PWM（脉宽调制）理论原理浅析：

PWM概念及特点

PWM基本原理

PWM单向电机控制原理

PWM概念

PWM（Pulse Width Modulation）

PWM是“脉宽调制”的意思，脉宽顾名思义就是脉冲的宽度，即图中时间 t，“脉宽调制”理所当然就是改变 t 的大小了。当人们在改变 t 的大小时，一次所能改变的最小值 Δtmin 称为PWM的分辨率。

基本概念有：占空比、分辨率；

占空比：就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比，如一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1：5。

分辨率：也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：255（单斜率），16位的的PWM理论就是1：65535（单斜率）。假设我们规定：当t＝0时我们称占空比为0％，t＝T时我们称占空比为100％，那么8位即为把100％的占空比分为256（2的8次方）个档位，16位即为将其分为65536个档位，这样当“位”越大，则其分辨率就越高，那么在进行脉宽调制时就越接近“无级调速”

PWM控制是脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

PWM特点

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

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

PWM控制原理

我们先来看三组不同的脉冲信号，如图所示。

这是一个周期是 10ms，即频率是 100Hz 的波形，但是每个周期内，高低电平脉冲宽度各不相同，这就是 PWM 的本质。第一部分波形的占空比是 40％，第二部分波形占空比是 60％，第三部分波形占空比是 80％，这就是 PWM 的解释。

那为何它能对模拟电路进行控制呢？大家想一想，我们数字电路里，只有 0 和 1 两种状态，点亮 LED 小灯那个程序，当我们写一个 LED ＝ 0；小灯就会长亮，当我们写一个 LED ＝ 1；小灯就会灭掉。当我们让小灯亮和灭间隔运行的时候，小灯是闪烁。

如果我们把这个间隔不断的减小，减小到我们的肉眼分辨不出来，也就是 100Hz 以上的频率，这个时候小灯表现出来的现象就是既保持亮的状态，但亮度又没有LED ＝ 0；时的亮度高。那我们不断改变时间参数，让 LED ＝ 0；的时间大于或者小于 LED ＝ 1；的时间，会发现亮度都不一样，这就是模拟电路的感觉了，不再是纯粹的 0 和 1，还有亮度不断变化。大家会发现，如果我们用 100Hz 的信号，如图 10－1 所示，假如高电平熄灭小灯，低电平点亮小灯的话，第一部分波形熄灭 4ms，点亮 6ms，亮度最高，第二部分熄灭 6ms，点亮 4ms，亮度次之，第三部分熄灭 8ms，点亮 2ms，亮度最低。

应用：（LED灯）：

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

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

直流电机PWM调速方法

直流电机PWM调速控制原理图和输入输出电压波形如上图所示。当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电机电枢绕组两端有电压Us。

t1秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为0。

t2秒后，驱动信号重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。对应输入电平的高低，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图b所示。电机的电枢绕组两端的电压平均值U0位：

式中D位占空比，D＝t1／T。

占空比D表示了再一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为0≤D≤1。当电源电压Us不变的情况下，电枢两端电压的平均值Uo取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了电枢两端电压的平均值，从而达到控制电机转速的目的，即实现PWM调速。

应用：（电机控制方面）脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。