脉宽调制PWM控制理论

1、电源技术网 电源技术综合区 脉宽调制PWM控制理论 姜然发表于 2007-6-26 23:21脉宽调制PWM控制理论 姜然脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。脉宽调制(PWM)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。一、控制方式的探讨1.模拟电路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

2、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

3、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。2.数字控制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，这使数字控制的实现变得更加容易了。 简而言之，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

4、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。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

5、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。3.非线性控制PWM单周控制法又称积分复位控制(Integration Reset Control，简称IRC)，是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器，此中K可以是任何物理开关，也可是其他可转化为开关变量形式的抽象信号。单周控制在控制电路中

6、不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点。此外，单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。4.硬件控制器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。虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同，但它们的基本思想通常是相同的。5.通信与控制PW

7、M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广泛应用在多种系统中。作为一个具体的例子，我们来考察一种用PWM控制的制动器。简单地说，制动器是紧夹住某种东西的一种装置。许多制动器使用模拟输入信号来控制夹紧压力(

8、或制动功率)的大小。加在制动器上的电压或电流越大，制动器产生的压力就越大。可以将PWM控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要产生更大的制动功率，只需通过软件加大PWM输出的占空比就可以了。如果要产生一个特定大小的制动压力，需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等)。例如，假设要将制动器上的压力设定为100psi，软件将作一次反向查找，以确定产生这个大小的压力的占空比应该是多少。然后再将PWM占空比设置为这个新值，制动器就可以相应地进行响应了。如果系统中有一个传感器，则可以通过闭环控制来调节占空比，直到精确产生所需的压力。位器

9、来替代机械式电位器，但这样做会加大成本。产生PWM波形的第二种办法是采用ADC824 MicroConverter(微转换器)。它除了提供两个PWM信号输出以外，还集成了几个ADC、几个DAC、一个与8052兼容的微控制器以及闪存。你可以配置出分辨率高达16位的PWM。不过，已编程的频率会影响PWM的分辨率。PWM的频率和分辨率如下：FPWM=16.777 MHz/N，式中N是以位表示的分辨率。一个内部PLL可根据32千赫晶振推导出16.77MHz基准时钟。该基准时钟对PWM的输出信号进行采样。如前所述，N是PWM的分辨率，即位的多少。要达到16位的分辨率，PWM的最大频率是266Hz。频率为

10、200kHz时，分辨率会降到大约6位。因此，ADC832对于低频高分辨率系统来说是一种理想的低成本方法，但对于高频高分辨率系统来说并非如此。二、定时/计数器PWM设计要点根据PWM的特点，在使用ATmega128的定时/计数器设计输出PWM时应注意以下几点：1.首先应根据实际的情况，确定需要输出的PWM频率范围，这个频率与控制的对象有关。如输出PWM波用于控制灯的亮度，由于人眼不能分辨42Hz以上的频率，所以PWM的频率应高于42Hz，否则人眼会察觉到灯的闪烁。2.然后根据需要PWM的频率范围确定ATmega128定时/计数器的PWM工作方式。AVR定时/计数器的PWM模式可以分成快速PWM和

11、频率(相位)调整PWM两大类。3.快速PWM可以的到比较高频率的PWM输出，但占空比的调节精度稍微差一些。此时计数器仅工作在单程正向计数方式，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：PWM频率 = 系统时钟频率/(分频系数*(1+计数器上限值)4.快速PWM模式适合要求输出PWM频率较高，但频率固定，占空比调节精度要求不高的应用。5.频率(相位)调整PWM模式的占空比调节精度高，但输出频率比较低，因为此时计数器仅工作在双向计数方式。同样计数器的上限值决定了PWM的频率，比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：PWM频

12、率 = 系统时钟频率/(分频系数*2*计数器上限值)6.相位调整PWM模式适合要求输出PWM频率较低，但频率固定，占空比调节精度要求高的应用。当调整占空比时，PWM的相位也相应的跟着变化(Phase Correct)。7.频率和相位调整PWM模式适合要求输出PWM频率较低，输出频率需要变化，占空比调节精度要求高的应用。此时应注意：不仅调整占空比时，PWM的相位会相应的跟着变化；而一旦改变计数器上限值，即改变PWM的输出频率时，会使PWM的占空比和相位都相应的跟着变化(Phase and Frequency Correct)。8.在PWM方式中，计数器的上限值有固定的0xFF(8位T/C)；0x

13、FF、0x1FF、0x3FF(16位T/C)。或由用户设定的0x0000-0xFFFF，设定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比较匹配寄存器的值与计数器上限值之比即为占空比。三、PWM应用设计参考下面给出一个设计示例，在示例中使用PWM方式来产生一个1KHz左右的正弦波，幅度为0-Vcc/2。首先按照下面的公式建立一个正弦波样本表，样本表将一个正弦波周期分为128个点，每点按7位量化(127对应最高幅值Vcc/2)：f(x) = 64 + 63 * sin(2x/180) x0127 如果在一个正弦波周期中采用128个样点，那么对应1KHz的正弦波PWM的频率为128KHz。实际上

14、，按照采样频率至少为信号频率的2倍的取样定理来计算，PWM的频率的理论值为2KHz即可。考虑尽量提高PWM的输出精度，实际设计使用PWM的频率为16KHz，即一个正弦波周期(1KHz)中输出16个正弦波样本值。这意味着在128点的正弦波样本表中，每隔8点取出一点作为PWM的输出。程序中使用ATmega128的8位T/C0，工作模式为相位调整PWM模式输出，系统时钟为8MHz，分频系数为1，其可以产生最高PWM频率为： 8000000Hz / 510 = 15686Hz。每16次输出构成一个周期正弦波，正弦波的频率为980.4Hz。PWM由OC0(PB4)引脚输出。参考程序如下(ICCAVR)。

15、/ICC-AVR application builder : 2004-08/ Target : M128/ Crystal: 8.0000Mhzi ncludei nclude#pragma data:code/ 128点正弦波样本表const unsigned char auc_SinParam128 = 64，67，70，73，76，79，82，85，88，91，94，96，99，102，104，106，109，111，113，115，117，118，120，121，123，124，125，126，126，127，127，127，127，127，127，127，126，126，125，1

16、24，123，121，120，118，117，115，113，111，109，106，104，102，99，96，94，91，88，85，82，79，76，73，70，67，64，60，57，54，51，48，45，42，39，36，33，31，28，25，23，21，18，16，14，12，10，9，7，6，4，3，2，1，1，0，0，0，0，0，0，0，1，1，2，3，4，6，7，9，10，12，14，16，18，21，23，25，28，31，33，36，39，42，45，48，51，54，57，60;#pragma data:dataunsigned char x_SW = 8，X_LUT = 0;#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:17void timer0_ovf_isr(void)X_LUT += x_SW; / 新样点指针if (X_LUT 127) X_LUT -= 128; / 样点指针调整OCR0 = auc_SinParamX_LUT; / 取样点指针到比较匹配寄存器void main(void)DDRB |= 0x10; / PB4(OC0