PWM簡介

　　脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(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)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進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，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點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。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)無諧振波開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。

　　脈寬調(diào)制分類

　　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ut。與調(diào)制信號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脈沖信號與圖6.2（c）所示的倒相信號UI相乘，從而得到正負半波對稱的PWM脈沖信號Ud，如圖6.2（d）所示。

　　雙極性PWM控制模式采用的是正負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優(yōu)點

　　PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

　　對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(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還原為模擬形式。

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

　　PWM脈寬調(diào)制原理

　　脈寬調(diào)制技術(shù)是通過對逆變電路開關(guān)的通斷控制來實現(xiàn)對模擬電路的控制的。脈寬調(diào)制技術(shù)的輸出波形是一系列大小相等的脈沖，用于替代所需要的波形，以正弦波為例，也就是使這一系列脈沖的等值電壓為正弦波，并且輸出脈沖盡量平滑且具有較少的低次諧波。根據(jù)不同的需求，可以對各脈沖的寬度進行相應(yīng)的調(diào)整，以改變輸出電壓或輸出頻率等值，進而達到對模擬電路的控制。

　　PWM同步調(diào)制簡介

　　同步調(diào)制一N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步

　　1.基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定

　　2.三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱

　　3.為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)

　　4.fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除

　　5.fr，很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受

　　PWM同步調(diào)制優(yōu)缺點

　　在改變f的同時成正比地改變fc，使K保持不變，則稱為同步調(diào)制。

　　PWM采用同步調(diào)制的優(yōu)點是：可以保證輸出波 形的對稱性。對于三相系統(tǒng)，為保持三相之間對稱、互差120゜相位角，K應(yīng)取3的整數(shù)倍；為保證雙極性調(diào)制時每相波形的正、負半波對稱，則該倍數(shù)應(yīng)取奇數(shù)。由于波形的對稱性，不會出現(xiàn)偶次諧波問題。但是，受開關(guān)器件允許的開關(guān)頻率的限制，保持K值不變，在逆變器低頻運行時，K值會過小，導(dǎo)致諧波含量變大。 使電動機的諧波損耗增加，轉(zhuǎn)矩脈動相對加劇

　　PWM具體應(yīng)用

　　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)整單片機的PWM控制寄存器來調(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必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機的工作速度盡量快。在調(diào)整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，若實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)。

　　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航天器控制是簡單有效的控制方案，同時能使時間或能量達到最優(yōu)控制。

　　脈寬調(diào)制發(fā)動機控制方式是在每一個脈動周期內(nèi)，通過改變閥門在開或關(guān)位置上停留的時間來改變流經(jīng)閥門的氣體流量，從而改變總的推力效果，對于質(zhì)量流率不變的系統(tǒng)，可以通過脈寬調(diào)制技術(shù)來獲得變推力的效果。

　　脈寬調(diào)制通常有兩種方法［15］：第一種為整體脈寬調(diào)制，對控制對象進行控制器設(shè)計，并根據(jù)控制要求的作用力大小，對整個系統(tǒng)模型進行動態(tài)的數(shù)學(xué)解算變換，得出固定力輸出應(yīng)該持續(xù)作用的時間和開始作用時間；第二種為脈寬調(diào)制器，不考慮控制對象模型，而是根據(jù)輸入進行“動態(tài)衰減”性的累加，然后經(jīng)過某種算法變換后，決定輸出所持續(xù)的時間。這種方式非常簡單，也能達到輸出作用近似相同。

　　脈寬調(diào)制控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(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，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。

　　在LED中的應(yīng)用

　　在LED控制中PWM作用于電源部分，脈寬調(diào)制的脈沖頻率通常大于100Hz，人眼就不會感到閃爍。