個(gè)傳感器，則可以通過閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)占空比，直到精確產(chǎn)生所需的壓力。

　　總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。