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(jié)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(shù)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(guī)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(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)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(shù)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(tǒng)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(shù)。

　　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(xiàn)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(shù)到65535才能達到，如果計數(shù)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(shù)到80，之后又從0計數(shù)到80....... 這個就是單斜率。假設一個PWM從0計數(shù)到80，之后是從80計數(shù)到0....... 這個就是雙斜率。

　　可見，雙斜率的計數(shù)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(shù)是80，我們再設定一個比較值是10，那么T/C從0計數(shù)到10時(這時計數(shù)器還是一直往上計數(shù)，直到計數(shù)到設定值80)，單片機就會根據(jù)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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