PWM原理及其對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的應(yīng)用

什么是PWM

PWM（Pulse Width Modulation）簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)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)用在測(cè)量、通信、工控等方面。

· PWM的頻率

是指在1秒鐘內(nèi)，信號(hào)從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)，也就是說(shuō)一秒鐘PWM有多少個(gè)周期，單位Hz。

· PWM的周期

T=1/f，T是周期，f是頻率。

如果頻率為50Hz ，也就是說(shuō)一個(gè)周期是20ms，那么一秒鐘就有 50次PWM周期。

· 占空比

是一個(gè)脈沖周期內(nèi)，高電平的時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比例，單位是% (0%-100%)

一個(gè)周期的長(zhǎng)度，如下圖所示。

其中，周期是一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間，1s內(nèi)的周期T次數(shù)等于頻率f，脈寬時(shí)間是指高電平時(shí)間。

上圖中，脈寬時(shí)間占總周期時(shí)間的比例，就是占空比。比方說(shuō)，周期的時(shí)間是10ms，脈寬時(shí)間是8ms，那么占空比是8/10= 80%，這就是占空比為80%的脈沖信號(hào)。

PWM就是脈沖寬度調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比就可以調(diào)節(jié)脈沖寬度。

PWM原理

以STM32單片機(jī)為例，其IO口只能輸出高電平和低電平。

假設(shè)高電平為5V、低電平則為0V，那么要輸出不同的模擬電壓就要用到PWM。通過(guò)改變IO口輸出的方波的占空比，從而獲得使用數(shù)字信號(hào)模擬成的模擬電壓信號(hào)。

電壓是以一種脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的，接通時(shí)是高電平1，斷開(kāi)時(shí)是低電平0。接通時(shí)直流供電輸出，斷開(kāi)時(shí)直流供電斷開(kāi)。通過(guò)對(duì)接通和斷開(kāi)時(shí)間的控制，理論上來(lái)講，可以輸出任意不大于最大電壓值5V的模擬電壓。

比方說(shuō)，占空比為50%那就是高電平時(shí)間一半，低電平時(shí)間一半。在一定的頻率下，就可以得到模擬的2.5V輸出電壓。那么75%的占空比，得到的電壓就是3.75V，如下圖所示。

也就是說(shuō)，在一定的頻率下，通過(guò)不同的占空比即可得到不同大小的輸出模擬電壓，PWM就是通過(guò)這種原理實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的。

PWM應(yīng)用

· LED呼吸燈

以經(jīng)常使用的呼吸燈舉例。

一般人眼睛對(duì)于80Hz以上刷新頻率則完全沒(méi)有閃爍感，那么我們平時(shí)見(jiàn)到的LED燈，當(dāng)它的頻率大于50Hz的時(shí)候，人眼就會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)暫留效果，基本就看不到閃爍了，而是誤以為是一個(gè)常亮的LED燈。

由于頻率很高時(shí)看不到閃爍，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗，相關(guān)實(shí)例:詳解STM32呼吸燈的PWM實(shí)現(xiàn)。在頻率一定時(shí)，可以用不同占空比改變LED燈的亮度，使其達(dá)到一個(gè)呼吸燈的效果。

· PWM對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

調(diào)節(jié)占空比可以實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

對(duì)于直流電機(jī)來(lái)講，電機(jī)輸出端引腳是高電平電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出端高電平時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是是一點(diǎn)一點(diǎn)的提速，在高電平突然轉(zhuǎn)向低電平時(shí)，電機(jī)由于電感有防止電流突變的作用是不會(huì)停止的，會(huì)保持這原有的轉(zhuǎn)速，以此往復(fù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是周期內(nèi)輸出的平均電壓值，所以實(shí)質(zhì)上我們調(diào)速是將電機(jī)處于一種，似停非停，似全速轉(zhuǎn)動(dòng)又非全速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，那么在一個(gè)周期的平均速度就是我們占空比調(diào)出來(lái)的速度了。

在電機(jī)控制中，電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，而通過(guò)PWM輸出不同的模擬電壓，便可以使電機(jī)達(dá)到不同的輸出轉(zhuǎn)速，相關(guān)文章:介紹常見(jiàn)電機(jī)的控制算法。當(dāng)然，在電機(jī)控制中，不同的電機(jī)都有其適應(yīng)的頻率。

頻率太低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍，有時(shí)還會(huì)聽(tīng)到呼嘯聲。頻率太高時(shí)，電機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)，正常的電機(jī)頻率在 6-16kHZ之間為好。

· PWM對(duì)舵機(jī)的控制

舵機(jī)的控制就是通過(guò)一個(gè)固定的頻率，給其不同的占空比來(lái)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角。

舵機(jī)的頻率一般為頻率為50HZ，也就是一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，而脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍，來(lái)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角。

500-2500us的PWM高電平部分對(duì)應(yīng)控制180度舵機(jī)的0-180度。

以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

下圖演示占空比從1ms變化到2ms時(shí)，轉(zhuǎn)角的變化。

經(jīng)常使用的直流電機(jī)原理就是電生磁：通電導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就是電磁感應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成，一個(gè)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，一個(gè)為磁極，電機(jī)的轉(zhuǎn)子(軸承)就轉(zhuǎn)起來(lái)了。

這便實(shí)現(xiàn)了電能->磁能->機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。下面這個(gè)圖可以更直觀的理解：

PWM的本質(zhì)

通過(guò)上文大概知道，通過(guò)PWM控制電機(jī)速度，實(shí)際上是控制供電電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力稱為安培力，而安培力的公式：F=BIL。其中，F(xiàn)是受力大小，I是電流大小，L是導(dǎo)線長(zhǎng)度。在其他條件不變的情況下，控制其通過(guò)的電流即控制安培力的大小。

電機(jī)的電阻R是基本不變的，那么電流 I = U/R，F(xiàn)= BLU/R。

在R、B、L不變的情況，控制安培力的大小，本質(zhì)就是修改供電電壓的大小。我們也就知道，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的本質(zhì)就是給電機(jī)供不同的供電電壓，電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。

而PWM的本質(zhì)就是脈寬調(diào)制，通過(guò)輸出不同的占空比，從而將直流電壓轉(zhuǎn)換成不同電壓值的模擬信號(hào)。

控制電機(jī)速度

占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，我們知道，占空比是高電平在一個(gè)周期之中的比值，高電平的所占的比值越大，占空比就越大，對(duì)于直流電機(jī)來(lái)講，電機(jī)輸出端引腳是高電平電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出端高電平時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是是一點(diǎn)一點(diǎn)的提速，在高電平突然轉(zhuǎn)向低電平時(shí)，電機(jī)由于電感有防止電流突變的作用是不會(huì)停止的，會(huì)保持這原有的轉(zhuǎn)速，以此往復(fù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是周期內(nèi)輸出的平均電壓值，所以實(shí)質(zhì)上我們調(diào)速是將電機(jī)處于一種，似停非停，似全速轉(zhuǎn)動(dòng)又非全速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，那么在一個(gè)周期的平均速度就是我們占空比調(diào)出來(lái)的速度了。

總結(jié)

在電機(jī)控制中，電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，而通過(guò)PWM輸出不同的模擬電壓，便可以使電機(jī)達(dá)到不同的輸出轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然，在電機(jī)控制中，不同的電機(jī)都有其適應(yīng)的頻率 頻率太低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍，有時(shí)還會(huì)聽(tīng)到呼嘯聲。頻率太高的電機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)，正常的電機(jī)頻率在 6-16kHZ之間為好。

輸出的電壓就不同，電機(jī)轉(zhuǎn)速就不同。那我們可以知道，通過(guò)滑動(dòng)變阻器或者更換不同電壓的電源都可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，但是在實(shí)際應(yīng)用中顯然PWM更方便些。

專業(yè)一點(diǎn)的話就是：所謂PWM就是脈寬調(diào)制器，通過(guò)調(diào)制器給電機(jī)提供一個(gè)具有一定頻率的脈沖寬度可調(diào)的脈沖電。脈沖寬度越大即占空比越大，提供給電機(jī)的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就高。反之脈沖寬度越小，則占空比越越小。提供給電機(jī)的平均電壓越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速就低。

來(lái)源：電驅(qū)動(dòng)Benchmarker