PWM控制的基本原理

pwm控制电压的基本原理

好吧，今天我们来聊聊PWM控制电压的基本原理。这听起来可能有点儿复杂，但其实它就像是给电压开关一样，让我们用最简单的方式来理解。PWM啊，简单来说就是脉宽调制。这种技术就像是开关游戏，快速地打开和关闭电源，控制电压的平均值。想象一下，你在调节音量，轻轻转动旋钮，声音忽大忽小，但你又不想让它完全静音。就是这个意思，PWM就能做到这一点。

咱们的生活中其实处处都在用到PWM。比如说，咱们的LED灯啊，如果你觉得亮度太高，想要调暗一点，PWM就派上了用场。灯光一闪一闪的，乍一看像是在跳舞，实则是在精准控制电流的流入。你只要设定一个占空比，灯光就能随心所欲地变亮或者变暗。这种调节方式比直接降低电压要省电得多哦，真是一举两得。

说到占空比，咱们来聊聊这个“比”。简单点儿讲，占空比就是电源打开的时间和关闭的时间的比例。比如说，如果开关每秒钟开500毫秒，关500毫秒，那这个占空比就是50%。而如果开关开得更久，比如说800毫秒，那占空比就变成了80%。这样调节，就能让电压的平均值上升，灯光就变得更亮。哎，这真是个聪明的办法。

我们还可以看看它的应用。想象一下，你在玩电动玩具，电池电量快没了，车子却依然像个小火箭一样飞驰。就是因为那些小电路板在运用PWM，快速调节电压，保持玩具的活力。没错，咱们的电动玩具其实是电压的“调酒师”，把电源的酒量调得刚刚好。

不过，PWM可不仅仅是用在灯光和玩具上。它还在马达控制里大显身手。想想看，当你骑自行车，想加速的时候，你会怎么做？一脚踩下去，车子就飞快前进。PWM控制马达的时候也是一样，调节电压，让马达的转速恰到好处，既省电又不影响性能。就像是你在赶着上班，飞快骑车，但也不会掉链子，真是让人佩服的技术。

PWM还用在音响里。大家听音乐的时候，声音大声小声的调节，就是靠这个来实现的。它让你听到的声音既有层次又饱满，仿佛耳边有乐队在演奏。调节音量的过程就像是跟音乐跳舞，每一个音符都恰如其分，仿佛把你带入了一个美妙的音乐世界。

pwm原理

脉冲宽度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。

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。

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波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。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。

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。

1.1、PWM原理与DSC实现算法

1.1.1、PWM原理

脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即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技术在逆变电路中应用最为广泛，对逆变电路的影响最为深刻，PWM控制技术有赖于在逆变电路中的应用，才发展成熟，才确定了在电力电子技术中的重要地位。

在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，其效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积，效果基本相同是说环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。这种原理称之为面积等效原理，是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。

图1、SPWM原理

把图1中的正弦波分成2N等份，就可以把正弦波看成是由2N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于N，但幅值不相等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波部分的中心重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可以得到如图1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。根据面积等效原理，PWM波形与正弦波是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PSM）波形。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述脉冲的宽度即可。

根据PWM控制的基本原理，如果给出逆变电路的正弦波输出频率、幅值和一个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制开关器件的通断，就可以得到需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。与计算法对应的是调试法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调试的信号作为载波，通过信号波的调制得到所希望的PWM波形。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波，其中等腰三角形应用最多。因为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号相交时，如果在交点时刻对电力电子器件通断控制，就可以得到宽度正不语信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。

PWM“死区”的概念和基本原理

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）可以用于控制电机、灯光等设备的亮度和运动速度。在PWM控制中，通常会引入“死区”（Dead

Zone）的概念，以确保对控制信号进行适当的滤波，避免意外的电流、电压突变，保护电路元件。

死区的基本原理是通过在PWM周期的过渡阶段，在两个电平（高电平和低电平）之间引入一个“死区时间”，即两个相邻的PWM信号之间的时间间隔。在死区时间内，PWM信号停止输出电平，保持在低电平或高电平，直到死区时间结束。

死区时间的引入可以减少由于两个不同电平信号之间的切换速度过快而产生的电流和电压突变。常见的死区时间选择一般为几十纳秒到几微秒。也可以在硬件或者软件上进行设置调整。

死区的作用主要有以下几个方面：

1.限制电流突变：当PWM信号由高变为低或由低变为高时，如果没有死区时间，信号突然切换可能会导致电流的突变，进而将对电路产生过大的负荷。引入死区时间可以在过渡阶段平滑地切换信号，减少电流突变，保护电路。

2.防止短路故障：在一些特殊情况下，控制信号的切换可能会导致短路，例如在对有源二极管作反向恢复时，如果没有死区时间，可能会导致交流信号直接通过二极管而短路。通过引入一个死区时间，确保高电平和低电平之间没有交叉时间，可以避免短路故障的发生。 3.提高输出精度：由于器件的响应时间存在一定的延迟，因此在两个相邻信号切换的过渡阶段，输出信号可能会出现瞬时的不稳定情况。通过引入死区时间，可以提高输出信号的精度，使其更加稳定。

从实际应用的角度来看，死区时间的选择应根据具体的场景进行调整。过大的死区时间可能会导致输出信号的精度降低，而过小的死区时间则可能会增加电路中的电流突变和短路故障的风险。

总结起来，死区的概念和基本原理是在PWM控制中引入一个时间间隔，在PWM信号的过渡阶段将信号保持在一个不变的电平。这样可以限制电流和电压的突变，避免意外的负荷和短路故障，提高输出信号的精度。在具体的应用中，死区时间的选择应考虑多个因素，以确保系统的稳定性和安全性。