從這三個(gè)知識(shí)點(diǎn)吃透PWM

PWM有非常廣泛的應(yīng)用，比如直流電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，開關(guān)電源、逆變器等等。個(gè)人認(rèn)為，要充分理解或掌握模擬電路、且有所突破，很有必要吃透這三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

• PWM
• 電感
• 紋波。

PWM是一種技術(shù)手段，PWM波是在這種技術(shù)手段控制下的脈沖波。

如圖1所示，這種比喻很形象也很恰當(dāng)，希望對(duì)學(xué)習(xí)的朋友有所幫助與啟發(fā)。

圖1：形象的比喻

PWM全稱Pulse Width Modulation：脈沖寬度調(diào)制（簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，通俗的講就是調(diào)節(jié)脈沖的寬度），是電子電力應(yīng)用中非常重要的一種控制技術(shù)，在理解TA之前我們先來(lái)了解幾個(gè)概念 。

脈沖波的基本信息如圖2所示：

圖2：脈沖波的基本信息

• 脈沖周期（T） ，單位是時(shí)間，比如納秒（ns）、微妙（μs）、毫秒（ms）等；
• 脈沖頻率（f） ，單位是赫茲（Hz）、千赫茲（kHz）等，與脈沖周期成倒數(shù)關(guān)系，f=1/T；
• 脈沖寬度（W），簡(jiǎn)稱“脈寬” ，是脈沖高電平持續(xù)的時(shí)間。單位是時(shí)間，比如納秒（ns）、微妙（μs）、毫秒（ms）等；
• 占空比（D），脈寬除以脈沖周期的值 ，百分?jǐn)?shù)表示，比如50%。也常有小數(shù)或分?jǐn)?shù)表示的，比如0.5或1/2。

以上之間的關(guān)系如圖3所列的公式：

圖3：公式

工程應(yīng)用中的PWM波是幅值、周期（或頻率）不變，脈寬（或占空比）可調(diào)的脈沖波。接下來(lái)我們來(lái)認(rèn)清該P(yáng)WM波到底是什么，TA隱藏著什么思想？

如果我們想要控制一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們可以通過(guò)改變其兩端電壓即可；但是該種方法有很大的局限性，可調(diào)直流電源構(gòu)造復(fù)雜、成本高昂，應(yīng)用起來(lái)很不現(xiàn)實(shí)。

所以我們采用另外的控制方式：電壓源→驅(qū)動(dòng)器→直流電機(jī)，電壓源提供直流電壓，不同的驅(qū)動(dòng)器控制不同的直流電機(jī)，應(yīng)用非常靈活。其中驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制就是利用PWM。

可調(diào)直流電源控制與PWM控制都能調(diào)速，那么它們有什么相同之處呢？

如 圖4~圖7 ， 電機(jī)為某相同轉(zhuǎn)速時(shí) ，紅色代表驅(qū)動(dòng)器輸出幅值不變的PWM波，藍(lán)色代表可調(diào)直流電源輸出的電壓。兩者都是直接作用到負(fù)載。

圖4

圖5

圖6

圖7

有以上得知：

1. 當(dāng)PWM波的占空比越大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的直流電壓與PWM波的幅值越接近；反之與0V越接近；
2. 周期的紅色PWM波脈寬下的矩形面積之和與藍(lán)色直流電壓的面積相等，即伏秒積相等：

U紅(幅值) × ton = U藍(lán) × T

兩端同時(shí)除以T，得到如下關(guān)系式：

U紅(幅值) × 占空比 = U藍(lán)

例如當(dāng)PWM波的幅值為24V，占空比為50%時(shí)，與直流電壓12V作用到電機(jī)上所產(chǎn)生的效果是一模一樣的，即速度相同；即24V×50%=12V。

另外，既然滿足這個(gè)關(guān)系，那PWM波的頻率是不是可以隨意了，答案當(dāng)然不是，頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，振動(dòng)大，噪音大；頻率太高會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器開關(guān)損耗較大，甚至有電機(jī)會(huì)嘯叫而不轉(zhuǎn)的情況。一般1k~30k的PWM頻率較為普遍，幾百Hz的也有，實(shí)際上還是根據(jù)電機(jī)功率在測(cè)試時(shí)確定合適的PWM頻率范圍為宜。

如圖8為實(shí)物測(cè)試，脈寬在變化，周期不變的PWM波，所加負(fù)載如圖9所示。

圖8：扭動(dòng)旋鈕控制脈寬變化

如圖9為實(shí)物測(cè)試，有刷直流電機(jī)的PWM無(wú)極調(diào)速，其中LED是并聯(lián)在電機(jī)輸入端的，其亮弱反映電機(jī)速度的變化。

圖9：PWM控制電機(jī)調(diào)速

要點(diǎn)：

①PWM波其實(shí)就是一種脈寬可連續(xù)調(diào)節(jié)的矩形脈沖波；

②占空比其實(shí)就是描述脈寬與脈沖周期的比值，是量化值，便于分析研究，當(dāng)我們用占空比來(lái)表達(dá)時(shí)，對(duì)脈寬就不那么關(guān)心了；

③占空比調(diào)節(jié)就是脈寬調(diào)節(jié)，表達(dá)不一樣，但本質(zhì)是一樣的；

④PWM波滿足伏秒積計(jì)算：U紅(幅值) × 占空比 = U藍(lán)，作用效果與直流電壓一樣。