PWM(脉冲宽度调制)的工作原理、分类及其应用

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PWM(脉冲宽度调制)的工作原理、分类及其应用

时间:2019-01-12 19:50作者:admin打印字号:

  WM)(P, ModulaTIon”的缩写是英文“Pulse Width,宽调制简称脉,电路进行控制的一种非常有效的技术是利用微处理器的数字输出来对模拟,功率控制与变换的许多领域中广泛应用在从测量、通信到。

  一种模拟控制方式脉冲宽度调制是,制晶体管栅极或基极的偏置其根据相应载荷的变化来调,体管或晶体管导通时间的改变来实现开关稳压电源输出晶 ,压在工作条件变化时保持恒定这种方式能使电源的输出电,电路进行控制的一种非常有效的技术是利用微处理器的数字输出来对模拟。

  术以其控制简单PWM控制技,力电子技术最广泛应用的控制方式灵活和动态响应好的优点而成为电,研究的热点也是人们。已经没有了学科之间的界限由于当今科学技术的发展,术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技。

  技术的发展随着电子,PWM技术出现了多种,随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等其中包括:相电压控制PWM、脉宽PWM法、,器中采用的脉宽PWM法而在镍氢电池智能充电,等的脉冲列作为PWM波形它是把每一脉冲宽度均相,的周期可以调频通过改变脉冲列,或占空比可以调压改变脉冲的宽度,使电压与频率协调变化采用适当控制方法即可。的占空比而达到控制充电电流的目的可以通过调整PWM的周期、PWM。

  模拟信号电平进行数字编码的方法脉冲宽度调制(PWM)是一种对。计数器的使用通过高分辨率,个具体模拟信号的电平进行编码方波的占空比被调制用来对一。仍然是数字的PWM信号,的任何时刻因为在给定,要么完全有(ON)满幅值的直流供电,(OFF)要么完全无。FF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的电压或电流源是以一种通(ON)或断(O。电被加到负载上的时候通的时候即是直流供,电被断开的时候断的时候即是供。宽足够只要带,使用PWM进行编码任何模拟值都可以。模拟信号电平进行数字编码的方法脉冲宽度调制(PWM)是一种对。计数器的使用通过高分辨率,个具体模拟信号的电平进行编码方波的占空比被调制用来对一。

  仍然是数字的PWM信号,的任何时刻因为在给定,要么完全有(ON)满幅值的直流供电,(OFF)要么完全无。FF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的电压或电流源是以一种通(ON)或断(O。电被加到负载上的时候通的时候即是直流供,电被断开的时候断的时候即是供。宽足够只要带,使用PWM进行编码任何模拟值都可以。

  dulaTIon)控制脉冲宽度调制技术PWM(Pulse Width Mo,冲的宽度进行调制通过对一系列脉,波形(含形状和幅值)来等效地获得所需要。

  逆变电路中应用最广PWM控制技术在,大部分是PWM型应用的逆变电路绝,赖于在逆变电路中的应用PWM控制技术正是有,子技术中的重要地位才确定了它在电力电。

  冲加在具有惯性的环节上时冲量相等而形状不同的窄脉,基本相同其效果。脉冲的面积冲量指窄。本相同效果基,响应波形基本相同是指环节的输出。非常接近低频段,段略有差异仅在高频。

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  在一阶惯性环节(R-L电路)上分别将如图1所示的电压窄脉冲加,a所示如图2。脉冲时的响应波形如图2b所示其输出电流i(t)对不同窄。可以看出从波形,)的上升段在i(t,状也略有不同i(t)的形,几乎完全相同但其下降段则。越窄脉冲,波形的差异也越小各i(t)响应。施加上述脉冲如果周期性地,)也是周期性的则响应i(t。分解后将可看出用傅里叶级数,段的特性将非常接近各i(t)在低频,段有所不同仅在高频。

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  脉冲来代替一个正弦半波用一系列等幅不等宽的,波N等分正弦半,连的脉冲序列看成N个相,相等宽度,值不等但幅;脉冲代替用矩形,幅等,等宽不,重合中点,量)相等面积(冲,弦规律变化宽度按正。

  变化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波形脉冲宽度按正弦规律。

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  等效正弦波形SPWM波:,其他所需波形还可以等效成,正弦交流波形等如等效所需非,PWM控制相同其基本原理和S,效面积原理也基于等。

  技术的发展随着电子,PWM技术出现了多种,随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等其中包括:相电压控制PWM、脉宽PWM法、,能充电器中采用的脉宽PWM法而本文介绍的是在镍氢电池智。等的脉冲列作为PWM波形它是把每一脉冲宽度均相,的周期可以调频通过改变脉冲列,或占空比可以调压改变脉冲的宽度,使电压与频率协调变化采用适当控制方法即可。的占空比而达到控制充电电流的目的可以通过调整PWM的周期、PWM。

  基本原理如图6.2所示产生单极性PWM模式的。角波载波信号ut首先由同极性的三。信号ur与调制,.2(a))比较(图6,冲(图6.2(b))产生单极性的PWM脉;6.2(c)所示的倒相信号UI相乘然后将单极性的PWM脉冲信号与图,的PWM脉冲信号Ud从而得到正负半波对称,(d)所示如图6.2。

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  变的双极性三角载波ut与调制波ur双极性PWM控制模式采用的是正负交,.3所示如图6,t与ur可通过u,极性的PWM脉冲的比较直接得到双,倒相电路而不需要。

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  用单片机具有的PWM端口本方法的基本思想就是利,方波周期的前提下在不改变PWM,M控制寄存器来调整PWM的占空比通过软件的方法调整单片机的PW,充电电流从而控制。C端口和PWM端口这两个必须条件本方法所要求的单片机必须具有AD,的位数尽量高另外ADC,作速度尽量快单片机的工。电电流前在调整充,取充电电流的大小单片机先快速读,际读取到的充电电流进行比较然后把设定的充电电流与实,流的方向调整PWM 的占空比若实际电流偏小则向增加充电电;电流的方向调整PWM的占空比若实际电流偏大则向减小充电。读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰在软件PWM的调整过程中要注意ADC的,法等数字滤波技术合理采用算术平均。具有以下优缺点软件PWM法。

  M的硬件电路简化了PW,件的成本降低了硬。的硬件PWM和电压比较器利用软件PWM不用外部,续流磁芯、储能电容等元器件只需要功率MOSFET、,了外围电路大大简化。

  涓流大小可控制。充电的过程中在PWM控制,C端口上充电电流的大小单片机可实时检测AD,与设定的涓流进行比较并根据充电电流大小,空比的调整方向以决定PWM占。

  醒充电电池唤。寄存器可以任意设定充电电流的大小单片机利用ADC端口与PWM的,以所,比较低的电池对于电池电压,电后在上,时间的方式进行充电唤醒可以采取小电流充一段,下可以近似认为恒流并且在小电流的情况,击破坏也较小对电池的冲。

  制精度低电流控。通过电流采样电阻来实现的充电电流的大小的感知是,单片机的ADC输入端口采样电阻上的压降传到,就可以知道充电电流的大小单片机读取本端口的电压。ample(单位为)若设定采样电阻为Rs,mple(单位为mV)采样电阻的压降为Vsa,考电压为5.0V10位ADC的参。为 5000mV/10245mV则ADC的1 LSB对应的电压值。成电流值就是50mA一个5mV的数值转换,制精度最大为50mA所以软件PWM电流控。M的电流控制精度若想增加软件PW,或采用10位以上ADC的单片机可以设法降低ADC的参考电压。

  软启动的方式PWM采用。速充电的过程中在进行大电流快,新启动的过程中充电从停止到重,反电动势的存在由于磁芯上的,降低PWM的有效占空比所以在重新充电时必须,较慢而带来的无法控制充电电流的问题以克服由于软件调整PWM的速度比。

  不是很高充电效率。充电时在快速,充电软启动因为采用了,WM调整速度比较慢再加上单片机的P,慢速上升充电的时间是比较大的所以实际上停止充电或小电流。

  来的充电效率低的问题为了克服2和3缺点带,充电时间比较长我们可以采用,比较短的充电方式而停止充电时间,停50ms例如充2s,启动折合成的停止充电时间再加上软启动时的电流慢速,50ms设定为,100ms)/2000ms=95%则实际充电效率为(2000ms-,电效率在90%以上这样也可以保证充。

  一般都在4MHz左右由于单片机的工作频率,M的工作频率是很低的由单片机产生的PW,式读取充电电流需要的时间再加上单片机用ADC方,整充电电流的频率是比较低的因此用软件PWM的方式调,以上的缺陷为了克服,M的方法来控制充电电流可以采用外部高速PW。M控制芯片主要有TL494等现在智能充电器中采用的PW,率可以达到300kHz以上本PWM控制芯片的工作频,池充电过程中的恒流限压作用外加阻容元件就可以实现对电,O端口控制TL494使能即可单片机只须用一个普通的I/。比较器替代TL494另外也可以采用电压,和LM358等如LM393。M具有以下优缺点采用纯硬件PW。

  精度高电流。电流采样电阻的精度有关充电电流的控制精度只与,没有关系与单片机。速度和ADC的精度限制不受软件PWM的调整。

  效率高充电。M的慢启动问题不存在软件PW,电和相同的充电时间内所以在相同的恒流充,中的能量高充到电池。

  损害小对电池。电流比较稳定由于充电时的,度很小波动幅,的冲击很小所以对电池,还具有限压作用另外TL494,地保护电池可以很好。

  格比较贵硬件的价。带来以上优点的同时TL494的使用在,品的成本增加了产,M393的方式进行克服可以采用LM358或L。

  制简单涓流控,脉动的并且是。电结束后电池充,方式对电池维护充电一般采用涓流充电的,效应带来的容量损耗以克服电池的自放电。口无法实现PWM端口的功能单片机的普通I/O控制端,法实现简单的PWM功能即使可以用软件模拟的方,作的实时性要求但由于单片机工,WM频率也比较低其软件模拟的P,是脉冲充电的方式所以最终采用的还,的时间是充电的例如在10%,间内不进行充电在另外90%时。电池的冲击较小这样对充满电的。

  的涓流充电的脉动问题对于单纯硬件PWM,WM端口的单片机可以采用具有P,即可解决涓流的脉动性再结合外部PWM芯片。

  电流:采用恒流大电流快速充电时在充电过程中可以这样控制充电,片高电平使能)或低电平(PWM控制芯片低电平使能)可以把单片机的PWM输出全部为高电平(PWM控制芯;流充电时当进行涓,控制端口输出PWM信号可以把单片机的PWM,的压降来调整PWM的占空比然后通过测试电流采样电阻上,要求为止直到符合。

  电压控制型逆变器PWM一般选用,时间来改变逆变器输出波形的频率是通过改变功率晶体管交替导通的,体管的通断时间比改变每半周期内晶,改变逆变器输出电压副值的大小也就是说通过改变脉冲宽度来。

  之总,出波形可调最后的输,可调副值,因数也可调甚至功率,过不,波做为基波的啦好象都是用正弦。

  可以连续变化模拟信号的值,分辨率都没有限制其时间和幅度的。一种模拟器件9V电池就是,并不精确地等于9V因为它的输出电压,间发生变化而是随时,何实数值并可取任。类似与此,在一组可能的取值范围之内从电池吸收的电流也不限定。通常只能属于预先确定的可能取值集合之内模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值,{0V例如在,集合中取值5V}这一。

  直接用来进行控制模拟电压和电流可,的音量进行控制如对汽车收音机。拟收音机中在简单的模,到一个可变电阻音量旋钮被连接。旋钮时拧动,大或变小电阻值变;流也随之增加或减少流经这个电阻的电,扬声器的电流值从而改变了驱动,变大或变小使音量相应。机一样与收音,与输入成线性比例模拟电路的输出。

  来可能直观而简单尽管模拟控制看起,常经济或可行的但它并不总是非。点就是其中一,易随时间漂移模拟电路容,以调节因而难。大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞。可能严重发热模拟电路还有,端电压与电流的乘积成正比其功耗相对于工作元件两。能对噪声很敏感模拟电路还可,定会改变电流值的大小任何扰动或噪声都肯。

  式控制模拟电路通过以数字方,系统的成本和功耗可以大幅度降低。外此,在芯片上包含了PWM控制器许多微控制器和DSP已经,现变得更加容易了这使数字控制的实。

  言之简而,电平进行数字编码的方法PWM是一种对模拟信号。计数器的使用通过高分辨率,个具体模拟信号的电平进行编码方波的占空比被调制用来对一。仍然是数字的PWM信号,的任何时刻因为在给定,要么完全有(ON)满幅值的直流供电,(OFF)要么完全无。FF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的电压或电流源是以一种通(ON)或断(O。电被加到负载上的时候通的时候即是直流供,电被断开的时候断的时候即是供。宽足够只要带,使用PWM进行编码任何模拟值都可以。

PWM(脉冲宽度调制)的工作原理、分类及其应用

  不同的PWM信号图1显示了三种。为10%的PWM输出图1a是一个占空比,号周期中即在信,的时间通10%,%的时间断其余90。比为50%和90%的PWM输出图1b和图1c显示的分别是占空。10%、50%和90%的三种不同模拟信号值这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的。如例,电源为9V假设供电,为10%占空比,为0.9V的模拟信号则对应的是一个幅度。

  WM进行驱动的简单电路图2是一个可以使用P。给一个白炽灯泡供电图中使用9V电池来。泡的开关闭合50ms如果将连接电池和灯,中将得到9V供电灯泡在这段时间。ms中将开关断开如果在下一个50,供电将为0V灯泡得到的。此过程重复10次如果在1秒钟内将,.5V电池(9V的50%)上一样灯泡将会点亮并象连接到了一个4。情况下这种,为50%占空比,为10Hz调制频率。

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  容性负载)需要的调制频率高于10Hz大多数负载(无论是电感性负载还是电。接通5秒再断开5秒设想一下如果灯泡先,通、再断开然后再接。然是50%占空比仍,秒钟内将点亮但灯泡在头5,秒钟内将熄灭在下一个5。5V电压的供电效果要让灯泡取得4.,变化的响应时间相比必须足够短通断循环周期与负载对开关状态。但保持点亮)的效果要想取得调光灯(,调制频率必须提高。场合也有同样的要求在其他PWM应用。z到200kHz之间通常调制频率为1kH。

  包含有PWM控制器许多微控制器内部都。如例,16C67内含两个PWM控制器Microchip公司的PIC,择接通时间和周期每一个都可以选。时间与周期之比占空比是接通;周期的倒数调制频率为。M操作之前执行PW,软件中完成以下工作这种微处理器要求在:

  在编程细节上会有所不同虽然具体的PWM控制器,想通常是相同的但它们的基本思。

  到被控系统信号都是数字形式的PWM的一个优点是从处理器,数模转换无需进行。可将噪声影响降到最小让信号保持为数字形式。为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时噪声只有在强到足以将逻辑1改变,信号产生影响也才能对数字。

  相对于模拟控制的另外一个优点对噪声抵抗能力的增强是PWM,PWM用于通信的主要原因而且这也是在某些时候将。可以极大地延长通信距离从模拟信号转向PWM。收端在接,调制高频方波并将信号还原为模拟形式通过适当的RC或LC网络可以滤除。

  用在多种系统中PWM广泛应。具体的例子作为一个,PWM控制的制动器我们来考察一种用。地说简单,种东西的一种装置制动器是紧夹住某。制夹紧压力(或制动功率)的大小许多制动器使用模拟输入信号来控。电压或电流越大加在制动器上的,的压力就越大制动器产生。

  到电源与制动器之间的一个开关可以将PWM控制器的输出连接。的制动功率要产生更大,M输出的占空比就可以了只需通过软件加大PW。定大小的制动压力如果要产生一个特,的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等)需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得。

  如例,力设定为100psi假设要将制动器上的压,次反向查找软件将作一,压力的占空比应该是多少以确定产生这个大小的。空比设置为这个新值然后再将PWM占,应地进行响应了制动器就可以相。有一个传感器如果系统中,控制来调节占空比则可以通过闭环,生所需的压力直到精确产。

  之总,约空间、抗噪性能强PWM既经济、节,多设计应用中使用的有效技术是一种值得广大工程师在许。

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