电子基础知识-PWM

01什么是PWM

脉冲宽度调制(PWM),PWM全称PukeWidthModulation,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。

PWM的频率：是指1秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，

也就是说一秒钟PWM有多少个周期。

单位：Hz

表示方式：50Hz、100Hz

PWM的周期：T=l/f(周期=1/频率)

50Hz=20ms一个周期，如果频率为50Hz,也就是说一个周期是20ms,那么

一秒钟就有50次PWM周期。

占空比：是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例。

单位：%(0%-100%)

表示方式：20%

_周期>

脉宽时间脉宽时间

周期：一个脉冲信号的时间，1S内测周期次数等于频率。

脉宽时间：高电平时间。

上图中脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比。

比方说周期的时间是10ms,脉宽时间是8ms,那么低电平时间就是2ms,

总的占空比8/(8+2)=80%,这就是占空比为80%的脉冲信号。

而我们知道PWM就是脉冲宽度调制通过调节占空比，就可以调节脉冲宽度

(脉宽时间)，而频率，就是单位时间内脉冲信号的次数。

以20Hz,占空比为80%举例，就是1秒钟之内输出了20次脉冲信号，每次

的高电平时间为40mso

我们换更详细点的图：

50%50%

♦T♦

周期

上图中，周期为T,T1为高电平时间，T2为低电平时间，假设周期T为1s,

那么频率就是1Hz,那么高电平时间0.5s,低电平时间0.5s,总的占空比就是

0.5/I=50%o

02PWM原理

以单片机为例，我们知道，单片机的10口输出的是数字信号，10口只能

输出高电平和低电平，假设高电平为5V,低电平则为0V,那么我们要输出不同

的模拟电压，就要用到PWM,通过改变10口输出的方波的占空比从而获得使用

数字信号模拟成的模拟电压信号。

我们知道，电压是以一种连接1或断开0的重复脉冲序列被夹到模拟负载

上去的（例如LED灯，直流电机等），连接即是直流供电输出，断开即是直流

供电断开。

通过对连接和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电

压值（即0~5V之间任意大小）的模拟电压。

比方说，占空比为50%,那就是高电平时间一半，低电平时间一半，在一

定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压，那么75%的占空比，得到的电

压就是3.75Vo

5V

0V……匕……LZd……LZ"2.5V

MH50%50H50%50%50%

5V

^TLT七3.75V

0V

75%25%75%25%7W25H

5V

0V一□………口…1V

2OHSO%2OH80%20H80%

PW的调节作用来源于对“占周期”的宽度控制，“占周期”变宽，输出

的能量就会提高，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会上升，“占周期”

变窄，输出的电压信号的电压平均值就会降低，通过阻容变换电路所得到的平

均电压值也会下降。

也就是在一定的频率下，通过不同的占空比，即可得到不同的输出模拟电

压，PWM就是通过这种原理实现D/A转换的。

总结：PWM就是在合适的信号频率下，通过一个周期里改变占空比的方式

来改变输出的有效电压。

PWM频率越大，相应越快，那么，PWM信号的实际作用是什么呢？

我们以经常使用的呼吸灯举例：一般人眼睛对于80Hz以上刷新频率则完全

没有闪烁感。

频率太小的话看起来就会闪烁，那么我们平时见到的LED灯，当它的频率

大于50Hz的时候，人眼就会产生视觉暂留效果，基本就看不到闪烁了，而是一

个常亮的LED灯，你在1秒内，高电平0.5秒，低电平0.£秒，（频率1Hz）如

此反复，那么你看到的电灯就会闪烁，但是如果是10毫秒内，5毫秒打开，5

毫秒关闭，（频率100Hz）这时候灯光的亮灭速度赶不上开关速度（LED灯还没完

全亮就又熄灭了）。

由于视觉暂留作用，人眼不感觉电灯在闪烁，而是感觉灯的亮度少了，因

为高电平时间（占空比）为50%,亮度也就为之前的50%,频率很高时，看不到

闪烁，占空比越大，LED越亮；频率很低时，可看到闪烁，占空比越大，LED越

亮。

所以，在频率一定下，可以用不同占空比改变LED灯的亮度，使其达到一

个呼吸灯的效果。

03PWM对电机转速的控制

占空比可以实现对电机转速的调节，我们知道，占空比是高电平在一个周

期之中的比值，高电平的所占的比值越大，占空比就越大，对于直流电机来讲,

电机输出端引脚是高电平电机就可以转动，当输出端高电平时，电机会转动，

但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电

流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速。

以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调

速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一

个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了，在电机控制中，电压越大

电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输

出转速。

当然，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率，频率太低会导致运

动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声，频率太高的

电机可能反应不过来。

正常的电机频率在6-16kHZ之间为好。

可调直流电源控制与PWM控制都能调速，那么它们有什么相同之处呢？

如图4~图7,电机为某相同转速时，纤色代表驱动器输出幅值不变的PWM

波，蓝色代表可调直流电源输出的电压。两者都是直接作用到负载。

占空比：25%占空比：25%

图4

图5

图6

占空比：95%

图7

由以上得知：

当PWM波的占空比越大时，所对应的直流电压与PWM波的幅值越接近；反

之与0V越接近；

周期的红色PWM波脉宽下的矩形面积之和与蓝色直流电压的面积相等，即

伏秒积相等：

两端同时除以T,得到如下关系式：

例如当PWM波的幅值为24V,占空比为50%时，与直流电压12V作用到电机

上所产生的效果是一模一样的，即速度相同；即24Vx50%=12V。

另外，既然满足这个关系，那PWM波的频率是不是可以随意了，答案当然

不是，频率太低会导致电机运转不畅，振动大，噪音大；频率太高会导致驱动

器开关损耗较大，甚至有电机会啸叫而不转的情况。一般lk、30k的PW频率较

为普遍，几百Hz的也有，实际上还是根据电机功率在测试时确定合适的PWM频

率范围为宜。

如图8为实物测试，脉宽在变化，周期不变的PWM波，所加负载如图9所

Zj\o

图8：扭动旋钮控制脉宽变化

04PWM对舵机的控制

舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比的，来捽制舵机

不同的转角，舵机的频率一般为频率为50IIZ,也就是一个20ms左右的时基脉

冲。

而脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms的范围来控制舵机不同的转角，

500-2500us的PWM高电平部分对应控制180度舵机的0T80度，以180度角度

伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms0度

1.0ms45度

1.5ms90度

2.0ms135度

05什么是PWM“死区”？

PW是脉宽调制，在电力电子中，最常用的就是整流和逆变。这就需要用

到整流桥和逆变桥。对三相电来说，就需要三个桥臂。以两电平为例，每个桥

臂上有两个电力电子器件，比如IGBT。这两个IGBT不能同时导通，否则就会

出现短路的情况。

因此，设计带死区的PWM波可以防止上下两个器件同时导通。也就是说，

当一个器件导通后关闭，再经过一段死区，这时才能让另一个导通「

一、什么是死区？

通常，大功率电机、变频器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件组成的

H桥或3相桥。每个桥的上半桥和下半桥是是绝对不能同时导通的，但高速的

PWM驱动信号在达到功率元件的控制极时，往往会由于各种各样的原因产生延

迟的效果，造成某个半桥元件在应该关断时没有关断，造成功率元件烧毁。

死区就是在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥或在下半桥关断后,

延迟一段时间再打开上半桥，从而避免功率元件烧毁。这段延迟时间就是死区。

（就是上、下半桥的元件都是关断的）死区时间控制在通常的低端单片机所配备

的PWM中是没有的。

死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度

问题发生同时导通而设置的一个保护时段，所以在这个时间，上下管都不会有

输出，当然会使波形输出中断，死区时间一般只占百分之几的周期。

但是PWM波本身占空比小时，空出的部分要比死区还大，所以死区会影响

输出的纹波，但应该不是起到决定性作用的。

二、DSP里的PWM死区

在整流逆变的过程中，同一相的上下桥不能同时导通，否则电源会短路，理

论上DSP产生的PWM是不会同时通，但器件的原因PWM不可能是瞬时电平跳变

的，总是梯形下降的，这样会可能使上下桥直通，为此，设一个极短的时间，

上下桥都关闭，再选择性开通，避免了上下桥直通，实际控制中死区会导致控

制性能变差。

PWM的上下桥臂的三极管是不能同时导通的.如果同时导通就会是电源两

端短路。所以，两路触发信号要在一段时间内都是使三极管断开的。这个区域

就叫做“死区”。

PW的占空比决定输出到直流电机的平均电压，PWM不是调节电流的。PWM

的意思是脉宽调节，也就是调节方波高电平和低电平的时间比，一个20%占空

比波形，会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形

则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间，占空比越大，高电平时间越长，

则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。如果占空比为0%,那么高电平时间为0,

则没有电压输出。如果占空比为100%,那么输出全部电压。

所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以

无级连续调节。

三、PWM相关概念

1.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）。

频率就是这样的，如16位的PWM,它的分辨率达到了1:65535,要达到这

个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后

又从0开始计到80,那么它的分辨率最小就是1:80了，但是，它也快了，也

就是说PWM的输出频率高了。

2.双斜率/单斜率

假设一个PWM从0计数到80,之后又从0计数到80,这个就是单斜率。

假设一个PWM从o计数到80,之后是从80计数到3这个就是双斜率。

可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但

是分辨率却是1：（80+80）=1:160,就是提高了一倍。

假设PWM是单斜率，设定最高计数是80,我们再设定一个比较值是10,那

么T/C从0计数到10时（这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值

80）,单片机就会根据你的设定，控制某个10口在这个时候是输出1还是输出

0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。

06PWM信号转换为模拟量信号

一、背景

有一个测量位置变化的位置传感器，我用万用表电压档测量传感器的输出

信号，结果显示的是模拟量信号，即位置和信号输出大小呈线性关系。但是，

我用示波器（Picoscope4227）测量传感器的输出信号，显示的却是PWM信号

（脉宽调制），即位置不同，输出PWM信号的占空比不同。

PWM信号的参数是:200Hz,低电平为0V,高电平为18V。

现在可以确定，我的传感器输出信号是PWM信号。PWM信号需要输入到控

制器I/O中，但是控制器I/O口不具备直接采集PWM信号的功能。

二、解决方案

设计个电路，将PWM信号转化为模拟量信号，然后将转换后的模拟量信号

输入到控制器模拟量I/O口。

三、转换电路

01二阶压控有源低通滤波电路

设计一个深度滤波电路。滤波电路图为：

低通滤波频率公式为：f=l/（2n*RC）,我最后选择R=IK,C=10uf,算出的

低通截止频率f=15.9Hzo

滤波电路后端是一个运算放大器，放大倍数公式：A=l+Rf/Rlo我不希望电

压被放大，所以我选择A=L1。又因为R"/Rf=2R（RI,Rf两者并联的值等于R

串联值），最终：Rf=220欧，Rl=2.2k,R=lk0

02积分电路（无源滤波电路）

低通滤波电路前面是一个二级积分电路（将两个电容都接地），R=1K,

C=10ufo下图是一级积分电路，设计的积分电路是将两个下图电路串联构成二

级积分积分：

R

0~E=}—O

ViVo

C

oo

为验证电路效果进行的测试，我使用的设备是PicoScope4227,由于该设备

最大只能生成正负IV的电E信号，就生成了幅值为IV（低电平0V,高电平

IV），频率为200Hz的PWM信号作为积分电路的输入信号。各种效果图如下：

1、示波器直接采集发生器生成的PWM信号，波形如下：

・20

08

12

VO10.0ISO2ao2S0300K040045.0SGO

2、示波器从二阶滤波电路输入端采集信号，波形如下。发现该号波形与上

图的波形相比已经发生了变化.

­06

ooioiaoiso2ao2&.0saoss.o40045.0sao

HEBIms

3.示波器从一阶滤波电路输出端中采集到的信号波形，即滤波电路从左往

右数，第一个电阻与第一个电容交点的输出波形：

4、滤波器从二阶滤波电路输出端采集到的信号波形，即最终输出信号波形。

■10

V

-0.4

W100ISO20L02509Q035.040045.0SO

5、最终输出波形的参数: