PWM原理及其應(yīng)用

什么是PWM

PWM（Pulse Width Modulation）簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)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)用在測(cè)量、通信、工控等方面。

PWM的頻率

是指在1秒鐘內(nèi)，信號(hào)從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)，也就是說(shuō)一秒鐘PWM有多少個(gè)周期，單位Hz。

PWM的周期

T=1/f，T是周期，f是頻率。

如果頻率為50Hz ，也就是說(shuō)一個(gè)周期是20ms，那么一秒鐘就有 50次PWM周期。

占空比

是一個(gè)脈沖周期內(nèi)，高電平的時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比例，單位是% (0%-100%)

一個(gè)周期的長(zhǎng)度，如下圖所示。

其中，周期是一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間，1s內(nèi)的周期T次數(shù)等于頻率f，脈寬時(shí)間是指高電平時(shí)間。

上圖中，脈寬時(shí)間占總周期時(shí)間的比例，就是占空比。

比方說(shuō)，周期的時(shí)間是10ms，脈寬時(shí)間是8ms，那么占空比是8/10= 80%，這就是占空比為80%的脈沖信號(hào)。

PWM就是脈沖寬度調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比就可以調(diào)節(jié)脈沖寬度。

PWM原理

以STM32單片機(jī)為例，其IO口只能輸出高電平和低電平。

假設(shè)高電平為5V、低電平則為0V，那么要輸出不同的模擬電壓就要用到PWM。通過(guò)改變IO口輸出的方波的占空比，從而獲得使用數(shù)字信號(hào)模擬成的模擬電壓信號(hào)。

電壓是以一種脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的，接通時(shí)是高電平1，斷開(kāi)時(shí)是低電平0。接通時(shí)直流供電輸出，斷開(kāi)時(shí)直流供電斷開(kāi)。通過(guò)對(duì)接通和斷開(kāi)時(shí)間的控制，理論上來(lái)講，可以輸出任意不大于最大電壓值5V的模擬電壓。

比方說(shuō)，占空比為50%那就是高電平時(shí)間一半，低電平時(shí)間一半。在一定的頻率下，就可以得到模擬的2.5V輸出電壓。那么75%的占空比，得到的電壓就是3.75V，如下圖所示。

也就是說(shuō)，在一定的頻率下，通過(guò)不同的占空比即可得到不同大小的輸出模擬電壓，PWM就是通過(guò)這種原理實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的。

PWM應(yīng)用

LED呼吸燈

以經(jīng)常使用的呼吸燈舉例。

一般人眼睛對(duì)于80Hz以上刷新頻率則完全沒(méi)有閃爍感，那么我們平時(shí)見(jiàn)到的LED燈，當(dāng)它的頻率大于50Hz的時(shí)候，人眼就會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)暫留效果，基本就看不到閃爍了，而是誤以為是一個(gè)常亮的LED燈。

由于頻率很高時(shí)看不到閃爍，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗，相關(guān)呼吸燈實(shí)例:STM32中PWM的配置與應(yīng)用詳解。所以，在頻率一定時(shí)，可以用不同占空比改變LED燈的亮度，使其達(dá)到一個(gè)呼吸燈的效果。

PWM對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

調(diào)節(jié)占空比可以實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

對(duì)于直流電機(jī)來(lái)講，電機(jī)輸出端引腳是高電平電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出端高電平時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是是一點(diǎn)一點(diǎn)的提速，在高電平突然轉(zhuǎn)向低電平時(shí)，電機(jī)由于電感有防止電流突變的作用是不會(huì)停止的，會(huì)保持這原有的轉(zhuǎn)速，以此往復(fù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是周期內(nèi)輸出的平均電壓值，所以實(shí)質(zhì)上我們調(diào)速是將電機(jī)處于一種，似停非停，似全速轉(zhuǎn)動(dòng)又非全速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，那么在一個(gè)周期的平均速度就是我們占空比調(diào)出來(lái)的速度了。

在電機(jī)控制中，電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，而通過(guò)PWM輸出不同的模擬電壓，便可以使電機(jī)達(dá)到不同的輸出轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然，在電機(jī)控制中，不同的電機(jī)都有其適應(yīng)的頻率 頻率太低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍，有時(shí)還會(huì)聽(tīng)到呼嘯聲。頻率太高時(shí)，電機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)，正常的電機(jī)頻率在 6-16kHZ之間為好。

PWM對(duì)舵機(jī)的控制

舵機(jī)的控制就是通過(guò)一個(gè)固定的頻率，給其不同的占空比來(lái)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角。

舵機(jī)的頻率一般為頻率為50HZ，也就是一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，而脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍，來(lái)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角。

500-2500us的PWM高電平部分對(duì)應(yīng)控制180度舵機(jī)的0-180度。

以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

   0.5ms-------------0度；1.0ms------------45度；1.5ms------------90度；2.0ms-----------135度；2.5ms-----------180度；

下圖演示占空比從1ms變化到2ms時(shí)，轉(zhuǎn)角的變化。