PWM是什么

脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM控制在汽車上也有較多應(yīng)用，比如：電動(dòng)汽車充電電路CP端子信號(hào)(功率握手用)，燃油泵功率控制電路、電機(jī)調(diào)速。

PWM控制的基本原理可以概括為：通過對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形(如正弦波)。也就是說，在輸出波形的半個(gè)周期中，通過產(chǎn)生多個(gè)脈沖，并使各脈沖的等值電壓與所需波形相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電量的精確控制。

模擬電路&數(shù)字電路

【1】模擬電路

模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)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?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。

模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變小;流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。

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(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)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(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。

【2】數(shù)字電路

通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 簡而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。

PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)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(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼(這里指的是PWM直接控制負(fù)責(zé))。

圖片

上圖顯示了三種不同的PWM信號(hào)。a是一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號(hào)周期中，10%的時(shí)間通，其余90%的時(shí)間斷。b和c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(qiáng)度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號(hào)值。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%，則對(duì)應(yīng)的是一個(gè)幅度為0.9V的模擬信號(hào)。

圖片

通訊與控制

PWM 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1 改變?yōu)檫壿? 或?qū)⑦壿? 改變?yōu)檫壿? 時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM 用于通信的主要原因。

作為一個(gè)具體的例子，我們來考察一種用PWM 控制的制動(dòng)器。簡單地說，制動(dòng)器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動(dòng)器使用模擬輸入信號(hào)來控制夾緊壓力(或制動(dòng)功率)的大小。加在制動(dòng)器上的電壓或電流越大，制動(dòng)器產(chǎn)生的壓力就越大。可以將PWM 控制器的輸出連接到電源與制動(dòng)器之間的一個(gè)開關(guān)。要產(chǎn)生更大的制動(dòng)功率，只需通過軟件加大PWM 輸出的占空比就可以了。如果要產(chǎn)生一個(gè)特定大小的制動(dòng)壓力，需要通過測(cè)量來確定占空比和壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(所得的公式或查找表經(jīng)過變換可用于控制溫度、表面磨損等等)。

硬件設(shè)置產(chǎn)生PWM

許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM 控制器。例如，Microchip 公司的PIC16C67 內(nèi)含兩個(gè)PWM 控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比;調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM 操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

軟件編程產(chǎn)生PWM

51單片機(jī)內(nèi)部沒有PWM控制器，需要通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，程序如下。

K1 EQU P1.0

K2 EQU P1.1

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0040H

MAIN:

MOV SP,#60H

MOV R1,#3

MOV R2,#4

MOV R3,#0

MOV TH0,#0FFH

MOV TL0,#9CH

MOV TH1,#3CH

MOV TL1,#0B0H

MOV TMOD,#11H;16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

MOV IE,#8FH

SETB IT0

SETB IT1

SETB TR0

SETB TR1

LOOP:

MOV A,R1

JB K2,S1

CALL DELAY

JB K2,S1

CJNE A,#9,PWMINC

CALL LED

SJMP LOOP

PWMINC:

INC R1

SJMP LOOP

S1:

JB K1,S2

CALL DELAY

JB K1,S2

CJNE A,#1,PWMDEC

CALL LED

SJMP LOOP

PWMDEC:

DEC R1

S2: SJMP LOOP

ORG 000BH

AJMP TIME0

ORG 0100H

TIME0:

MOV A,#9

SUBB A,R2

JNC DONE

INC R2

SJMP LOOP1

DONE: MOV R2,#1

LOOP1: CLR C

MOV A,R2

SUBB A,R1

JNC LOOP2

SETB P1.6

SJMP OUT1

LOOP2: CLR P1.6

OUT1: RETI

ORG 0003H

LJMP IN0

ORG 1000H

IN0:

INC R3

RETI

LED:

CPL P1.2

RET

DELAY:

MOV R7,#100

DE: MOV R6,#100

DJNZ R6,$

DJNZ R7,DE

RET