PWM（脈沖寬度調制）的工作原理、分類及其應用

　　脈沖寬度調制脈沖寬度調制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

　　脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

　　PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發展的主要方向之一。

　　PWM（脈沖寬度調制）的基本原理

　　隨著電子技術的發展，出現了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。

　　脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。

　　PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

　　PWM（脈沖寬度調制）基本控制原理

　　PWM（Pulse Width Modulation）控制——脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。

　　PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴于在逆　變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。

　　理論基礎：

　　沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

　　面積等效原理：

　　分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環節（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i（t）對不同窄脈沖時的響應波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i（t）響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i（t）也是周期性的。用傅里葉級數分解后將可看出，各i（t）在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

　　用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規律變化。

　　SPWM波形——脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形。

　　要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。

　　PWM電流波：電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。

　　PWM波形可等效的各種波形：

　　直流斬波電路：等效直流波形

　　SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。

　　隨著電子技術的發展，出現了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。

　　PWM的分類

　　從調制脈沖的極性看，PWM又可分為單極性與雙極性控制模式兩種。

　　產生單極性PWM模式的基本原理如圖6.2所示。首先由同極性的三角波載波信號ut。與調制信號ur，比較（圖6.2（a）），產生單極性的PWM脈沖（圖6.2（b））；然后將單極性的PWM脈沖信號與圖6.2（c）所示的倒相信號UI相乘，從而得到正負半波對稱的PWM脈沖信號Ud，如圖6.2（d）所示。

　　雙極性PWM控制模式采用的是正負交變的雙極性三角載波ut與調制波ur，如圖6.3所示，可通過ut與ur，的比較直接得到雙極性的PWM脈沖，而不需要倒相電路。

　　PWM的應用

　　PWM軟件法控制充電電流

　　本方法的基本思想就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調整單片機的PWM控制寄存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條件，另外ADC的位數盡量高，單片機的工作速度盡量快。在調整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然后把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，若實際電流偏小則向增加充電電流的方向調整PWM 的占空比；若實際電流偏大則向減小充電電流的方向調整PWM的占空比。在軟件PWM的調整過程中要注意ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術平均法等數字濾波技術。軟件PWM法具有以下優缺點。

　　優點：

　　簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續流磁芯、儲能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。

　　可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中，單片機可實時檢測ADC端口上充電電流的大小，并根據充電電流大小與設定的涓流進行比較，以決定PWM占空比的調整方向。

　　電池喚醒充電。單片機利用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設定充電電流的大小，所以，對于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時間的方式進行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認為恒流，對電池的沖擊破壞也較小。

　　缺點：

　　電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流采樣電阻來實現的，采樣電阻上的壓降傳到單片機的ADC輸入端口，單片機讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設定采樣電阻為Rsample（單位為Ω），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對應的電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個5mV的數值轉換成電流值就是50mA，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設法降低ADC的參考電壓或采用10位以上ADC的單片機。

　　PWM采用軟啟動的方式。在進行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動的過程中，由于磁芯上的反電動勢的存在，所以在重新充電時必須降低PWM的有效占空比，以克服由于軟件調整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。

　　充電效率不是很高。在快速充電時，因為采用了充電軟啟動，再加上單片機的PWM調整速度比較慢，所以實際上停止充電或小電流慢速上升充電的時間是比較大的。

　　為了克服2和3缺點帶來的充電效率低的問題，我們可以采用充電時間比較長，而停止充電時間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動時的電流慢速啟動折合成的停止充電時間，設定為50ms，則實際充電效率為（2000ms－100ms）/2000ms＝95％，這樣也可以保證充電效率在90%以上。

　　純硬件PWM法控制充電電流

　　由于單片機的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機產生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機用ADC方式讀取充電電流需要的時間，因此用軟件PWM的方式調整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來控制充電電流。現在智能充電器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等，本PWM控制芯片的工作頻率可以達到300kHz以上，外加阻容元件就可以實現對電池充電過程中的恒流限壓作用，單片機只須用一個普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。采用純硬件PWM具有以下優缺點。

　　優點：

　　電流精度高。充電電流的控制精度只與電流采樣電阻的精度有關，與單片機沒有關系。不受軟件PWM的調整速度和ADC的精度限制。

　　充電效率高。不存在軟件PWM的慢啟動問題，所以在相同的恒流充電和相同的充電時間內，充到電池中的能量高。

　　對電池損害小。由于充電時的電流比較穩定，波動幅度很小，所以對電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護電池。

　　缺點：

　　硬件的價格比較貴。TL494的使用在帶來以上優點的同時，增加了產品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進行克服。

　　涓流控制簡單，并且是脈動的。電池充電結束后，一般采用涓流充電的方式對電池維護充電，以克服電池的自放電效應帶來的容量損耗。單片機的普通I/O控制端口無法實現PWM端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實現簡單的PWM功能，但由于單片機工作的實時性要求，其軟件模擬的PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在10%的時間是充電的，在另外90%時間內不進行充電。這樣對充滿電的電池的沖擊較小。

　　單片機 PWM控制端口與硬件PWM融合

　　對于單純硬件PWM的涓流充電的脈動問題，可以采用具有PWM端口的單片機，再結合外部PWM芯片即可解決涓流的脈動性。

　　在充電過程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時，可以把單片機的PWM輸出全部為高電平（PWM控制芯片高電平使能）或低電平（PWM控制芯片低電平使能）；當進行涓流充電時，可以把單片機的PWM控制端口輸出PWM信號，然后通過測試電流采樣電阻上的壓降來調整PWM的占空比，直到符合要求為止。

　　PWM一般選用電壓控制型逆變器，是通過改變功率晶體管交替導通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內晶體管的通斷時間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小。

　　其整流部分與逆變部分基本是對稱的。

　　總之，最后的輸出波形可調，副值可調，甚至功率因數也可調，不過，好象都是用正弦波做為基波的啦。

　　模擬電路

　　模擬信號的值可以連續變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發生變化，并可取任何實數值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內。模擬信號與數字信號的區別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，例如在{0V， 5V}這一集合中取值。

　　模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。

　　盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調節。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

　　數字控制

　　通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在芯片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實現變得更加容易了。

　　簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

　　圖1顯示了三種不同的PWM信號。圖1a是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時間通，其余90％的時間斷。圖1b和圖1c顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設供電電源為9V，占空比為10%，則對應的是一個幅度為0.9V的模擬信號。

　　圖2是一個可以使用PWM進行驅動的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關閉合50ms，燈泡在這段時間中將得到9V供電。如果在下一個50ms中將開關斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內將此過程重復10次，燈泡將會點亮并象連接到了一個4.5V電池（9V的50%）上一樣。這種情況下，占空比為50%，調制頻率為10Hz。

　　大多數負載（無論是電感性負載還是電容性負載）需要的調制頻率高于10Hz。設想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開……。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內將點亮，在下一個5秒鐘內將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環周期與負載對開關狀態變化的響應時間相比必須足夠短。要想取得調光燈（但保持點亮）的效果，必須提高調制頻率。在其他PWM應用場合也有同樣的要求。通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。

　　硬件控制器

　　許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip 公司的PIC16C67內含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調制頻率為周期的倒數。執行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

　　* 設置提供調制方波的片上定時器/計數器的周期

　　* 在PWM控制寄存器中設置接通時間

　　* 設置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳

　　* 啟動定時器

　　* 使能PWM控制器

　　雖然具體的PWM控制器在編程細節上會有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。

　　通信與控制

　　PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信號產生影響。

　　對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

　　PWM廣泛應用在多種系統中。作為一個具體的例子，我們來考察一種用PWM控制的制動器。簡單地說，制動器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動器使用模擬輸入信號來控制夾緊壓力（或制動功率）的大小。加在制動器上的電壓或電流越大，制動器產生的壓力就越大。