【2017年整理】脉冲调制原理

《【2017年整理】脉冲调制原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】脉冲调制原理（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、脉冲宽度调制 pwm百科名片脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。目录简介基本原理具体过程脉冲宽度调制优点控制方法脉冲宽度调制相关应用领域具体应用展开编辑本段简介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栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，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输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的

2、技术。 PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为 电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。编辑本段基本原理随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 技术，其中包括：相电压控制 PWM、脉宽 PWM 法、随机 PWM、SPWM 法、线电压控制 PWM 等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽 PWM 法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即

3、可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V 电池就是一种模拟器件，因为 它的输出电压并不精确地等于 9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字 信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V 这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音 量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的

4、电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变 小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容 易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相 对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器，这使

5、数字控制的实现变得更加容易了。具体过程脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平 进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍 然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF ）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF ）的重复脉 冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编 码。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，通常调制频率为 1kHz

6、 到 200kHz 之间。 许多微控制器内部都包含有 PWM 控制器。例如， Microchip 公司的 PIC16C67 内含两个 PWM 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行 PWM 操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： 1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 2、 在 PWM 控制寄存器中设置接通时间 3、设置 PWM 输出的方向，这个输出是一个通用 I/O 管脚 4、启动定时器 5、使能 PWM 控制器 目前几乎所有市售的单片机都有 PWM 模块功能，若没有（如早期的 8051），也可以利用定时器及 GPIO

7、 口来实现。更为一般的 PWM 模块控制流程为（笔者使用过TI 的 2000 系列， AVR 的 Mega 系列，TI 的 LM 系列）： 1、使能相关的模块（PWM 模块以及对应管脚的 GPIO 模块）。 2、配置 PWM 模块的功能，具体有： ：设置 PWM 定时器周期，该参数决定 PWM 波形的频率。 ：设置 PWM 定时器比较值，该参数决定 PWM 波形的占空比。 ：设置死区（deadband），为避免桥臂的直通需要设置死区，一般较高档的单片机都有该功能。 ：设置故障处理情况，一般为故障是封锁输出，防止过流损坏功率管，故障一般有比较器或 ADC 或 GPIO 检测。 ：设定同步功能，该

8、功能在多桥臂，即多 PWM 模块协调工作时尤为重要。 3、设置相应的中断，编写 ISR，一般用于电压电流采样，计算下一个周期的占空比，更改占空比，这部分也会有 PI 控制的功能。 4、使能 PWM 波形发生。编辑本段脉冲宽度调制优点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

9、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。 总之，PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。编辑本段控制方法采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同.PWM 控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体 开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度 进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率. PWM 控制的基本原理很

10、早就已经提出，但是受 电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现.直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用 .随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展.到目前为止，已出现了多种 PWM 控制技术，根据 PWM 控制技术的特点，到目前为止主要有以下 8 类方法.等脉宽 PWM 法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency）装置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude

11、 Modulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽 PWM 法正是为了克服 PAM 法的这个缺点发展而来 的，是PWM 法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采 用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于 PAM 法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还 包含较大的谐波分量.随机 PWM在上世纪 70 年代开始至上世纪 80 年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过

12、 5kHz,电机绕 组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.为求得改善，随机 PWM 方法应运而生 .其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性 频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此，即使在 IGBT 已被广泛 应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机 PWM 仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频 率，随机 PWM 技术正是提供了一个分析，解决这种问题的全新思路.SPWM 法SPWM(Sinusoidal PWM）法是一种比

13、较成熟的，目前使用较广泛的 PWM 法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其效果基本相同.SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断， 使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现 有以下几种方案.等面积法该方案实际上就是 SPWM 法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微

14、机 中，通过查表的方式生成 PWM 信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的 .由于此方法是以 SPWM 控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的 通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点.硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的 PWM 波形.通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM 波形.其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制 波发生电路，用比较器来确定它们的交点,在交点

15、时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM 波.但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制.软件生成法由于微机技术的发展使得用软件生成 SPWM 波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法.自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法.其优点是所得 SPWM 波形最接近正弦 波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制.规则采样法规则采样法是一种应用较广

16、的工程实用方法，一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制 开关器件的通断，从而实现 SPWM 法.当三角波只在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采 样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个 载波周期（此时为采样周期的两倍）内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样. 规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小. 以上两种方法均只适用于同步调制方式中.低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去 PWM 波形中某些主要的低次谐波为目的的方法 .其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为 u（t)=ansinnt，首 先确定基波分量 a1的值，再令两个不同的 an=0,